铸坯热装温度对无取向硅钢中AlN和MnS析出行为的影响

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.08.018 第35卷第8期 北京科技大学学报 Vol.35 No.8 2013年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2013 铸坯热装温度对无取向硅钢中AIN和MnS析 出行为的影响 万勇1,2)☒，陈伟庆1,2)，吴绍杰1,2,3) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)新余钢铁公司技术中心，新余338001 ☒通信作者，E-mail:wanyong0729@163.com 摘要通过固溶度积公式计算及热模拟实验，对不同热装和加热温度条件下的无取向硅钢铸坯中析出相进行了研究。 在低于950℃热装时，铸坯中AlN的析出量和尺寸不再变化，但MS和AlN-MnS的数量及平均尺寸随着热装温度降 低而进一步增加，并在温度低于600℃时达到最大值后保持不变.与1200℃相比，1100℃加热的铸坯中A1N、MS的 总固溶量相对更少.相比850℃热装，600℃热装再加热到1100℃的铸坯中A1N和MS的总固溶量更少，且A1N和 MnS尺寸更大.合适的热装温度和加热温度分别为600℃和1100℃. 关键词硅钢：温度：析出：氮化铝：硫化锰 分类号TG142.77 Effect of the hot charging temperature of slabs on AlN and MnS precipitation behavior in non-oriented silicon steel WAN Yong 1.2),CHEN Wei-gqing 12),WU Shao-jie 1.2.3) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Technology Center of Xinyu Iron and Steel Co.Ltd.,Xinyu 338001,China Corresponding author,E-mail:wanyong0729@163.com ABSTRACT Based on solubility product calculation and thermal simulation experiments,precipitated phases in continuous casting slabs of non-oriented silicon steel were systematically studied at different hot charging and heating temperatures.When the hot charging temperature is below 950C,the content and size of AIN remain unchanged,but the quantity and size of MnS and AlN-MnS increase when the hot charging temperature decreases,reach maximum and remain unchanged when the hot charging temperature is below 600 C.The total content of AIN and MnS solid solution in the slab heated at 1100 C is less than that heated at 1200 C.Compared with the slab hot-charged at 850C and heated at 1100 C,the total content of AlN and MnS solid solution is less and the size of AIN and MnS is larger in the slab hot-charged at 600C and heated at 1100 C.The appropriate hot charging temperature and heating temperature are600℃and1100℃，respectively. KEY WORDS silicon steel;temperature;precipitation;aluminum nitride;manganese sulfide 无取向硅钢作为重要的磁性材料已广泛应用能的因素包括化学成分、洁净度、夹杂物、析出相、 于大中型电机、家用电机、镇流器、小型变压器等， 晶粒尺寸和织构等.AIN和MS是无取向硅钢 是电力、电子和军事工业中不可缺少的软磁合金， 中最常见的析出相.B6c等回的研究结果表明，小 其主要磁性能要求为低铁损、高磁感，而影响磁性 于某一临界磁畴的AlN、MS在晶界处弥散析出 收稿日期：2012-04-10

