冶金專業(yè)畢業(yè)論文提綱

　　冶金技術(shù)專業(yè)是一門基于資源開發(fā)利用和鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程的學(xué)科是基礎(chǔ)工業(yè)和最古老的行業(yè)之一，技術(shù)方面發(fā)展成熟。

　　冶金專業(yè)畢業(yè)論文

　　56鋼液夾雜物的行為及去除

　　CentralSouthUniversity;冶金熔體;題目：鋼液夾雜物的行為及去除姓名：王接喜學(xué)號(hào)：1;鋼液夾雜物的行為及去除;王接喜;(中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410083;摘要：鋼液中夾雜物的行為涉及的內(nèi)容很廣，其基本的;關(guān)鍵詞：鋼液;夾雜物;生長(zhǎng);去除;中間包;電磁場(chǎng);Behaviorandremovalofincl;WANGJiexi,Z

　　Central South University

　　冶金熔體

　　題目：鋼液夾雜物的行為及去除 姓名： 王接喜 學(xué)號(hào)： 103511050 序號(hào)： 20 學(xué)院： 冶金科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)： 有色金屬冶金 完成時(shí)間： 2010- 12- 29

　　鋼液夾雜物的行為及去除

　　王接喜

　　(中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410083)

　　摘 要：鋼液中夾雜物的行為涉及的內(nèi)容很廣，其基本的物理過(guò)程大致包括：形核、生長(zhǎng)、聚合、傳遞等，夾雜物去除可以視為傳遞過(guò)程的結(jié)果。鋼中夾雜物去除的主要環(huán)節(jié)為夾雜物的長(zhǎng)大、上浮和分離。鋼中夾雜物去除技術(shù)有：氣體攪拌-鋼包吹氬、中間包氣幕擋墻和RH-NK-RERM法;電磁凈化-鋼包電磁攪拌、中間包離心分離和結(jié)晶器電磁制動(dòng);渣洗技術(shù);過(guò)濾器技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：鋼液;夾雜物;生長(zhǎng);去除;中間包;電磁場(chǎng)

　　Behavior and removal of inclusions in molten steel

　　WANG Jiexi, ZHOU Yongmao

　　(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha, China

　　410083)

　　Abstract：The behavior of inclusions in molten steel includes physical processes such as nucleation, growth, polymerization and transmission. The removal of inclusions can be seen as the result of transmission, which involves inclusion growth, floating and separating. The key progress on technique for removal of inclusions in steel is gas stirring-ladle argon blowing, gas shielding weir and dam in tundish, RH-NK-RERM method, electromagnetic cleaning-ladle electromagnetic stirring, tundish centrifugal separating and mold electromagnetic braking, slag washing and filter technique. Key words：molten steel, inclusions, growth, removal, tundish, electromagnetic field

　　引 言

　　鋼中非金屬夾雜物事氧化物、硫化物、氮化物、硅酸鹽等以及由它們組成的各種復(fù)雜化合物的統(tǒng)稱[1]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，金屬夾雜物分為五類，分別為以硫化物為主的A類、以氧化鋁為主的B類、以硅酸鹽為主的C類、以球形氧化物為主的D類和以單顆粒球?yàn)橹鞯腄s類。

　　夾雜物的主要來(lái)源為內(nèi)生夾雜和外來(lái)夾雜。內(nèi)生夾雜包括四個(gè)方面：脫氧時(shí)的脫氧產(chǎn)物;鋼液溫度下降時(shí)S、O、N等雜質(zhì)元素溶解度下降而以非金屬夾雜形式出現(xiàn)的生成物;凝固過(guò)程中因溶解度降低、偏析而發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物;固態(tài)鋼鑲邊溶解度變化生成的產(chǎn)物[2]。

　　鋼的內(nèi)在質(zhì)量與鋼液的純凈度有很大的關(guān)系。鋼液中的非金屬夾雜物可導(dǎo)致產(chǎn)品性能的惡化、內(nèi)在品質(zhì)的下降，同時(shí)非金屬夾雜物有助于氣孔的形成，降低鑄件的致密度[3];夾雜物的存在破壞了基體的連續(xù)性，造成金屬組織的不均勻，使金屬的力學(xué)性能變差，對(duì)材料的加工(拉拔和深沖)性能、疲勞性能、表面質(zhì)量和耐腐蝕性能等產(chǎn)生不利影響[4-5];另外還使鋼的冷熱加工性能變壞。夾雜物還容易在壁面沉積，造成結(jié)晶器水口、RH上升和下降管堵塞，不僅降低冶金容器的壽命，而且直接危及生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性[6]。

　　由于非金屬夾雜對(duì)鋼的性能影響嚴(yán)重，因此在煉鋼、精煉和連鑄過(guò)程中，應(yīng)最大限度地降低鋼液中夾雜物的`含量，控制其形狀和尺寸。減少鋼中夾雜物，提高鋼的潔凈度可以顯著改善鋼材的延展性、韌性、抗腐蝕性等。

