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1、CSP生产无取向电工钢中AlN、MnS析出计算岳尔斌 项利 范鼎东 赵沛（钢铁研究总院 连铸技术国家工程研究中心，北京 100081）摘 要：结合模拟试验与检验分析研究，计算了 CSP 生产无取向电工钢中 AlN 、 MnS 析出 长大的动力学特点，结果表明： CSP 生产的典型牌号无取向电工钢在均热阶段 AlN、MnS 析出粒子发生一定程度的长大，但是析出量占总的氮、硫含量的20以内，热轧后硫化锰 氮化铝基本已经析出，析出量占总的氮、硫含量的 80以上，但是热轧结束时析出的粒子 来不及长大。关键词：CSP,无取向电工钢，AIN、MnS析出计算Calculation on AlN and Mn
2、S Precipitation of Non-orientedElectrical Steel in CSP ProcessYUE Er-bin, XIANG Li , FAN Ding-dong, ZHAO Pei(National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology, CentralIron & Steel Research Institute, Beijing 100081，China)Abstract：Combining with the study of analogue experiments a
3、nd test analysis, the kinetics of precipitation and growth of AlN and MnS of non-oriented electrical steel in CSP process is calculated. The results show that the precipitating particles of AlN and MnS of typical grades non-oriented electrical steel in CSP process have grown more in soaking process,
4、 but the precipitation contents are less than 20% of total contents of nitride and sulfide. The precipitating particles of AlN and MnS have precipitated almost after the hot rolling process. The precipitation contents are more than 80% of total contents of nitride and sulfide, but it is too late for
5、 the precipitating particles to grow at the end of the hot rolling process.Keywords：CSP，Non-oriented electrical steel，Calculation on AlN and MnS precipitation前言钢液在凝固时或固态温度降低时，由于某些元素(如硫、氮)溶解度下降而沉 淀析出的化合物，如 MnS、AlN 等称为析出物。这些析出物的析出总量、析出 方式、析出时间对无取向电工钢成品的磁性能有着重大的影响，因此有必要对析 出物的析出规律加以研究。无取向电工钢与CSP常规低碳钢产品相
6、比，化学成分具有以下特点：C% 极低，要求小于0.005%； S%含量更加严格，一般要求小于0.008%； Si%较高， 例如W540，Si%要求在1.11.3%； Als%含量高，比常规CSP生产的低碳钢高 10倍左右；N%含量要求0.005%。关于钢中析出物热力学、动力学的研究，前人做了大量的工作，主要集中 在铌、钒、钛的碳、氮化物析出形态、物理化学反应基础数据研究，部分研究者 建立了析出物析出模型，并根据相关试验结果进行了修正，但是针对 CSP 工艺 流程生产电工钢的析出物研究，尚不多见，文献报道亦较少。本文以典型牌号无取向电工钢中的MnS、AlN为例，计算了 CSP生产无取 向电工钢中
7、析出物析出长大的动力学特点。1.试验条件与计算条件1.1 试验过程无取向电工钢实验室流程为：真空炉冶炼真空浇铸试样入马弗炉 均热(保温10min左右) 电瓶车 均热炉(保温30min左右) 热轧 入 模拟卷取炉(保温1h,断电炉冷)常化酸洗冷轧退火。试验过程采用一炉浇双锭的方法，然后分别装入预先设定好温度的马弗炉 均热，均热完成后直接淬水/热轧，以便研究不同均热温度条件下铸坯、热轧卷 中析出物的变化。析出物的的检验主要采用化学相分析和扫描电镜统计。1.2 析出动力学计算条件(1)基本条件因为1.0%(Si+Al)与0.5%(Si+Al)试验铸坯的硫、氮、锰、铝元素控制水平和 实际含量接近，计算