第 35 卷 第 8 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 8 2013 年 8 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug. 2013 铸坯热装温度对无取向硅钢中 AlN 和 MnS 析 出行为的影响 万 勇1,2) ，陈伟庆1,2)，吴绍杰1,2,3) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 新余钢铁公司技术中心，新余 338001 通信作者，E-mail: wanyong0729@163.com 摘 要 通过固溶度积公式计算及热模拟实验，对不同热装和加热温度条件下的无取向硅钢铸坯中析出相进行了研究. 在低于 950 ℃热装时，铸坯中 AlN 的析出量和尺寸不再变化，但 MnS 和 AlN-MnS 的数量及平均尺寸随着热装温度降 低而进一步增加，并在温度低于 600 ℃时达到最大值后保持不变. 与 1200 ℃相比，1100 ℃加热的铸坯中 AlN、MnS 的 总固溶量相对更少. 相比 850 ℃热装，600 ℃热装再加热到 1100 ℃的铸坯中 AlN 和 MnS 的总固溶量更少，且 AlN 和 MnS 尺寸更大. 合适的热装温度和加热温度分别为 600 ℃和 1100 ℃. 关键词 硅钢；温度；析出；氮化铝；硫化锰 分类号 TG142.77 Effect of the hot charging temperature of slabs on AlN and MnS precipitation behavior in non-oriented silicon steel WAN Yong 1,2) , CHEN Wei-qing 1,2), WU Shao-jie 1,2,3) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Technology Center of Xinyu Iron and Steel Co. Ltd., Xinyu 338001, China Corresponding author, E-mail: wanyong0729@163.com ABSTRACT Based on solubility product calculation and thermal simulation experiments, precipitated phases in continuous casting slabs of non-oriented silicon steel were systematically studied at different hot charging and heating temperatures. When the hot charging temperature is below 950 ℃, the content and size of AlN remain unchanged, but the quantity and size of MnS and AlN-MnS increase when the hot charging temperature decreases, reach maximum and remain unchanged when the hot charging temperature is below 600 ℃. The total content of AlN and MnS solid solution in the slab heated at 1100 ℃ is less than that heated at 1200 ℃. Compared with the slab hot-charged at 850 ℃ and heated at 1100 ℃, the total content of AlN and MnS solid solution is less and the size of AlN and MnS is larger in the slab hot-charged at 600 ℃ and heated at 1100 ℃. The appropriate hot charging temperature and heating temperature are 600 ℃ and 1100 ℃, respectively. KEY WORDS silicon steel; temperature; precipitation; aluminum nitride; manganese sulfide 无取向硅钢作为重要的磁性材料已广泛应用 于大中型电机、家用电机、镇流器、小型变压器等， 是电力、电子和军事工业中不可缺少的软磁合金， 其主要磁性能要求为低铁损、高磁感，而影响磁性 能的因素包括化学成分、洁净度、夹杂物、析出相、 晶粒尺寸和织构等[1]. AlN 和 MnS 是无取向硅钢 中最常见的析出相. B´oc 等[2] 的研究结果表明，小 于某一临界磁畴的 AlN、MnS 在晶界处弥散析出 收稿日期：2012–04–10 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.08.018

