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摘 要：Ti-IF钢中含钛夹杂物对钢材质量有重大影响。本文系统地研究了Ti-IF钢冶炼过程和铸坯中含Ti夹杂物的组成、分布与微观形貌，揭示了含Ti夹杂物的衍变规律。IF钢铸坯中非金属夹杂物主要是大尺寸Al2O3颗粒和存在中间过渡层的TiN-Al2TiO5-Al2O3复合夹杂物，其形核长大过程是[Al]、[Ti]和[O]先在细小的Al2O3颗粒上反应生成一层Al2TiO5，然后TiN在Al2TiO5表面形核长大。根据连铸过程和铸坯中含钛夹杂物的研究得出，Ti-IF钢铸坯中TiN夹杂难以去除，但是可以使其变性以实现对钢中含钛夹杂物的控制。
关键词：Ti-IF钢；含钛夹杂物；衍变规律；TiN-Al2TiO5-Al2O3复合夹杂物
IF钢（interstitial-free steel）以其優良的深冲性能和非时效性而被广泛应用于汽车制造业，成为一个国家汽车用钢生产水平的标志。IF钢冶炼过程使用铝脱氧，通过加入一定量的钛、铌等强碳氮化合物形成元素，将超低碳钢中的碳、氮等间隙原子完全固定为碳氮化合物，从而得到无间隙原子的洁净铁素体钢。本文系统研究了Ti-IF钢冶炼过程中和铸坯中的含钛夹杂物，用冶金热力学解释了含钛夹杂物的形成方式和衍变机理，分析结果验证了热力学计算结果。进而提出了减少Ti-IF钢中TiN夹杂物的建议，对提高IF钢质量，控制钢中含钛夹杂物具有科学意义。
1 理论分析
1.1工艺条件
国内某钢厂Ti-IF钢的生产工艺是：铁水预处理（脱硫）→300t顶底复吹脱磷转炉（BOF）→300t顶底复吹脱碳转炉（BOF）→RH精炼处理→连铸（CC）。转炉出钢温度1690℃，RH精炼加铝粒脱氧以后加入TiFe对钢水进行合金化，所生产的Ti-IF钢化学成分见表1。
表1 IF钢化学成分（质量百分数）
Table 1 Chemical compositions of IF steel （mass percent）
图1 IF钢不同冶炼阶段钢中[O][N]含量变化
1.2含钛夹杂物热力学计算
常压下钢液中元素脱氧能力的顺序为：Ca>Al>Ti>Si>C>Cr>Mn[7]。根据钛氧化物的标准生成自由能判断，随着钢中钛含量的增加，1600℃时钛的脱氧产物依次为：Ti（Fe）氧化物→TiO2→Ti3O5→Ti2O3→TiO，低钛含量时所形成的脱氧产物最可能是TiO2[8]。考虑钢中化学元素含量，RH精炼阶段加铝脱氧和TiFe合金化以后，钢中生成夹杂物可能的反应有式（1）～（4）。
RH加铝后到中间包阶段，钢中[O]含量相对较高（70～90ppm，图1），钢中[Al]和[Ti]元素会与钢中[O]直接反应并与钢中的MnO夹杂反应生成Al2O3和TiO2。
（6）式为钢中生成TiN的反应，相应的平衡关系如（7）式、（8）式所示。
以1%溶液质量浓度为标准态。其中，表示元素i的活度系数，用活度相互作用系数公式（9）计算，[%i]表示元素i的质量百分数，认为TiN夹杂为纯物质，其活度值为1。
钢液的凝固液相线温度T用公式计算，为1532℃即1805K，大于反应（6）的平衡温度（1695K），说明TiN夹杂在炼钢过程中不能自发的生成。即使在加入TiFe合金化阶段由于局部钛元素浓度较高可以形成TiN，但是在接下来的冶炼过程中随着合金化均匀程度的提高生成的TiN夹杂也会分解。
热力学分析结果表明，在Ti-IF钢冶炼过程中，钢液中的[Al]、[Ti]元素不仅会与钢液中的[O]反应，还会与钢液中已经存在的MnO夹杂反应，生成相应的Al2O3和TiO2。Ti-IF钢冶炼过程中，钢液液相线温度高于生成TiN的反应温度，因此TiN夹杂在Ti-IF钢冶炼过程中不能形成。凝固过程中由于温度降低和元素偏析作用，TiN夹杂可以在Ti-IF钢中析出。
2.结果和讨论
