论文部分内容阅读
为了改善高温氧化性及抗蠕变性能,耐热钢中加入了一定量的稀土元素,如253MA钢中的Ce含量为0.03-0.08%。生产过程中,Ce与钢中的O、S反应生成大量高熔点的稀土氧化物及稀土氧硫化物,导致严重的水口结瘤现象。国内某钢厂生产该钢种时,仅能进行单炉生产,根本无法实现连续浇铸。稀土耐热钢中高熔点非金属夹杂物行为的有效控制对于解决水口结瘤问题、实现连铸工艺顺行具有重要意义。本文首先进行了含稀土氧化物三元相图中液相区的探索与验证,建立了稀土耐热钢凝固过程中夹杂物析出与溶质偏析的热力学模型,在此基础上开展了稀土耐热钢中夹杂物转变行为的高温模拟实验。在本文实验条件下,得到如下重要结论:(1)计算得到了 RE2Si05、RE4.67Si3013(RE=La、Ce)的热力学数据;采用Redlich-Kister 表达式,计算得到了 CaO-Al2O3、CaO-SiO2、CaO-La2O3、La2O3-Al2O3、La2O3-SiO2、Al2O3-SiO2、Ce2O3-SiO2、Ce2O3-Al2O3 等二元系相图及其交互作用参数。(2)利用Kohler外推模型,计算得到了Al2O3-SiO2-La2O3、CaO-Al2O3-La2O3、CaO-SiO2-La2O3与Al2O3-SiO2-Ce2O3等三元系相图,并通过文献对比及高温平衡实验验证了 Al2O3-SiO2-La2O3相图的准确性。(3)在相图计算结果的基础上,建立了稀土化合物热力学数据全面(包括含液相夹杂物热力学数据)的热力学模型。工业试验、高温模拟实验及文献对比后发现,该热力学模型具有较高的准确性,可以用其定量分析稀土耐热钢凝固过程中的夹杂物析出行为。(4)利用所建热力学模型,系统考察了稀土耐热钢凝固过程中夹杂物的析出行为,并得到了稀土耐热钢凝固组织中夹杂物的稳定区域图及1600℃下液相夹杂物的稳定区域图。耐热钢中加入0.01%的铝便可将夹杂物转变为液相夹杂物。随着钢中初始氧含量的增加,液相夹杂物的生成区域不断扩大。(5)高温模拟实验结果表明,较低氧含量条件下,无论采用Si还是Si-Al合金脱氧,Ce合金化后耐热钢中的夹杂物主要为Ce2O3与Ce2O2S。较高氧含量条件下,采用Si脱氧时,Ce合金化后夹杂物发生如下转变:Ce2O3(Ce2O2S)→Ce-Si-(AL)-O系夹杂物→Ce-Si-Al-O系分层或均一固相夹杂物;用Si-Al合金脱氧时,Ce合金化后夹杂物发生如下转变:Ce2O3(Ce2O2S)→Ce-Si-Al-O系分层夹杂物→Ce4Si5Al5O23.5液相夹杂物。本文通过相图计算、热力学模型分析、高温模拟实验等方法,成功地将耐热钢中高熔点的稀土夹杂物转变为液相夹杂物。研究工作丰富了稀土化合物的热力学数据及相图信息,为稀土耐热钢水口结瘤问题的解决提供了理论及实验依据。