.1008 北京科技大学学报 第35卷 并钉扎晶界，明显阻碍了退火时的晶粒长大，增加 (⑤0W600)铸坯，其主要化学成分（质量分数，%） (111)织构组分，恶化硅钢的电磁性能.关于热轧、 为：0.0043C、1.1467Si、0.2195Mn、0.0033S、0.0106 常化和退火工艺对无取向硅钢成品的组织及电磁性 P、0.275A1、0.0015T01和0.0023N 能的影响，国内外学者已有不少研究，先后提出了 1.2研究方法 降低加热炉温度、提高精轧终轧温度、提高卷曲温 利用第二相形成元素在钢中的平衡固溶度积 度及退火温度等工艺措施3-)来改善无取向硅钢 公式及理想化学配比，计算不同热装温度下钢中平 的电磁性能，但目前关于热装工艺对无取向硅钢中 衡析出相的析出量（质量分数）和析出体积分数.利 AlN、MnS的析出行为及硅钢成品的组织和电磁性 用Thermo-Calc软件计算AlN、MnS析出温度. 能的影响尚无报道 新余钢铁公司铸坯连铸生产无取向硅钢时采 在实验室卧式钼丝炉中进行实验，按照图1(a) 用热装热送工艺，已达到节能降耗提高生产效率 中的八组实验模拟热装工艺，研究不同热装温度下 的目的.考虑到热装温度对无取向硅钢铸坯中的 铸坯中AN、MnS的析出行为，并验证析出相的 AIN、MnS析出行为有重要影响，会进一步影响到随 热力学计算结果.通过图1(b)中的四组实验，研究 后加热过程AlN、MnS的固溶以及热轧和退火过程 铸坯不同温度热装进入加热炉后，随后的不同加热 中AN、MnS的析出，将最终影响无取向硅钢的电 温度对铸坯中AIN、MnS固溶行为的影响（参照现 磁性能.因此本文对新余钢铁公司生产的无取向硅 场无取向硅钢连铸坯热装温度范围，实验时热装温 钢在不同热装温度和加热温度下铸坯中AIN、MS 度分别取850和600℃).每组实验采用两个试样 的析出和固溶行为进行了研究，为制定合理的热装 (30mm×30mm×20mm),原始试样从铸坯边缘距 工艺和加热制度提供依据. 离一致的部位切取，以保证其凝固组织相近.试样1 在JSM-6480LV型扫描电镜（视场面积：0.034mm2) 1 研究方法 下连续观察100个视场，对视场内的夹杂物进行能 1.1实验材料 谱分析，统计AlN、MS及其复合析出相的个数和等 实验材料为新钢生产的无取向硅钢XG60OWR 效平均直径：试样2用于金相显微镜观察晶粒尺寸. 1500 1500r 1400℃，10min 1350℃.6mim (a) 1400℃，10min (b) 1350 1250℃.6min 1350 1200 随炉冷却 1150℃.6min 10℃min 1200℃，10min1200℃，10mim 1050'℃，6min 1200F 1050 水 1100℃. 950℃.6mim 水 C 10 min m 随炉冷却 900 850℃.6min 1050 量70 水 (10℃min 水淬 850℃ 淬 升温速率 600℃.6min 900H 6 min 600 (10℃s-1) 淬 淬 水淬 升温速率 450 750F 500℃.6min 淬 (10℃s) 300 600℃.6min 水 水 600 150 淬 时间 时间 图1不同热装温度(a)和加热温度(b)热模拟履历 Fig.1 Thermal simulation resume of different hot charging temperatures (a)and heating temperatures (b) 2实验结果与分析 的元素质量满足理想化学配比得 2.1第二相形成元素在钢中的平衡固溶度及析出 B 相的析出数量计算 Igfw([M])w([X])}=A- (1) 以MXz相为例，令钢中M、X元素的质量分 w(M)-w([M])AM 数分别为w(M)、w(X),当温度低于第二相全固溶 w(X)-w([X])xAx (2) 温度（第二相形成元素完全以固溶态存在于钢中的 dFe 理论最低温度)时，由固溶度积公式以及沉淀析出 =(w(M)-v(M)+w(X)-w()0dx