通过对Ti-IF钢试样的氮氧分析得到不同冶炼阶段钢中和铸坯中的T[O]和T[N]含量，如图1所示。分析冶炼过程和铸坯试样的SEM和EDS检测结果，由元素组成和含量推断非金属夹杂物的成分与类别。
2.1冶炼过程中的含钛夹杂物
RH冶炼钢水到站和脱碳结束时钢中夹杂物主要是尺寸较小形状不规则的Al2O3、MnO、FexO的复合颗粒和表层被低熔点钙铝硅酸盐包裹的大尺寸球形氧化物。本阶段TiFe还没有加入，含钛的夹杂物没有在钢中出现。
2.2IF钢凝固后铸坯中的含钛夹杂物
TiN单独存在，没有发现Al2O3核心，以Al2O3为核心的TiN夹杂尺寸集中在5～10μm之间，被包覆的Al2O3核心颗粒尺寸大约1μm，不同于单独存在的大尺寸Al2O3颗粒。在连铸坯凝固开始时，钢液中存在大量弥散的Al2O3小颗粒，随着凝固的进行和元素的偏析，TiN开始在小颗粒Al2O3表面长大，同时小颗粒Al2O3彼此之间相互碰撞、吸附长大，最终形成较大尺寸的Al2O3夹杂物。
3 结论
本文对Ti-IF钢中的含钛夹杂物做了系统的热力学计算和实验分析，阐明了IF钢冶炼过程中含钛夹杂物的衍变规律和铸坯中TiN及其复合夹杂物的形成方式。得到以下结论：
（1）热力学分析表明TiN在IF钢中形成温度要低于1695K，而IF钢的液相线温度为1805K，因此TiN不能在IF钢冶炼过程中生成，冶炼过程中含钛夹杂物的主要存在形式为TiO2。凝固过程中，由于钢液温度降低和元素偏析作用，TiN及其复合夹杂会以异质形核的方式在Al2O3颗粒上形核长大。
（2）实验分析表明，Ti-IF钢冶炼过程中含钛夹杂物主要是TiO2和Al2O3的复合物，冶炼后期随着钢中[O]含量降低，复合夹杂物种TiO2含量降低，Al2O3含量升高
（3）TiN-Al2TiO5-Al2O3复合夹杂物形成过程是钢中[Al]、[Ti]、[O]元素首先在Al2O3颗粒表面反应生成一层Al2TiO5，然后TiN在Al2TiO5表面形核长大。■
参考文献
（1）岳峰，崔衡，包燕平，等. Ti-IF钢中夹杂物的行为[J]. 炼钢. 2009（1）：9-12）
（2）田新中，刘润藻，周春芳，等. 轴承钢中TiN夹杂物的控制研究[J]. 北京科技大学学报. 2009， 31（1）：150-153）
作者简介：
张博（1987.06-28）：男，汉族，河北唐山人，大学本科学历，首钢京唐钢铁联合有限责任公司公司，助理工程师，主要从事炼钢技术工作。
关键词：Ti-IF钢；含钛夹杂物；衍变规律；TiN-Al2TiO5-Al2O3复合夹杂物
IF钢（interstitial-free steel）以其優良的深冲性能和非时效性而被广泛应用于汽车制造业，成为一个国家汽车用钢生产水平的标志。IF钢冶炼过程使用铝脱氧，通过加入一定量的钛、铌等强碳氮化合物形成元素，将超低碳钢中的碳、氮等间隙原子完全固定为碳氮化合物，从而得到无间隙原子的洁净铁素体钢。本文系统研究了Ti-IF钢冶炼过程中和铸坯中的含钛夹杂物，用冶金热力学解释了含钛夹杂物的形成方式和衍变机理，分析结果验证了热力学计算结果。进而提出了减少Ti-IF钢中TiN夹杂物的建议，对提高IF钢质量，控制钢中含钛夹杂物具有科学意义。
1 理论分析
1.1工艺条件
国内某钢厂Ti-IF钢的生产工艺是：铁水预处理（脱硫）→300t顶底复吹脱磷转炉（BOF）→300t顶底复吹脱碳转炉（BOF）→RH精炼处理→连铸（CC）。转炉出钢温度1690℃，RH精炼加铝粒脱氧以后加入TiFe对钢水进行合金化，所生产的Ti-IF钢化学成分见表1。
表1 IF钢化学成分（质量百分数）
Table 1 Chemical compositions of IF steel （mass percent）
图1 IF钢不同冶炼阶段钢中[O][N]含量变化
1.2含钛夹杂物热力学计算
