对于含铝钛合金的电渣锭而言，在重熔过程中伴随着电极氧化、渣—气接触传氧等，导致Al，Ti等易氧化元素的严重烧损.同时，脱氧剂Al的加入量、渣系中TiO₂的设计量直接影响着Al，Ti之间的反应，导致出现烧钛增铝、烧铝增钛、烧铝烧钛现象，造成电渣锭Ti的成分不均匀.目前，关于含铝钛电渣锭的脱氧尚无进行深入的机理探讨，脱氧制度往往依靠生产经验，没有理论分析为依据，不同企业的脱氧制度有很大区别，钛烧损无规律可寻.因此，成分均匀性作为产品质量的基本要求，含铝钛电渣锭的成分控制问题显得尤为重要.

本文以Al为脱氧剂，根据Al的加入量对1Cr21Ni5Ti钢的金属-熔渣中各物质的平衡质量分数进行了计算，建立了脱氧热力学模型：①分析各物质平衡质量分数随加铝量的变化规律，并根据钢种成分要求对脱氧剂的加入量提供了理论指导；②在保证Ti含量不变的情况下，分析渣中TiO₂的设计量随加铝量的变化规律，进行保Ti.

电渣重熔作为一个复杂的多相冶金反应体系，动力学条件良好.为提出这个模型，作如下假设：①金属-渣之间的反应动力学良好，达到热力学平衡；②渣系在某一时间段内为稳定渣系；③金属-熔渣界面反应的温度变化很小；④在金属和熔渣两相内，各反应物的浓度分布均匀.

目标钢种为1Cr21Ni5Ti钢，成分见表 1.考虑到生产中渣—气传氧和电极氧化，为使计算条件与实际相符，设FeO的质量分数为0.8%，基渣成分见表 2，其中，TiO₂的设计量将在下文进行讨论.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 1Cr21Ni5Ti钢的成分(质量分数) Table 1 Chemical compostion of 1Cr21Ni5Ti (mass fraction) % C Si Mn Cr Ni Ti Al 0.10 0.55 0.54 19.21 5.59 0.55 0.05

表 1 1Cr21Ni5Ti钢的成分(质量分数) Table 1 Chemical compostion of 1Cr21Ni5Ti (mass fraction)

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 渣系成分(质量分数) Table 2 Chemical compostion of slag system (mass fraction) % CaO CaF 2 Al 2O 3 SiO 2 FeO MgO TiO 2 5 63.4 16 0.8 0.8 10 X

表 2 渣系成分(质量分数) Table 2 Chemical compostion of slag system (mass fraction)

钢液中合金元素组分的活度计算见式(1)，式(2).

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 钢液中组元的活度相互作用系数eij Table 3 Activity interaction coefficient eij of the constituent in the molten steel 组元 C Si Mn P S Al Ti Cr Ni Si 0.18 0.103 -0.0146 0.09 0.066 0.058 1.23 -0.004 0.005 Al 0.091 0.056 0.035 0.033 0.035 0.043 0.004 0.03 -0.0173 Ti -0.19 -0.025 -0.043 -0.0064 -0.27 0.0037 0.042 0.055 — Mn -0.0538 -0.0327 0 -0.06 -0.048 — -0.05 0.0039 -0.0072

表 3 钢液中组元的活度相互作用系数eij Table 3 Activity interaction coefficient eij of the constituent in the molten steel

1) 熔渣的活度采用离子、分子理论^{[2, 3]}，基于熔渣的高温相图事实可概括为3点：即熔渣由简单离子和氧化硅、硅酸盐、铝酸盐等分子组成；简单离子和分子间进行着动态平衡反应；熔渣内部的化学反应服从质量分配定律.根据相关相图^[4]，确定渣系的结构单元后将炉渣熔体视作理想溶液，单离子和分子间存在动态平衡反应，其反应常数可根据文献[5, 6, 7, 8]得到.根据熔渣的结构单元的反应平衡和质量平衡建立熔渣的活度计算模型.

设

根据熔渣各个结构单元的质量平衡建立关系：

在熔渣-金属的多相反应体系中，反应(12)~(15)为4个独立的平衡反应^{[9, 10, 11]}.

钢液中以1%溶液为标准态，在钢液中a_[Fe]为1，并根据熔渣分子离子共存理论，相应的这4个反应平衡常数为

根据物质守恒得到式(20)~式(23)，各物质的摩尔分数的求解见式(24)，将n^oi代入到式(4)~式(11)，应用Matlab求解方程组(3)~(11)，(16)~(23)的解得到各物质的平衡质量分数w_[Mn]e，w_[Si]e，w_[Al]e，w_(SiO2)e，w_(Al2O3)e，w_(FeO)e，w_(MnO)e.为保证Ti含量不变，w_[Ti]取目标钢种的含量，所求得的w(TiO₂)即为保Ti下渣中TiO₂的设计量.