· 1008 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 并钉扎晶界，明显阻碍了退火时的晶粒长大，增加 (111) 织构组分，恶化硅钢的电磁性能. 关于热轧、 常化和退火工艺对无取向硅钢成品的组织及电磁性 能的影响，国内外学者已有不少研究，先后提出了 降低加热炉温度、提高精轧终轧温度、提高卷曲温 度及退火温度等工艺措施[3−5] 来改善无取向硅钢 的电磁性能，但目前关于热装工艺对无取向硅钢中 AlN、MnS 的析出行为及硅钢成品的组织和电磁性 能的影响尚无报道. 新余钢铁公司铸坯连铸生产无取向硅钢时采 用热装热送工艺，已达到节能降耗提高生产效率 的目的. 考虑到热装温度对无取向硅钢铸坯中的 AlN、MnS 析出行为有重要影响，会进一步影响到随 后加热过程 AlN、MnS 的固溶以及热轧和退火过程 中 AlN、MnS 的析出，将最终影响无取向硅钢的电 磁性能. 因此本文对新余钢铁公司生产的无取向硅 钢在不同热装温度和加热温度下铸坯中 AlN、MnS 的析出和固溶行为进行了研究，为制定合理的热装 工艺和加热制度提供依据. 1 研究方法 1.1 实验材料 实验材料为新钢生产的无取向硅钢 XG600WR (50W600) 铸坯，其主要化学成分 (质量分数，%) 为：0.0043 C、1.1467 Si、0.2195 Mn、0.0033 S、0.0106 P、0.275 Als、0.0015 T[O] 和 0.0023 N. 1.2 研究方法 利用第二相形成元素在钢中的平衡固溶度积 公式及理想化学配比，计算不同热装温度下钢中平 衡析出相的析出量 (质量分数) 和析出体积分数. 利 用 Thermo-Calc 软件计算 AlN、MnS 析出温度. 在实验室卧式钼丝炉中进行实验，按照图 1(a) 中的八组实验模拟热装工艺，研究不同热装温度下 铸坯中 AlN、MnS 的析出行为，并验证析出相的 热力学计算结果. 通过图 1(b) 中的四组实验，研究 铸坯不同温度热装进入加热炉后，随后的不同加热 温度对铸坯中 AlN、MnS 固溶行为的影响 (参照现 场无取向硅钢连铸坯热装温度范围，实验时热装温 度分别取 850 和 600 ℃). 每组实验采用两个试样 (30 mm×30 mm×20 mm)，原始试样从铸坯边缘距 离一致的部位切取，以保证其凝固组织相近. 试样 1 在 JSM-6480LV 型扫描电镜 (视场面积：0.034 mm2 ) 下连续观察 100 个视场，对视场内的夹杂物进行能 谱分析，统计 AlN、MnS 及其复合析出相的个数和等 效平均直径；试样 2 用于金相显微镜观察晶粒尺寸. 图 1 不同热装温度 (a) 和加热温度 (b) 热模拟履历 Fig.1 Thermal simulation resume of different hot charging temperatures (a) and heating temperatures (b) 2 实验结果与分析 2.1 第二相形成元素在钢中的平衡固溶度及析出 相的析出数量计算 以 MXx 相为例，令钢中 M、X 元素的质量分 数分别为 w(M)、w(X)，当温度低于第二相全固溶 温度 (第二相形成元素完全以固溶态存在于钢中的 理论最低温度) 时，由固溶度积公式以及沉淀析出 的元素质量满足理想化学配比得 lg{w([M])w([X])x } = A − B T , (1) w(M) − w([M]) w(X) − w([X]) = AM xAX , (2) f = (w(M) − w([M]) + w(X) − w([X])) dFe 100dMXx =

第8期 万勇等：铸坯热装温度对无取向硅钢中AlN和MS析出行为的影响 1009· [w(M)-w([M)]AM+Ax dFe 9220 AM 100dMx. (3) Ig{w([Mn])w([S])}=- T +2.929I间，(5) 联立式(1)和式(2)求解可得当温度T时钢中 10590 Ig{w([Mn])w([S]a)}=- +4.09210-1.(6) 固溶量w(M)、w(X)及析出MXz的体积分数f. T A和B为固溶度积公式中的常数：AM和Ax为元素 通过式(4)~(6)得到AlN、MnS平衡析出量和 M、X的相对原子质量.dre和dX,分别为铁基体 温度的关系如图2所示，得到不同热装温度下析 和MXz相的密度，dre=7.875gcm-36,dA1N=3.263 出相AlN和MnS的沉淀析出体积分数及其形成元 g.cm-3171,dMns=4.057 g.cm-3. 素在钢中的平衡固溶度如表1所示，此结果与采用 Thermo-Calc软件计算得到的结果相似，故在此只 g{w(Au(N,}=-7184 +1.79, T (4) 列出固溶度积公式的计算结果 0.008 0.010 0.007 ⊙ (b) 0.008 0.006 0.005 0.006 0.004 0.003 0.004 0.002 0.002 0.001 0.000 0.000L 00 700 800 9001000 1100 1200 600 700 800 900100011001200 1300 温度/℃ 温度/℃ 图2AlN(a)和MnS(b)的析出量与温度的关系 Fig.2 Relation between precipitation amount and temperature for AlN (a)and MnS(b)phases 表1不同热装温度下钢中A、N、[Mm、[囹固溶量（质量分数）及AN、MS的析出体积分数 Table 1 Content of [Al],[N],[Mn],[S]and volume fraction of AIN and MnS at different hot charging