摘要：通过热力学计算，分析了残钙量对低碳低硅铝镇静钢中夹杂物钙处理变性效果的影响，并结合实验室实验和现场试验对分析结果加以验证，提出了合理的残钙量范围。

关键词：钙处理；残钙量；夹杂物变性

       钙处理后，钢液中的残钙量将直接影响氧化铝夹杂的变性效果。因此，残钙量是钙处理过程中的一个重要参考指标。本文通过热力学计算，分析了残钙量对夹杂物变性效果的影响，并结合实验室实验和现场试验对分析结果加以验证，提出了合理的残钙量范围。

1热力学计算及分析

  氧化铝夹杂与钢液中钙的反应：

  式(1)中，a_CaO为夹杂物内氧化钙活度；a_AL为钢液中铝的活度；aCa为钢液中钙的活度；a_Al2O3为夹杂物内三氧化二铝的活度。其中，a_CaO、a_Al2O3代表以纯固态为标准态时，CaO，A1₂O₃的活度；a_Ca、a_Al代表以1％质量分数为标准态时，钢液中Ca、A1的活度。

    根据现场钢液成分及相互作用系数计算，溶解铝的活度系数近似为1，所以假定aAl=[％Al]。钙处理后钢中的残钙量一般在(10～ 40)×10^-6之间，且有研究指出钢中溶解钙[％Ca]不到残钙量Ca_残的10%，因此可以认为溶解钙与钢液构成极稀溶液，也可近似将溶解钙的浓度视为其活度，即a_Ca=[%Ca]，取其最大值[％Ca]=0．1Ca_残。

    由于溶解铝与酸溶铝之间的关系缺乏文献资料，且本研究的对象为铝镇静钢，因此设钢中的氮全部形成氮化铝，根据现场钢液成分计算得[％Al]≈0．7 Als，则式(1)变形为：

    式(2)中，Als为钢中酸溶铝质量分数，％；Ca_残为钢中残钙质量分数，10^-6。其中，不同钙铝酸盐夹杂物CaO和Al₂O₃的活度见表1。

    由式(2)和表1，可以做出T=1 873K和T=1 823K时，不同平衡态下，Ca_残和Al_s的关系曲线，如图1、图2所示。

    由于氧化铝夹杂的变性过程为：A12O3→CA6→CA2→CA→Ca_x(liquid)(x<1)。由于CA的熔点为1 605℃，因此就可认为L／CA平衡态所对应的曲线是形成液态钙铝酸盐的开始，即该曲线以上的区域应为液态钙铝酸盐区。从图1和图2可以看出，酸溶铝含量相同时，温度越低，形成液态钙铝酸盐所需的残钙量就越低，形成液态夹杂物就越容易。但是在变性反应结束时，夹杂物表面往往会有CaS生成，将夹杂物包裹住，从而阻碍了钢液中的钙向夹杂物内扩散。因此如果夹杂物在高温下变性时，残钙量不足，不能形成液态夹杂物，那么在低温下，即使残钙量达到适当的浓度，固态夹杂物变成液态也将比较困难。所以应尽可能保证夹杂物在高温下就完全变性。

    由于铝镇静钢的酸溶铝质量分数多在0．02％～0．05％之间，所以从图1可知，1 873 K下，当ω(Als)=0．05％，ω(Ca_残)>29×10^-6时和ω(A1s)=0．02％，ω(Ca_残)>16×10^-6时，钙处理后均可以形成液态钙铝酸盐夹杂。因此，当T=1 873 K，酸溶铝质量分数为0．02％～0．05％时，钙处理过程中为获得液态夹杂物，残钙的质量分数最好不小于29×10^-6，且最小不能小于16×10^-6 。

2  实验结果

    对实验室实验和现场试验所提取的钢样进行化学成分分析和金相分析。表2为钢样中的残钙量和酸溶铝含量，1*、2、3依次对应于图1中的a、b、c点。可以发现：现场钢样中夹杂物的变性效果应当比较理想，而实验室钢样中夹杂物的变性效果则应当比较差。

    图3～图6为实验室实验和现场试验所取钢样的金相照片，图7为各钢样中典型夹杂物的电子探针照片，其成分列于表3。

    从图3和图4可以看出，现场钢样中的夹杂物多呈球形，以小颗粒夹杂物为主，其大小多在5 μm左右；还有少量的大颗粒夹杂物，大的接近50μm。从图5和图6可以看出，验室钢样中以小颗粒夹杂为主，球化效果较现场钢样中的差，大小多在5μm以下；还有极少量的大颗粒夹杂，大小多在50μm以下。从表3可以看出，现场钢样中夹杂物的成分与C₁₂A₇接近，实验室钢样中夹杂物的成分与CA接近，因此实验室钢样中夹杂物的球化效果应当比现场钢样中的差。但是从图7可以看出，在实验室钢样中的部分夹杂物的球化效果比较好，这主要是由于夹杂物中含有少量的MgO。从图8可以看出，当钙铝酸盐夹杂物中含有一定量的氧化镁(ω(MgO)<3．00％)时，夹杂物的熔化温度会明显的降低。这说明：如果夹杂物中含有一定量的氧化镁，那么即使在残钙量相对较低的情况下，钙处理后仍然可以形成液态夹杂物。

3结论

  通过残钙量对夹杂物变性效果的影响的研究，我们可以得出以下结论：

    (1)当T=1 873 K，酸溶铝质量分数为0．02％～0．05％时，钙处理过程中为了获得液态夹杂物，残钙质量分数最好不小于29×10^-6，最小不能小于16×10^-6；

    (2)如果夹杂物中含有一定量的MgO，那么即使在残钙量相对较低的情况下，钙处理后仍然能够形成液态夹杂物。