Fe-Mn-Al-O熔體中Mn、Al間活度相互作用系數(shù)的測定
張杰
(北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院， 北京 100083)
摘要：鑒于有關高Mn、Al含量鋼液中Mn、Al間活度相互作用系數(shù)的研究匱乏，以及缺乏合理熱態(tài)試驗方法的現(xiàn)狀，首先采用不同方法開展相關熱力學試驗，得到了適用于高Mn、Al含量鋼液的熱力學研究方法。采用電阻爐開展試驗，將CaO-Al2O3渣覆蓋在Fe-Mn-Al熔體表面，防止Al的氧化和Mn的揮發(fā)，保證熱力學數(shù)據(jù)的準確性。其中，金屬與渣的質量比為2.4。之后，將樣品置于Al2O3坩堝中、外套石墨坩堝開展試驗，試驗采用Ar-H2混合氣，流量比為9∶1，樣品在1 600 ℃條件下平衡2 h。結果表明，隨著Mn含量的增加，Al含量降低；采用Wagner模型進行分析，最終得到Mn、Al間的一階活度相互作用系數(shù)eMnAl為0.028 8、二階活度相互作用系數(shù)rMnAl為-0.000 25。
關鍵詞：Fe-Mn-Al-O體系； 高錳高鋁鋼； 熱力學； 試驗方法； 活度相互作用系數(shù)
1 引言
近年來，先進高強度鋼(AHSS)因其優(yōu)異的性能而備受關注。其中，作為最具發(fā)展?jié)摿Φ腁HSS鋼——高錳高鋁鋼由于其高成型性以及優(yōu)異的強度和延展性得到了大力發(fā)展。然而，鋼液中添加大量Mn(質量分數(shù)為15%~20%)和Al(質量分數(shù)為1%~5%)為煉鋼和鑄造工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，除了對AHSS鋼材性能方面的研究外，冶煉過程的基礎研究，包括AlN夾雜物的形成、鋼液中的［Al］在連鑄過程與保護渣(SiO2)中的反應等，對高錳高鋁鋼生產也非常重要。
解決實際冶煉過程中的問題需要相關的熱力學基礎數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)。然而，在關于高錳高鋁鋼液熱力學性質的研究中，對高Mn、Al含量鋼液中Mn與Al之間活度相互作用參數(shù)的研究很少，無法滿足實際需要。在現(xiàn)有研究中，Mikhailov G G等確定了1 600 ℃下、低Mn、Al含量(w(［Mn］)≤0.7%，w(［Al］)≤0.05%)鋼液中Mn和Al之間的一階活度相互作用參數(shù)eMnAl為-0.04，但該研究中并沒有擬合Mn和Al之間的二階活度相互作用參數(shù)，且該數(shù)據(jù)不能完全滿足高Mn、Al含量鋼液的熱力學性質的描述。Paek M K等通過研究Fe-Mn-Al-N體系的熱力學性質，最終得到Mn和Al之間的一階和二階相互作用參數(shù)均為0(w(［Mn］)≤22%，w(［Al］)≤1.8%)。顯然，這兩項研究得到的結果存在明顯差異。此外，雖然Paek M K等是在較大的Mn含量范圍內獲得了相關熱力學數(shù)據(jù)，但Al含量相對較低，對于Al含量較高的鋼液適用性仍然未知。因此，需要深入研究高Mn、Al含量的Fe-Mn-Al-O體系中Mn與Al之間的活度相互作用參數(shù)。
在研究熔體的熱力學性質時，試驗方法對數(shù)據(jù)的準確性有很大影響。目前普遍采用化學平衡法進行研究，然而，在研究高Mn、Al含量的Fe-Mn-Al-O體系及其細分體系的熱力學性質中采用該方法存在很大挑戰(zhàn)。在高溫平衡試驗過程中，由于Mn很容易揮發(fā)，其含量很難控制，導致試驗結果產生較大誤差。因此，需要探究合適的試驗方法對該體系進行研究。
本研究基于化學平衡法，首先探索得到適用于高Mn、Al含量Fe-Mn-Al-O體系的熱力學試驗方法，并以此為基礎開展試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，采用Wagner模型進行擬合，獲得適用于高Mn、Al含量鋼液中Mn、Al間的活度相互作用系數(shù)。
2 精選圖表
3 結論
(1)在研究高Mn、Al含量Fe-Mn-Al-O熔體的熱力學性質時，可以采用CaO質量分數(shù)為35%、Al2O3質量分數(shù)為60%、CaF2的質量分數(shù)為5%的熔渣與Fe-Mn-Al-O熔體進行熔煉，以有效防止Al的氧化和Mn的揮發(fā)，同時不會影響金屬熔體內部Al、O和Al2O3夾雜物間的平衡。
(2)采用Wagner模型進行擬合分析，得到Mn、Al間的一階活度相互作用系數(shù)eMnAl為0.028 8、二階活度相互作用系數(shù)rMnAl為-0.000 25。