temperatures 热装温度/℃ 固溶[A/% 固溶N/% AN析出体积分数 固溶[Mn]/% 固溶S/%MnS析出体积分数 1350 0.27500 2.3×10-3 0 0.21950 0.0033 0 1250 0.27500 2.3×10-3 0 0.21950 0.0033 0 1150 0.27444 2.0×10-3 2.05×10-5 0.21615 0.00135 1.03×10-4 1050 0.27219 8.41×10-4 1.03×10-4 0.21460 4.40×10-4 1.51×10-4 950 0.27115 3.04×10-4 1.41×10-4 0.21405 1.19×10-4 1.68×10-4 850 0.27075 9.13×10-5 1.56×10-4 0.21388 2.15×10-5 1.73×10-4 600 0.27057 1.34×10-6 1.62×10-4 0.21385 4.23×10-8 1.74×10-4 500 0.27057 1.15×10-7 1.62×10-4 0.21385 6.24×10-10 1.74×10-4 比较固溶度积公式和Thermo-Calc软件的计算 2.2 钢中的典型析出相和能谱分析结果 结果可以得出：(1)采用固溶度积公式（式(4）和式 不同热装温度下，铸坯中的析出相主要有 (5)计算的A1N和MnS开始析出温度分别为1167 AIN、MS及其复合析出相共六种，其典型形貌如 和1243℃，通过Thermo-Calc软件计算的AlN和 图3所示.图3(g)为晶界处析出的MnS,尺寸为 MnS开始析出温度分别为1152和1252℃，两种计 2.5m.850和600℃热装的铸坯分别加热到1100 算方法得到的结果相近.(2)A1N主要在1000℃~ 和1200℃时，坯样中AlN、MnS及其复合析出相 1150℃析出，MnS主要在1050℃~1250℃析出， 的类型变化不大（图4），但MS的平均尺寸明显减 且随着温度降低，钢中固溶N、固溶[囹含量不断 小，小于1m(如图3(h)所示).据文献[12报道， 减少，AlN、MnS的析出量曲线逐渐趋于平缓，当 尺寸大于1m的MnS在晶界析出，对晶界的钉扎 温度低于950℃时AIN、MnS几乎不再析出. 作用较弱，几乎不会阻碍晶粒长大

第 8 期 万 勇等：铸坯热装温度对无取向硅钢中 AlN 和 MnS 析出行为的影响 1009 ·· [w(M) − w([M])]AM + xAX AM · dFe 100dMXx . (3) 联立式 (1) 和式 (2) 求解可得当温度 T 时钢中 固溶量 w([M])、w([X]) 及析出 MXx 的体积分数 f. A 和 B 为固溶度积公式中的常数；AM 和 AX 为元素 M、X 的相对原子质量. dFe 和 dMXx 分别为铁基体 和 MXx 相的密度，dFe=7.875 g·cm−3[6]，dAlN=3.263 g·cm−3[7]，dMnS=4.057 g·cm−3 . lg{w([Al])w([N]γ)} = − 7184 T + 1.79[8] , (4) lg{w([Mn])w([S]γ)} = − 9220 T + 2.929[9] , (5) lg{w([Mn])w([S]α)} = − 10590 T + 4.092[10−11] . (6) 通过式 (4)∼(6) 得到 AlN、MnS 平衡析出量和 温度的关系如图 2 所示，得到不同热装温度下析 出相 AlN 和 MnS 的沉淀析出体积分数及其形成元 素在钢中的平衡固溶度如表 1 所示，此结果与采用 Thermo-Calc 软件计算得到的结果相似，故在此只 列出固溶度积公式的计算结果. 图 2 AlN(a) 和 MnS(b) 的析出量与温度的关系 Fig.2 Relation between precipitation amount and temperature for AlN (a) and MnS (b) phases 表 1 不同热装温度下钢中 [Al]、[N]、[Mn]、[S] 固溶量 (质量分数) 及 AlN、MnS 的析出体积分数 Table 1 Content of [Al], [N], [Mn], [S] and volume fraction of AlN and MnS at different hot charging temperatures 热装温度/℃ 固溶 [Al]/% 固溶 [N]/% AlN 析出体积分数 固溶 [Mn]/% 固溶 [S]/% MnS 析出体积分数 1350 0.27500 2.3×10−3 0 0.21950 0.0033 0 1250 0.27500 2.3×10−3 0 0.21950 0.0033 0 1150 0.27444 2.0×10−3 2.05×10−5 0.21615 0.00135 1.03×10−4 1050 0.27219 8.41×10−4 1.03×10−4 0.21460 4.40×10−4 1.51×10−4 950 0.27115 