钇在铁液中脱氧、脱硫和脱硫氧的热力学研究

本文采用铁液与反应产物直接平衡法,并用浓差定氧和低温无水电解分离反应产物等技术,研究1575、1600、1625℃铁液中钇脱氧、脱硫和脱硫氧的热力学。测定了钇的脱氧常数、脱硫常数和脱硫氧常数;钇与氧的一阶活度相互作用系数,钇与硫的一、二阶活度相互作用系数与温度的关系;铁液中 Y_2O_3、YS、Y_2O_2S 的标准生成自由能、钇的标准溶解自由能、活度系数和自相互作用系数与温度的关系;绘制了[Y]-[S]-[O]平衡立体图和α_O-α_S 平衡图,为预测钇的夹杂物生成的先后次序及类型提供了依据。     

铁液中[La]-[S]-[O]平衡的研究

本文采用铁液与镧的脱硫产物直接平衡法研究了铁液中镧的脱硫能力。采用ZrO_2(MgO)固体电解质定氧探头直接测定铁液中的氧活度,CaS(TiS_2)固体电解质定硫探头直接测定铁液中的硫活度,并在低温无水电解操作条件下,分离了固体平衡试样中的平衡产物,测得了溶解状态的镧含量,由实验所得的数据,并选择了有关的热力学数据,通过计算得到了1600℃铁液中[La]-[S]-[O]平衡图和等硫(a_(La)-a_0)、等氧(a_(La)-a_0)平衡图,为理论上预测夹杂物生成的顺序和类型提供了依据。给出了铁液中La的一系列有关热力学参数,并给出了铁液中La加入量和控制夹杂物形态的公式,对La在铁液中的有关行为进行了热力学分析和讨论。     

铁液中〔Y〕—〔S〕—〔O〕的热力学研究

由直接平衡法研究了1575—1625℃铁液中钇的脱硫氧平衡,固体电解质定氧探头测定了熔池中的氧活度,低温无水电解液电解法测定了溶解状态的钇含量。实验测得钇在铁液中的脱硫氧常数与温度的关系:LgK_(Y_2O_2S)=-(79487)/T+28.03,钇的硫氧化物在铁液中的标准生成自由能与温度的关系:2[Y]+2[O]+[S]+Y_2O_2S(s)△G~0=-363650+128.24T(Cal/mole)=-1521520+536.55T(J/mole)。由热力学分析进一步计算得到:1600℃铁液中[Y]-[S]-[O]平衡立体图、a_O-a_S平衡图及钇的氧化物、硫化物和硫氧化物稳定形成的条件,为理论上预测夹杂物,生成的先后次序及类型提供了依据。并给出了铁液中钇加入量计算公式:[%Y]=(88.9/32)·([%O]+[%S]及控制夹杂物形态的计算公式:[%Y]/[%S]=2.78(1+[%O]/[%S])     

Ni液中[Y]-[O]平衡的研究

由浓差定氧和低温无水电解法研究了1500、1550、1800℃Ni液中〔Y〕-〔O〕平衡关系,测定了钇的脱氧常数1gK_(Y_2O_3)。及钇与氧的一阶活度相互作用系数与温度的关系,并进行了有关的热力学计算。给出了1500、1550、1600℃Ni液中钇的脱氧平衡图及平衡时钇活度与氧活度的关系式。对于反应脱氧常数Ni液中钇脱氧平衡时,三个下钇、氧活度的着系式、     

铁液中〔Y〕—〔O〕平衡研究

用直接平衡法研究了1575—1625℃熔体中的[Y]—[O]平衡关系,测得了钇的脱氧常数及钇与氧活度相互作用系数与温度的关系,钇的脱氧产物Y_2O_3的标准生成自由能与温度的关系。给出了1575、1600、1625℃铁液中钇的脱氧平衡图,及平衡时钇活度与氧活度的关系式。     

Ni-Y-S-O和Ni-Ce-S-O金属溶液的热力学性质与相平衡研究

研究测定了镍液中钇和铈的脱硫氧常数(K=a_(RE)~2·a_o~2·a_s)和硫氧化物Y_2O_2S和Ce_2O_2S的标准生成自由能(J/mol)与温度的关系式: Y_2O_2S:lgK=—33146/T+3.85,△G°=—634460+73.69T, Ce_2O_2S:lgK=—51450/T+12.46,△G°=—984850+238.50T 1600℃的Ni-Y-S-O和Ni-Ce-S—O体系的平衡相图提供了预测镍液中钇和铈的平衡相生成的先后次序和类型的依据。并给出了镍液中加钇、铈控制夹杂物形态的公式以及钇、铈的加入量与氧、硫含量之间的函数关系。     

