Fe-Mn-Al-O熔体中Mn、Al间活度相互作用系数的测定

张杰

(北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083)

摘要：鉴于有关高Mn、Al含量钢液中Mn、Al间活度相互作用系数的研究匮乏，以及缺乏合理热态试验方法的现状，首先采用不同方法开展相关热力学试验，得到了适用于高Mn、Al含量钢液的热力学研究方法。采用电阻炉开展试验，将CaO-Al₂O₃渣覆盖在Fe-Mn-Al熔体表面，防止Al的氧化和Mn的挥发，保证热力学数据的准确性。其中，金属与渣的质量比为2.4。之后，将样品置于Al₂O₃坩埚中、外套石墨坩埚开展试验，试验采用Ar-H₂混合气，流量比为9∶1，样品在1 600 ℃条件下平衡2 h。结果表明，随着Mn含量的增加，Al含量降低；采用Wagner模型进行分析，最终得到Mn、Al间的一阶活度相互作用系数eMnAl为0.028 8、二阶活度相互作用系数rMnAl为-0.000 25。

关键词：Fe-Mn-Al-O体系； 高锰高铝钢； 热力学； 试验方法； 活度相互作用系数

1 引言

近年来，先进高强度钢(AHSS)因其优异的性能而备受关注。其中，作为最具发展潜力的AHSS钢——高锰高铝钢由于其高成型性以及优异的强度和延展性得到了大力发展。然而，钢液中添加大量Mn(质量分数为15%~20%)和Al(质量分数为1%~5%)为炼钢和铸造工艺带来了巨大挑战。因此，除了对AHSS钢材性能方面的研究外，冶炼过程的基础研究，包括AlN夹杂物的形成、钢液中的［Al］在连铸过程与保护渣(SiO₂)中的反应等，对高锰高铝钢生产也非常重要。

解决实际冶炼过程中的问题需要相关的热力学基础数据作为理论依据。然而，在关于高锰高铝钢液热力学性质的研究中，对高Mn、Al含量钢液中Mn与Al之间活度相互作用参数的研究很少，无法满足实际需要。在现有研究中，Mikhailov G G等确定了1 600 ℃下、低Mn、Al含量(w(［Mn］)≤0.7%，w(［Al］)≤0.05%)钢液中Mn和Al之间的一阶活度相互作用参数eMnAl为-0.04，但该研究中并没有拟合Mn和Al之间的二阶活度相互作用参数，且该数据不能完全满足高Mn、Al含量钢液的热力学性质的描述。Paek M K等通过研究Fe-Mn-Al-N体系的热力学性质，最终得到Mn和Al之间的一阶和二阶相互作用参数均为0(w(［Mn］)≤22%，w(［Al］)≤1.8%)。显然，这两项研究得到的结果存在明显差异。此外，虽然Paek M K等是在较大的Mn含量范围内获得了相关热力学数据，但Al含量相对较低，对于Al含量较高的钢液适用性仍然未知。因此，需要深入研究高Mn、Al含量的Fe-Mn-Al-O体系中Mn与Al之间的活度相互作用参数。

在研究熔体的热力学性质时，试验方法对数据的准确性有很大影响。目前普遍采用化学平衡法进行研究，然而，在研究高Mn、Al含量的Fe-Mn-Al-O体系及其细分体系的热力学性质中采用该方法存在很大挑战。在高温平衡试验过程中，由于Mn很容易挥发，其含量很难控制，导致试验结果产生较大误差。因此，需要探究合适的试验方法对该体系进行研究。

本研究基于化学平衡法，首先探索得到适用于高Mn、Al含量Fe-Mn-Al-O体系的热力学试验方法，并以此为基础开展试验。根据试验数据，采用Wagner模型进行拟合，获得适用于高Mn、Al含量钢液中Mn、Al间的活度相互作用系数。

2 精选图表

3 结论

(1)在研究高Mn、Al含量Fe-Mn-Al-O熔体的热力学性质时，可以采用CaO质量分数为35%、Al₂O₃质量分数为60%、CaF₂的质量分数为5%的熔渣与Fe-Mn-Al-O熔体进行熔炼，以有效防止Al的氧化和Mn的挥发，同时不会影响金属熔体内部Al、O和Al₂O₃夹杂物间的平衡。

(2)采用Wagner模型进行拟合分析，得到Mn、Al间的一阶活度相互作用系数eMnAl为0.028 8、二阶活度相互作用系数rMnAl为-0.000 25。