3.04×10−4 1.41×10−4 0.21405 1.19×10−4 1.68×10−4 850 0.27075 9.13×10−5 1.56×10−4 0.21388 2.15×10−5 1.73×10−4 600 0.27057 1.34×10−6 1.62×10−4 0.21385 4.23×10−8 1.74×10−4 500 0.27057 1.15×10−7 1.62×10−4 0.21385 6.24×10−10 1.74×10−4 比较固溶度积公式和 Thermo-Calc 软件的计算 结果可以得出：(1) 采用固溶度积公式 (式 (4) 和式 (5)) 计算的 AlN 和 MnS 开始析出温度分别为 1167 和 1243 ℃，通过 Thermo-Calc 软件计算的 AlN 和 MnS 开始析出温度分别为 1152 和 1252 ℃，两种计 算方法得到的结果相近. (2) AlN 主要在 1000 ℃ ∼ 1150 ℃析出，MnS 主要在 1050 ℃ ∼1250 ℃析出， 且随着温度降低，钢中固溶 [N]、固溶 [S] 含量不断 减少，AlN、MnS 的析出量曲线逐渐趋于平缓，当 温度低于 950 ℃时 AlN、MnS 几乎不再析出. 2.2 钢中的典型析出相和能谱分析结果 不同热装温度下， 铸坯中的析出相主要有 AlN、MnS 及其复合析出相共六种，其典型形貌如 图 3 所示. 图 3(g) 为晶界处析出的 MnS，尺寸为 2.5 µm. 850 和 600 ℃热装的铸坯分别加热到 1100 和 1200 ℃时，坯样中 AlN、MnS 及其复合析出相 的类型变化不大 (图 4)，但 MnS 的平均尺寸明显减 小，小于 1 µm (如图 3(h) 所示). 据文献 [12] 报道， 尺寸大于 1 µm 的 MnS 在晶界析出，对晶界的钉扎 作用较弱，几乎不会阻碍晶粒长大

·1010 北京科技大学学报 第35卷 (a) (b) (c) (d) 2.5m 2.5m 2.5wm 2.5m (e) () (g) (h) 2.5um 2.5m 2.5m 2.5 析出相成分/% 图号 类型 尺寸/m 0 Al N Mn S Si Fe (a) AIN 3.5 55.50 21.87 1.52 0.97 20.13 (b) MnS 2.5 41.14 20.61 0.36 37.90 (c,1 23.48 17.83 11.97 0.62 46.09 (c),2 AIN-MnS 3.0 58.21 24.40 1.17 0.84 一 15.38 (d),1 17.16 37.47 12.40 7.82 0.31 24.85 (d,2 Al2O3-MnS 3.0 7.83 36.12 19.94 36.12 (e) Al2O3-AIN-MnS 2.5 2.95 28.97 10.49 9.43 6.77 0.37 41.01 () Al2O3-AIN 5.0 16.18 44.02 19.45 0.56 19.78 (g) MnS 2.5 9.19 6.39 0.93 83.49 ) MnS 0.5 40.87 21.70 0.38 37.05 图3实验钢中典型析出相的形貌及能谱分析结果 Fig.3 Morphologies and EDS analysis results of typical precipitated phases in the steel 2.3热装温度对钢中析出相数量和尺寸以及晶粒 0.22%,w(Si)为1.15%.Fiedler的研究结果13)也表 尺寸的影响 明，钢中Mn含量越高，MnS的固溶度积越大；Si 2.3.1热装温度对钢中析出相数量和尺寸的影响 含量越低，S的活度系数越小，S的固溶度越大.因 不同热装温度下，各析出相的数量、平均尺寸 此，950℃以下，本实验坯中MnS的实际固溶量和 及AN和MS析出体积分数的实验统计结果如图 公式计算值有所差别，而MS的实际固溶量可能 4和表2所示，可以得出以下结果： 更满足某个固溶度积公式.通过把表2中热装温度 (1)在500~1350℃温度范围内，实验统计结果 分别为950、850、600和500℃的实验坯中MnS的 (表2)与热力学计算结果（表1）具有很好的一致性. 实际固溶量和其对应温度按照式(1)进行非线性拟 (2)低于950℃热装时，铸坯中A1N的总析出 合，见图5，得到950℃以下本实验坯中MnS的固 量（含纯相和复合相）和尺寸已不再变化，但是MS 溶度积公式 和AIN-MnS的析出数量及平均尺寸则随着热装温 (3)低于600℃热装时，铸坯中的析出相总个 度降低而进一步增加，并在温度低于600℃时达到 数为4.5mm-2,AlN、MnS和AlN-MnS复合相的 最大值后保持不变.其主要原因是低于950℃时，在 平均尺寸分别为1.5、1.5和2.4um 铁素体中仍有少量MnS析出，并且已析出的MnS 和AlN-MnS复合相发生了聚集长大，此结果与图 23.2热装温度对晶粒尺寸的影响 2(b)中MnS在950℃以下不再析出的计算结果有 不同热装温度下八组试样的平均晶粒尺寸如 所不同.据文献[10]报道，式(6)适用于计算温度 图6(a)和图7所示.可以看出：随着热装温度的 为12701670K,w(Mn)为0.1%，w(Si)为3%的硅 降低，平均晶品粒尺寸先减小后增大，在950℃时铸 铁合金中MnS的固溶度，而本实验坯的w(Mn)为 坯的平均晶粒尺寸最小

