镁处理低碳钢中MgAl2O4夹杂物的聚集行为

 为了研究MgAl₂O₄夹杂物的聚集行为,通过金相试样法和有机溶液电解分离法结合场发射扫描电子显微镜对镁处理铝脱氧低碳钢中单颗MgAl₂O₄夹杂物、多粒子MgAl₂O₄夹杂物进行观察。热力学计算结果表明,MgAl₂O₄夹杂物在液相中析出。FactSage计算得到钢中夹杂物相变规律,夹杂物预测种类与试验观察结果一致。对多粒子MgAl₂O₄夹杂物进行分析,发现腔桥力远远大于毛细管作用力、范德瓦尔斯力、黏滞力。因此,腔桥力是诱导MgAl₂O₄夹杂物发生聚集的主要作用力。钢液条件为温度升高、低a_O(氧活度)、低w([S])时,腔桥力数值较小,引起MgAl₂O₄夹杂物的聚集能力最弱。     

重轨冶炼过程非金属夹杂物的演变规律

通过对重轨工艺流程各环节取样,采用金相显微镜、扫描电镜—能谱分析方法,研究了冶炼流程中非金属夹杂物的形貌、组分和尺寸的变化。结果表明,冶炼过程中非金属夹杂物均为球状,其主要组分为CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃,各组分含量比例随工艺环节有规律变化,尺寸随工艺环节推进逐渐减小,数量随工艺流程推进逐步减少。根据重轨冶炼过程中各工序夹杂物组分的变化规律,可以判断成品钢轨中夹杂物的主要来源。通过分析重轨中大尺寸夹杂物扫描电镜—能谱检测结果,可以推断重轨钢中大尺寸夹杂物是在连铸过程中由未上浮的脱氧产物和外来的夹杂物相结合组成的复合夹杂物。     

钢液中原子与夹杂物颗粒间的介尺度物相及二步形核

大量试验和工业生产实践表明,钢液用金属(如铝、硅)脱氧反应难以达到生成固体氧化物夹杂的热力学平衡状态,即脱氧产物不能完全转变为最稳定结构的晶体或固体氧化物夹杂,部分脱氧产物以稳定性低于氧化物夹杂的亚稳相形式存在。亚稳相是熔体中处于原子与夹杂物颗粒尺度之间的介尺度物相,同时其结构也是介于液态(包括无定型)与稳定的固态(包括晶体)结构之间的演变状态。利用第一性原理方法优化显示,金属脱氧体系中的介尺度亚稳相包括形核前的不同数目的脱氧剂原子和氧原子结合的氧化物团簇、团簇聚集体、临界核以及形核后的纳米尺寸氧化物夹杂。热力学平衡计算发现亚稳相恰好与脱氧后体系中的脱氧剂和氧元素含量达到平衡。脱氧过程中夹杂物形核服从二步机理,第一步为脱氧剂原子与氧反应生成团簇,该过程的热力学趋势大、反应速率快,反应平衡决定了脱氧后的溶解氧含量;第二步为团簇聚集成核,该过程涉及团簇的扩散和类液态结构向固态或晶体结构的转变行为,是脱氧反应的限制性环节,决定了夹杂物的形核率。因此,要实现对夹杂物尺寸分布的控制,需进一步研究影响第二步的相关因素以及控制方法。