Fe-Y-S,Ni-Y-S,Fe-C_(饱)-La,Fe-C_(饱)-Y,Fe-C_(饱)-La-S和Fe-C_(饱)-Y-S熔体的平衡研究

在钼丝炉高纯氩气保护下,由直接平衡法研究了Fe-Y-S(1575～1600℃),Ni-Y-S(1500～1600℃)和Fe-C_饱-Y-S、Fe-C_饱-La-S熔体在(1300～1500℃)的脱硫平衡,得到生成YS和LaS的脱硫常数与温度的关系及钇、镧与硫的一、二阶相互作用系数与温度的关系: 钇在铁液、铁碳液、镍液中脱硫都存在最低含(S)量,超过此最低点,(S)含量反而随钇、镧溶解量增加而增大。由溶解度法测得碳与镧、碳与钇的一、二阶相互作用系数与温度的关系,稀土碳化物LaC_2、YC_2在铁碳熔体中的标准生成自由能与温度的关系;实验结合计算得到钇在铁液、镍液中的标准溶解自由能、活度系数、自相互作用系数与温度的关系。绘制了六个体系的平衡关系图,指出了各体系中平衡产物生成的次序和稳定存在的条件。     

稀土元素在铁基溶液中与硫作用生成RES与RE_2S_3的热力学研究

采用直接平衡法和低温无水电解法测定溶解状态的稀土及固体电解质定氧探头直接定氧活度等测试方法研究了镧、铈、钕,钐、钇在(1300～1500℃)铁碳饱和液和1600℃纯铁液中脱硫平衡,分别测得反应生成RES和RE_2S_3的脱硫常数,铁液中RES和RE_2S_3的标准生成自由能,稀土元素与硫的相互作用系数,温度对这些热力学性质的影响程度,并给出了生成RES和RE_2S_3的热力学条件,同时从热力学上讨论了这些性质。     

[Ce]—[O]—[S]空间及其在预测钢中稀土夹杂类型上的应用

从S.K.Lu[1]的脱氧脱硫图,以及W.G.wilsion[2]的沉淀图,可以预测稀土加入后,各类夹杂物的生成顺序,并可进行稀土加入量的计算。本文是在以上两个图的基础上,再作进一步的定量计算,以便在已知原始硫、氧含量及稀土加入量的条件下,找到最简便、最直观的判断稀土夹杂类型的方法。     

金属钇在碳饱和铁水中脱硫的热力学研究

用直接法首次研究了1300℃～1500℃碳饱和铁水中[Y]-[S]平衡关系。测得了钇的脱硫常数与温度的关系:lgK_(YS)=-22663/T+ 7.9;得到Fe-C(饱和)体系钇的表观脱硫常数与温度的关系:lgK_(YS)=-3487/T-1.1,硫化钇在碳饱和铁水中标准生成自由能与温度的关系:△G_(YS)=-103680+36.14T(卡/摩尔钇)=-433800+151.21T(焦耳/摩尔钇);得到钇在碳饱和铁水中的溶解自由能与温度的关系:△G_Y(e)→[Y]=18820-21.91T(卡/摩尔钇)=78740-91.67T(焦耳/摩尔钇);得到相互作用系数e_S~Y与温度的关系:e_S~Y=-47072/T+19.5。碳对钇和硫的相互作用系数正负相反影响,随温度升高逐渐减小,在1600℃时接近抵消。本实验为钇用于铁水脱硫提供了有用的热力学数据。     

SWRCH22A冷镦钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学及工业实践

文中通过热力学软件FactSage 7.0和工业实践,对1 873 K下SWRCH22A冷镦钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学进行研究.计算结果表明,当冷镦钢中[Al]含量增加到2×10-6以上时,平衡时钢中对应生成液态夹杂物、MnO·Al2O3和Al2O3,表明冷镦钢出钢过程应先加铝再加锰以降低精炼渣的氧化性.当冷镦钢中的[Mg]含量超过0.5×10-6时,钢中夹杂物由Al2O3转变为MgO·Al2O3;当钢中的[Mg]含量超过约9×10-6时,钢中夹杂物主要为MgO;随着钢中[Al]含量的提高,生成尖晶石夹杂物所需的最小[Mg]含量逐渐增大.当冷镦钢钢液中[Ca]含量超过约1.3×10-6时,钢中生成的夹杂物主要为液态钙铝酸盐;当钢液中的[Ca]超过约13×10-6时,钢中开始生成固态CaO夹杂物.冷镦钢中形成液态钙铝酸盐夹杂物所需的最小[Ca]含量随着钢中[Al]含量的提高逐渐增大.实验检测和热力学计算结果基本吻合,此外,研究发现,纯铁液的脱氧热力学与冷镦钢差异较大,因此,不能采用纯铁液的脱氧热力学指导冷镦钢生产实践.     