· 1010 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图号 类型 尺寸/µm 析出相成分/% O Al N Mn S Si Fe (a) AlN 3.5 — 55.50 21.87 1.52 0.97 — 20.13 (b) MnS 2.5 — — — 41.14 20.61 0.36 37.90 (c), 1 AlN-MnS 3.0 — 23.48 — 17.83 11.97 0.62 46.09 (c), 2 — 58.21 24.40 1.17 0.84 — 15.38 (d), 1 Al2O3-MnS 3.0 17. 16 37.47 — 12.40 7.82 0.31 24.85 (d), 2 — 7.83 — 36.12 19.94 — 36.12 (e) Al2O3-AlN-MnS 2.5 2.95 28.97 10.49 9.43 6.77 0.37 41.01 (f) Al2O3-AlN 5.0 16.18 44.02 19.45 — — 0.56 19.78 (g) MnS 2.5 — — — 9.19 6.39 0.93 83.49 (h) MnS 0.5 — — — 40.87 21.70 0.38 37.05 图 3 实验钢中典型析出相的形貌及能谱分析结果 Fig.3 Morphologies and EDS analysis results of typical precipitated phases in the steel 2.3 热装温度对钢中析出相数量和尺寸以及晶粒 尺寸的影响 2.3.1 热装温度对钢中析出相数量和尺寸的影响 不同热装温度下，各析出相的数量、平均尺寸 及 AlN 和 MnS 析出体积分数的实验统计结果如图 4 和表 2 所示，可以得出以下结果： (1) 在 500∼1350 ℃温度范围内，实验统计结果 (表 2) 与热力学计算结果 (表 1) 具有很好的一致性. (2) 低于 950 ℃热装时，铸坯中 AlN 的总析出 量 (含纯相和复合相) 和尺寸已不再变化，但是 MnS 和 AlN-MnS 的析出数量及平均尺寸则随着热装温 度降低而进一步增加，并在温度低于 600 ℃时达到 最大值后保持不变. 其主要原因是低于 950 ℃时，在 铁素体中仍有少量 MnS 析出，并且已析出的 MnS 和 AlN-MnS 复合相发生了聚集长大，此结果与图 2(b) 中 MnS 在 950 ℃以下不再析出的计算结果有 所不同. 据文献 [10] 报道，式 (6) 适用于计算温度 为 1270∼1670 K，w(Mn) 为 0.1%，w(Si) 为 3%的硅 铁合金中 MnS 的固溶度，而本实验坯的 w(Mn) 为 0.22%，w(Si) 为 1.15%. Fiedler 的研究结果[13] 也表 明，钢中 Mn 含量越高，MnS 的固溶度积越大；Si 含量越低，S 的活度系数越小，S 的固溶度越大. 因 此，950 ℃以下，本实验坯中 MnS 的实际固溶量和 公式计算值有所差别，而 MnS 的实际固溶量可能 更满足某个固溶度积公式. 通过把表 2 中热装温度 分别为 950、850、600 和 500 ℃的实验坯中 MnS 的 实际固溶量和其对应温度按照式 (1) 进行非线性拟 合，见图 5，得到 950 ℃以下本实验坯中 MnS 的固 溶度积公式. (3) 低于 600 ℃热装时，铸坯中的析出相总个 数为 4.5 mm−2，AlN、MnS 和 AlN-MnS 复合相的 平均尺寸分别为 1.5、1.5 和 2.4 µm. 2.3.2 热装温度对晶粒尺寸的影响 不同热装温度下八组试样的平均晶粒尺寸如 图 6(a) 和图 7 所示. 可以看出：随着热装温度的 降低，平均晶粒尺寸先减小后增大，在 950 ℃时铸 坯的平均晶粒尺寸最小

第8期 万勇等：铸坯热装温度对无取向硅钢中AlN和MS析出行为的影响 1011· 4.5 ■总析出相(a) 2☑A1N 22A1N 4.0 落MnS (b) MnS ALO-AIN 画Al,O-AlN 3.5 I Al.O.