令加Al量占吨钢百分比为0~1%，应用Matlab进行求解，得到各物质的平衡质量分数以及保钛下渣系中TiO₂的设计量随加铝量的变化关系，应用Origin对各物质的平衡质量分数进行曲线耦合，见图 1~图 4.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 钢中各物质的平衡质量分数随加铝量的关系 Fig. 1 Dependence of the equilibrium mass fraction of various elements in steel on Al content

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 保钛下TiO2的设计量随加铝量的变化关系 Fig. 2 The TiO2 content designed for controlling Ti depending on Al content

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 Al2O3平衡质量分数随加铝量的关系 Fig. 3 Dependence of the equilibrium mass fraction of Al2O3 on Al content

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 SiO2，FeO平衡质量分数随加铝量的关系 Fig. 4 Dependence of the equilibrium mass fraction of SiO2, FeO on Al content

由图 1可得，在Al吨钢加入量0~1%范围 内，钢中w(Si)的范围为0.53%~0.75%，w(Mn)的范围为0.49%~0.54%，w(Al)的范围为0.04%~0.69%，Ti含量由于渣中TiO₂的合理添加，保持在0.55%.

电渣重熔过程中，钢中Mn,Si,Al含量的变化受脱氧剂Al的加入量的直接影响；同时为减少Ti烧损，研究了加入脱氧剂Al与渣中TiO₂的设计量的关系，见图 2.根据图 1以及1Cr21Ni5Ti的成分控制要求，w(Si)<0.8%，w(Al)<0.08%，w(Mn)<0.8%,从成分合格角度与电渣锭对Al含量的要求考虑，Al的最大吨钢加入量为 0.15%，根据图 2，此时渣中TiO₂的设计量为3.9%，观察图 3，此时渣中w(SiO₂₎为0.66%.脱氧剂Al的加入量不能过少，否则发生易氧化元素的烧损.

观察图 4，当Al的吨钢加入量大于0.2%时，渣-金界面处的FeO由于脱氧剂Al的作用，w(FeO) 降低到0.1%以下；此时，由于渣中不稳定氧化物含量很低，脱氧剂Al进入到钢液中，造成钢液大量增铝.

为了验证模型的准确性和渣系设计的合理性，根据上述分析采用渣系见表 4，采用纯化学试剂进行配比，在MoSi₂电阻炉上进行了脱氧试验.试验用钢350g，渣200g，全程采用Ar气保护，吨钢加铝量为0.15%.对目标钢液以及熔渣中的Si，Mn，Al，Ti，SiO₂，Al₂O₃，MnO，FeO，TiO₂等物质进行了检测分析.与通过本文热力学模型求解的各个物质的平衡质量分数进行了比对分析，见图 5.由本模型求解的各物质的质量分数与试验测量值符合较好，且Ti含量变化小.因此，本模型计算结果准确，渣系设计合理，且对Ti的控制效果理想.

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 渣系成分(质量分数) Table 4 Chemical compostion of slag system (mass fraction) % CaO CaF 2 Al 2O 3 SiO 2 FeO MgO TiO 2 5 63.4 16 0.8 0.8 10 4

表 4 渣系成分(质量分数) Table 4 Chemical compostion of slag system (mass fraction)

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 各物质平衡质量分数的计算值与实验值对比 Fig. 5 Comparison of calculated results and measured values of the equilibrium mass fraction of each constituent

1) 应用炉渣离子、分子共存理论建立了含钛渣系的活度模型，并进行了热力学脱氧计算：随Al加入量的增大，Si,Al,Mn,Al₂O₃的质量分数均呈上升趋势，FeO,SiO₂,MnO和渣中TiO₂的设计量呈下降趋势.

2) 根据Si,Al,Mn的平衡质量分数随加铝量的变化曲线，以及1Cr21Ni5Ti的Si,Al,Mn的成分要求，得到Al的吨钢加入量为0.15%，渣中TiO₂的设计量为4%.脱氧剂Al的加入量不能过少，否则发生易氧化元素的烧损.

3) 当Al的吨钢加入量大于0.2%时，FeO达到最低水平，质量分数将小于0.1%，渣中FeO,SiO₂，MnO等不稳定氧化物含量很低，脱氧剂Al进入到钢液中，造成钢液大量增[Al].