20CrMnTi冶炼过程中夹杂物行为研究

采用金相观察、扫描电镜(SEM)、电子探针(EDS)和大样电解等手段,对20CrMnTi钢中非金属夹杂物的分布行为进行研究。结果表明:LF精炼促进非金属夹杂物的去除,但浇注过程存在吸气现象,造成铸坯中T[O]和[N]含量分别为18.53×10-6和46.94×10-6;铸坯中显微夹杂物体积率较高,为0.085%~0.11%;钢液和铸坯中显微夹杂物主要为氧化物、硫化物、硅钙和钙铝酸盐复合夹杂,是典型的脱氧和脱硫产物;中间包钢液和铸坯中大型夹杂物含量分别达到1.011 mg/kg和0.785 mg/kg,主要为S iO2类和硅铝酸盐复合夹杂,这些夹杂物中K2O和Na2O含量较高,是典型的含有结晶器保护渣成分的复合夹杂物。     

工业纯铁铝氧含量控制工艺

为了降低金刚线芯线用高碳钢盘条拉拔断丝率，控制其氧化铝夹杂物含量，提供满足要求的纯铁，研究了工业纯铁铝氧含量控制工艺。利用真空感应炉并采用双炉次熔炼工艺进行研究，其中第1炉次通过氧铝反应脱铝，设计了两种熔炼方案，分析了氧化铁加入量、氧化铁加入前炉内压力对纯铁液中铝氧含量的影响情况。结果表明，氧化铁加入量为300 g、氧化铁加入前炉内压力为0.1 MPa时，纯铁液内铝质量分数可降低至0.001%以内。第2炉次通过碳氧反应脱氧，研究了碳加入量对纯铁液中铝氧含量的影响情况。结果表明，碳加入量为0.03%时，纯铁液中铝质量分数低于0.002%、氧质量分数低于0.001%。对相关样品夹杂物情况进行统计分析发现，经氧脱铝及低碳脱氧过程的纯铁中夹杂物数量和尺寸大幅降低，没有尺寸大于10μm的夹杂物，含氧化铝夹杂物基本消失，而高碳脱氧不利于夹杂物的脱除。该工艺用于高品质金刚线芯线的低铝低氧且夹杂物水平较低的原料制备，丰富了工业纯铁的提纯技术。     

SiCaBa合金对55SiCr弹簧钢的脱氧脱硫及夹杂物控制研究

针对服役条件要求苛刻的55SiCr气门弹簧钢,采用高温管式炉试验研究了低氧条件下向钢中加入SiCaBa合金的脱氧、脱硫及夹杂物控制规律。结果表明,SiCaBa合金有进一步深脱氧、深脱硫的效果,并可细化夹杂物尺寸;在钢中加入0.48 kg/t_钢的SiCaBa合金(49.8%Si-25.6%Ca-11.1%Ba)和Fe₂O₃含量低于1%的精炼渣能使T[O]和[S]分别降至11×10^-6和8×10^-6。     

含硫齿轮钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学及工业实践

为了研究齿轮钢脱氧及夹杂物控制,结合工厂试验以及热力学计算,分析了在不同冶炼时刻,含硫齿轮钢的复合脱氧产物。研究结果表明,在冶炼过程中,随着脱氧反应的进行以及脱氧平衡的移动,钢中溶解氧含量不断降低,夹杂物组成由纯Al_2O_3夹杂转变为Al_2O_3-MgO-CaO-Ti_2O_3-CaS复合夹杂。纯铁液的脱氧热力学和实际钢液存在较大差距,不能采用纯铁液的脱氧热力学指导实际生产。     