-MnS m ☐AlO-MnS 月2.5 AIN-MnS 目AlN-MnS S Al,O-AIN-MnS SSS Al.O,-AIN-MnS 2.0 1.5 05 0.0 500 600 850950105011501250 600 850 950 1050 11501250 热装温度/℃ 热装温度/℃ 图4热装温度与各析出相个数(a)和平均尺寸(b)的关系 Fig.4 Hot charging temperature vs.the number (a)and average size (b)of precipitated phases 表2不同热装温度下钢中AN和MS析出体积分数的实验统计结果 Table 2 Experimental results of the volume fraction of AlN and MnS at different hot charging temperatures 热装温度/℃ 13501250 1150 1050 950 850 600 500 AN析出体积分数 0 0 1.85×10-56.83×10-5 1.37×10-4 1.39×10-41.40×10-4 1.40×10-4 MnS析出体积分数 0 5.43×10-6 7.21×10-5 1.18×10-4 1.35×10-4 1.49×10-4 1.58×10-4 1.59×10-4 1×103 = 6yfI nd2 (7)） 式中，Fp为第二相对基体晶界的钉扎力，d为第二 相平均尺寸，∫为第二相体积分数，y为基体晶界 ◆ (])m 。1g{w1im)-u1S}=-3.05-965.95/T· 能，I为亚晶尺寸. 结合图4和表2中不同热装温度下析出相 的实验统计结果，采用式(T)和临界晶粒尺寸公 式14进行计算后得到表3中的结果.可以看出：在 1×10-5 800 900 1000 11001200 950~1150℃，随着热装温度降低，晶界钉扎力增加， 温度/K 而晶粒尺寸逐渐变小，这是因为AlN、MnS析出量 图5MnS在铁素体中的平衡固溶度积公式 逐渐增加的缘故：与此相反，在950℃以下，随着 Fig.5 Balanced solubility product formula of MnS in ferrite 热装温度降低，晶界钉扎力减弱，导致对应的临界 由下式计算晶界钉扎力4（计算公式中只考虑 晶粒尺寸增大，这是由于MnS和AIN-MnS复合相 析出相的尺寸d和体积分数f为自变量)： 的数量和尺寸的增加所致 10 ■9.38 9 8.63 (a) (b) 10 9.32 目7 8.34 8 7.49 ■ 6 4.50 4.13 6 3.19 25263 3.75 50060070080090010001100120013001400 600(1100)600(1200)850(1100)850(1200) 热装温度/℃ 热装温度（加热温度）/℃ 图6热装温度(a)和加热温度(b)与平均晶粒尺寸的关系 Fig.6 Hot charging temperature (a)and heating temperature (b)vs.average grain size

第 8 期 万 勇等：铸坯热装温度对无取向硅钢中 AlN 和 MnS 析出行为的影响 1011 ·· 图 4 热装温度与各析出相个数 (a) 和平均尺寸 (b) 的关系 Fig.4 Hot charging temperature vs. the number (a) and average size (b) of precipitated phases 表 2 不同热装温度下钢中 AlN 和 MnS 析出体积分数的实验统计结果 Table 2 Experimental results of the volume fraction of AlN and MnS at different hot charging temperatures 热装温度/℃ 1350 1250 1150 1050 950 850 600 500 AlN 析出体积分数 0 0 1.85×10−5 6.83×10−5 1.37×10−4 1.39×10−4 1.40×10−4 1.40×10−4 MnS 析出体积分数 0 5.43×10−6 7.21×10−5 1.18×10−4 1.35×10−4 1.49×10−4 1.58×10−4 1.59×10−4 图 5 MnS 在铁素体中的平衡固溶度积公式 Fig.5 Balanced solubility product formula of MnS in ferrite 由下式计算晶界钉扎力[14](计算公式中只考虑 析出相的尺寸 d 和体积分数 f 为自变量)： FP = 6γfI πd 2 . (7) 式中，FP 为第二相对基体晶界的钉扎力，d 为第二 相平均尺寸，f 为第二相体积分数，γ 为基体晶界 能，I 为亚晶尺寸. 结合图 4 和表 2 中不同热装温度下析出相 的实验统计结果，采用式 (7) 和临界晶粒尺寸公 式[14] 进行计算后得到表 3 中的结果. 可以看出：在 950∼1150 ℃，随着热装温度降低，晶界钉扎力增加， 而晶粒尺寸逐渐变小，这是因为 AlN、MnS 析出量 逐渐增加的缘故；与此相反，在 950 ℃以下，随着 热装温度降低，晶界钉扎力减弱，导致对应的临界 晶粒尺寸增大，这是由于 MnS 和 AlN-MnS 复合相 的数量和尺寸的增加所致. 图 6 热装温度 (a) 和加热温度 (b) 与平均晶粒尺寸的关系 Fig.6 Hot charging temperature (a) and heating temperature (b) vs. average grain size