8、化学成分取平均成分 Al%=0.35， Mn%=0.30， S%=0.004， N%=0.003。假设A:假定在析出物的析出以及长大过程中奥氏体和MX界面组成达到局 部平衡。假设B：假定析出物为球形。假设C:析出物形成元素M在奥氏体中的 扩散为析出物长大的限制性环节。(2)计算公式15 形核以及析出过程中的化学驱动力可以由式(1)计算。( 、1 Xa Xaln m x xb xb 丿MX式中：R气体常数，J/ (mo卜K)；T温度，K；x a ， xaMX初始M、X的浓度;XM，XX 平衡时M、x的浓度。假定析出物为球形，则临界形核半径和临界形核功为：R AGb Vn MXAG 16 兀 AG
9、 * =3VAGb.-Vn MX2)3)式中：a 界面能， J/m2；AGbn形核以及析出过程中的化学驱动力，J/mol；VMXMX的体积摩尔数，m3/mo1。形核速率可以利用下式计算，I 二 A-PD x expa 3 M Mr(-AG式中：A 常数;P位错密度，m-2；乙奥氏体晶格常数，彳如沪皿合金M在奥氏体中的扩散系数，cm2/s，dm二D0eXPIRT丿(4)， Q 为扩散D激活能；5波尔兹曼常数，KB=1.38X 10-23J/K；T温度，K。在t时刻的析出量可以用式（5）进行近似计算。Y = 1 -exp（-16兀 D32 -a -1 -152）（5）15 M式中：（2 Co -O
10、 a = 2 - mm Cp - C7 丿MMc0 奥氏体中元素M初始浓度；MCp 奥氏体中元素M平衡浓度;MCM析出相内元素M浓度。MX形成元素M在奥氏体中的扩散为MX长大的限制性环节，扩散控制的基体内均匀沉淀的球形第二相平均直径可由式（6）得出：(8q V2DC )3 u po tl9V C严丿mp6)(丄r(t)二 r(0) 1 +l9 r (0)3 丿式中，C 微合金化元素在基体与析出物界面处的平衡浓度，mol/mol；C 微合金化元素在基体中的平衡浓度，mol/mol；C 微合金化元素在析出物中的平衡摩尔浓度，mol/mol；pVp 析出物的摩尔体积，m3/mohV 奥氏体的摩尔体积
11、， m3/mol。 m2.计算结果与分析2.1热力学平衡计算结果二元化合物的形成热力学平衡计算，关键在于热力学数据的选取，采用文 献中的数据进行了计算。表 1 和表 2 列出了实验室无取向电工钢中 AlN、MnS 析出热力学计算结果。6表1实验室无取向电工钢中A1N析出热力学计算结果温度(K)1423K1373K1323K1273K1223KN初始0.0030.0030.0030.0030.003对应摩尔分数0.00011960.00011960.00011960.00011960.0001196N反应0.0010760.0017670.002180.0025260.002715对应摩尔分数0
12、.00004300.00007120.00008720.00010140.000109N平衡0.0019240.0012330.0007820.0004740.000285对应摩尔分数0.000076920.000049320.000031270.000018910.00001101Al初始0.300.300.300.300.30对应摩尔分数0.00530.00530.00530.00530.0053Al反应0.0024340.00403020.00493590.0057390.0006169对应摩尔分数0.00004300.00007120.00008720.00010140.000109A
13、l平衡0.297570.295970.295060.294260.29938对应摩尔分数0.0052570.00522880.00521280.00519860.0052891表2实验室无取向电工钢中MnS析出热力学计算结果温度(K)1423K1373K1323K1273K1223KS初始0.0040.0040.0040.0040.004对应摩尔分数0.000070.000070.000070.000070.00007S反应0.003920.003930.003940.003950.00396对应摩尔分数0.00006850.00006870.00006890.00006910.0000693
14、S平衡0.000080.000070.000060.000050.00004对应摩尔分数0.00000150.00000130.00000110.00000090.0000007Mn初始0.350.350.350.350.35对应摩尔分数0.003560.003560.003560.003560.00356Mn反应0.00673460.00675420.00677390.00679360.0068132对应摩尔分数0.00006850.00006870.00006890.00006910.0000693Mn平衡0.343270.343250.343230.343210.34319对应摩尔分数0.00349150.00349130.00349110.00349090.00349072.2均热后铸坯中析出计算结果与分析图1为1273K、1373K温度均热后电工钢铸坯中A1N的析出变化图。由图1 可见，AlN析出粒子的平均直径和析出量都随时间的增加而增加，而且在反应初 期增加的速率很大，随着反应的持续进行，增加的速率逐渐减慢，曲线趋于平缓； 对应一定时间，析出