常压下钢液中元素脱氧能力的顺序为：Ca>Al>Ti>Si>C>Cr>Mn[7]。根据钛氧化物的标准生成自由能判断，随着钢中钛含量的增加，1600℃时钛的脱氧产物依次为：Ti（Fe）氧化物→TiO2→Ti3O5→Ti2O3→TiO，低钛含量时所形成的脱氧产物最可能是TiO2[8]。考虑钢中化学元素含量，RH精炼阶段加铝脱氧和TiFe合金化以后，钢中生成夹杂物可能的反应有式（1）～（4）。
RH加铝后到中间包阶段，钢中[O]含量相对较高（70～90ppm，图1），钢中[Al]和[Ti]元素会与钢中[O]直接反应并与钢中的MnO夹杂反应生成Al2O3和TiO2。
（6）式为钢中生成TiN的反应，相应的平衡关系如（7）式、（8）式所示。
以1%溶液质量浓度为标准态。其中，表示元素i的活度系数，用活度相互作用系数公式（9）计算，[%i]表示元素i的质量百分数，认为TiN夹杂为纯物质，其活度值为1。
钢液的凝固液相线温度T用公式计算，为1532℃即1805K，大于反应（6）的平衡温度（1695K），说明TiN夹杂在炼钢过程中不能自发的生成。即使在加入TiFe合金化阶段由于局部钛元素浓度较高可以形成TiN，但是在接下来的冶炼过程中随着合金化均匀程度的提高生成的TiN夹杂也会分解。
热力学分析结果表明，在Ti-IF钢冶炼过程中，钢液中的[Al]、[Ti]元素不仅会与钢液中的[O]反应，还会与钢液中已经存在的MnO夹杂反应，生成相应的Al2O3和TiO2。Ti-IF钢冶炼过程中，钢液液相线温度高于生成TiN的反应温度，因此TiN夹杂在Ti-IF钢冶炼过程中不能形成。凝固过程中由于温度降低和元素偏析作用，TiN夹杂可以在Ti-IF钢中析出。
2.结果和讨论
通过对Ti-IF钢试样的氮氧分析得到不同冶炼阶段钢中和铸坯中的T[O]和T[N]含量，如图1所示。分析冶炼过程和铸坯试样的SEM和EDS检测结果，由元素组成和含量推断非金属夹杂物的成分与类别。
2.1冶炼过程中的含钛夹杂物
RH冶炼钢水到站和脱碳结束时钢中夹杂物主要是尺寸较小形状不规则的Al2O3、MnO、FexO的复合颗粒和表层被低熔点钙铝硅酸盐包裹的大尺寸球形氧化物。本阶段TiFe还没有加入，含钛的夹杂物没有在钢中出现。
2.2IF钢凝固后铸坯中的含钛夹杂物
TiN单独存在，没有发现Al2O3核心，以Al2O3为核心的TiN夹杂尺寸集中在5～10μm之间，被包覆的Al2O3核心颗粒尺寸大约1μm，不同于单独存在的大尺寸Al2O3颗粒。在连铸坯凝固开始时，钢液中存在大量弥散的Al2O3小颗粒，随着凝固的进行和元素的偏析，TiN开始在小颗粒Al2O3表面长大，同时小颗粒Al2O3彼此之间相互碰撞、吸附长大，最终形成较大尺寸的Al2O3夹杂物。
3 结论
本文对Ti-IF钢中的含钛夹杂物做了系统的热力学计算和实验分析，阐明了IF钢冶炼过程中含钛夹杂物的衍变规律和铸坯中TiN及其复合夹杂物的形成方式。得到以下结论：
（1）热力学分析表明TiN在IF钢中形成温度要低于1695K，而IF钢的液相线温度为1805K，因此TiN不能在IF钢冶炼过程中生成，冶炼过程中含钛夹杂物的主要存在形式为TiO2。凝固过程中，由于钢液温度降低和元素偏析作用，TiN及其复合夹杂会以异质形核的方式在Al2O3颗粒上形核长大。
（2）实验分析表明，Ti-IF钢冶炼过程中含钛夹杂物主要是TiO2和Al2O3的复合物，冶炼后期随着钢中[O]含量降低，复合夹杂物种TiO2含量降低，Al2O3含量升高
（3）TiN-Al2TiO5-Al2O3复合夹杂物形成过程是钢中[Al]、[Ti]、[O]元素首先在Al2O3颗粒表面反应生成一层Al2TiO5，然后TiN在Al2TiO5表面形核长大。■
参考文献
（1）岳峰，崔衡，包燕平，等. Ti-IF钢中夹杂物的行为[J]. 炼钢. 2009（1）：9-12）
（2）田新中，刘润藻，周春芳，等. 轴承钢中TiN夹杂物的控制研究[J]. 北京科技大学学报. 2009， 31（1）：150-153）
作者简介：
张博（1987.06-28）：男，汉族，河北唐山人，大学本科学历，首钢京唐钢铁联合有限责任公司公司，助理工程师，主要从事炼钢技术工作。