铁-稀土-氮、铁-碳-稀土金属溶液的热力学研究

本文主要研究了在1570～1650℃范围铁液中铈、钇与氮的平衡和在1300～1600℃范围碳饱和铁液中铈、钇、镧、钕、钐与碳的平衡。获得的主要结果如下:(1)铈、钇与氮的相互作用系数与温度的关系;(2)铈、钇脱氮产物为CeN、YN;(3)铈、钇脱氮常数与温度的关系;(4)铁液中CeN、YN标准生成自由能与温度的关系;(5)碳饱和铁液中铈、钇、镧、钕、钐与碳的相互作用系数与温度的关系;(6)铁铈溶液中铈、钇、镧、钕、钐与碳的相互作用系数与温度的关系;(7)稀土元素与碳反应的产物为REC_2型碳化物;(8)铁液中生成CeC_2、YC_2、LaC_2、NdC_2、SmC_2反应平衡常数和标准生成自由能与温度的关系。     

铁液中钇-硫平衡的研究

由直接平衡法直接研究了1575,1600,1625℃铁液中的[Y]-[S]平衡关系,测定了Y的脱硫常数lgK_(YS)和Y与S的一、二阶活度相互作用系数e_S~Y,r_S~Y与温度的关系,并进行了有关的热力学计算。由测得的数据算出铁液中YS的标准生成自由能△G°_(YS)、Y的标准溶解自由能△G°_((Y)→[Y])、活度系数、克原子分数和百分浓度的自相互作用系数ε_Y~Y,e_Y~Y与温度的关系。 对于反应[Y] [S]=YS_((S)) △G°_(YS)=-76740 21.66T(cal/mol) 1gK_(YS)=-16773/T 4.74 e_S~Y=-175999/T 82.58 r_S~Y=-372222/T 220 △G°_(Y(L)→[Y])=-8120-7.43T(cal/mol) 1gγ°_Y=-1775.7/T 0.578 ε_Y~Y=-8178.9/T-2.693 e_Y~Y=22.34/T-0.00574     

Q345精炼过程中非金属夹杂物生成热力学及工业实践

Q345钢采用铝硅锰复合脱氧,在LF精炼过程中,钢—渣—夹杂物—耐火材料—合金—空气多元体系下夹杂物成分会发生转变。由于纯铁液脱氧热力学不能指导工业生产实践,且目前实际钢液的脱氧热力学没有系统化,需要进行深入研究。结合Factsage7. 0热力学计算,分析了Q345钢LF精炼脱氧、耐材侵蚀、钙处理等引起的钢液[Al]、[Si]、[Mg]、[Ca]含量变化对夹杂物成分的影响。转炉出钢采用铝硅锰复合脱氧,脱氧产物主要为Al2O3,随着钢中[Mg]含量上升,夹杂物由Al2O3转变为MgO·Al2O3尖晶石。钙处理会将夹杂物由MgO·Al2O3尖晶石转变为液态Ca-Al-Mg氧化物,但当喂钙过量时,夹杂物中CaO含量偏高,会影响夹杂物改性效果。利用Factsage7. 0热力学软件分析出的夹杂物成分与直接检测结果一致。     

铁液中稀土(La、Ce、Y)或Al脱氧产物的尺寸和分布

利用扫描电镜和图象分析仪了纯铁加稀土元素(La,Ce,Y）或Al脱氧后铁液中氧化物夹杂的形貌，颗粒大小及尺寸分布，并考察了脱氧素种类，孕育时间和冷却速度对夹杂物尺寸的影响，研究结果表明，铁液脱氧产物为烯土氧化物（或Al2O3）与氧化铁形成的复合型夹杂物。此类夹杂物呈细小弥散分布，适宜的孕育时间和较快的冷却速度可使夹杂物细化，在4种脱氧元素中，La细化夹杂物的效果最好。     

重轨钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学及工业实践

为了对重轨钢脱氧及夹杂物控制进行热力学研究,结合实际生产以及FactSage热力学软件,分析了U75V重轨钢复合脱氧及相应工艺条件下夹杂物的生成情况。研究结果表明,重轨钢生产过程中,随着脱氧反应的进行以及脱氧平衡的移动,钢中溶解氧含量不断降低,夹杂物成分由SiO₂-MnO向SiO₂-MnO-Al₂O₃及CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO不断转变,最终夹杂物组成为CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO;纯铁液的脱氧热力学和实际钢液存在较大差距。因此,不能采用纯铁液的脱氧热力学指导实际生产,且目前实际钢液的脱氧热力学没有系统化,需要进行深入研究;此外,考虑重轨钢脱氧的同时,必须结合夹杂物控制,须在保证脱氧效果的同时,不影响夹杂物的去除效率且防止生成大尺寸夹杂物。