　　1 鋼液夾雜物的行為

　　夾雜物浸出鋼液的行為主要包括行核、長(zhǎng)大、擴(kuò)散傳遞、沉積等過(guò)程[7]。

　　1.1 夾雜物行核

　　夾雜物形成，起源于脫氧、脫硫、脫磷等原始的冶金反應(yīng)。以典型的脫氧反應(yīng)為例，脫氧產(chǎn)物首先出現(xiàn)在金屬熔體中的溶解[O]與彌散于熔體中的脫氧元素

　　[M]的反應(yīng)界面，然后以新相析出于金屬液中，即形核。根據(jù)均相形核理論，脫氧產(chǎn)物的形核自由能變化為：

　　4(1) ?G??r3?GV?4?r2? 3

　　對(duì)上式求導(dǎo)，倒數(shù)為零時(shí)得臨界行核半徑：

　　r??2?MP?2?? (2) ?GV?PTlnS

　　把??值代入式(1)，得臨界行核吉布斯自由能：

　　216??3MP?G?22 (3) 3?PTlnS?

　　因此，均質(zhì)形核必須要有一定的過(guò)飽和度S，S越大，所需產(chǎn)生臨界晶核的吉布斯自由能越小，并且臨界半徑也越小。對(duì)于一些強(qiáng)氧化劑，如Al、Ti等而言，獲得較高的過(guò)飽和度并不困難，而在使用弱氧化劑如Si、Mn的情況下，均質(zhì)形核則比較困難。但由于在液相的個(gè)別微觀體積內(nèi)，組分的濃度核能量常有起伏，當(dāng)濃度和能量高過(guò)其平衡值時(shí)，仍可導(dǎo)致新相的形成，稱異相起伏。這種情況很可能出現(xiàn)在加入鋼液的合金顆粒附近。

　　1.2 夾雜物的長(zhǎng)大

　　鋼液中，夾雜物的生長(zhǎng)包括三種方式，即擴(kuò)散-反應(yīng)-析出、奧斯瓦爾德催熟(熟化)和碰撞聚合。

　　1.2.1 擴(kuò)散-反應(yīng)-析出

　　擴(kuò)散-反應(yīng)-析出是指夾雜物形核之后，參加反應(yīng)的元素，以化學(xué)計(jì)量數(shù)，擴(kuò)散到夾雜物核表面，在那里反應(yīng)并以產(chǎn)物形式析出。擴(kuò)散長(zhǎng)大一般出現(xiàn)在早期冶煉環(huán)節(jié)，化學(xué)反應(yīng)是它的顯著特征，因此它屬于化學(xué)生長(zhǎng)。坂上六郎研究了硅的脫氧，發(fā)現(xiàn)脫氧產(chǎn)物SiO2的生長(zhǎng)速度明顯慢于擴(kuò)散-反應(yīng)-析出理論的預(yù)測(cè)結(jié)果，因此，他認(rèn)為硅脫氧產(chǎn)物生長(zhǎng)的控制性環(huán)節(jié)不是擴(kuò)散，而是表面化學(xué)反應(yīng)。由此可見，該理論不具有一般性。

　　1.2.2 溶解-析出長(zhǎng)大

　　溶解-析出長(zhǎng)大是指較小的顆粒溶解并在較大顆粒表面析出的生長(zhǎng)模式。其熱力學(xué)依據(jù)為：顆粒越小表面自由能越大，從而溶解度越大。由于是Oswalds1900年在研究合金燒結(jié)時(shí)最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，所以又叫奧斯瓦爾德熟化。Wagner等[8]對(duì)受溶解控制和擴(kuò)散控制的顆粒熟化進(jìn)行了研究，并分別確定了顆粒平均半徑的

　　表達(dá)式。

　　264KTC0?Vm受溶解控制時(shí)： R(t)?R(0)? t (4)81RT22

　　28DC0?Vm受擴(kuò)散控制時(shí)： R(t)?R(0)? t (5)9RT33

　　坂上六郎根據(jù)該理論計(jì)算估計(jì)了SiO2夾雜物的長(zhǎng)大，得到的結(jié)果說(shuō)明奧斯瓦爾德熟化非常緩慢，可忽略。

　　1.2.3 碰撞聚合

　　通過(guò)機(jī)械碰撞使夾雜物聚結(jié)，然后燒結(jié)或融合的過(guò)程，稱為碰撞聚合。碰撞聚合是偶然、間斷進(jìn)行的，屬于物理生長(zhǎng)。夾雜物間的碰撞有三種方式[9](如圖l所示)：布朗碰撞，斯托克斯碰撞和湍流碰撞。布朗碰撞是指夾雜物在鋼液中進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的碰撞;斯托克斯碰撞指在鋼液中大顆粒夾雜物上浮速度大，追趕上小顆粒夾雜物并與其發(fā)生的碰撞;湍流碰撞指湍流漩渦運(yùn)動(dòng)引起的夾雜物間發(fā)生的碰撞。

　　圖1夾雜物間的不同碰撞方式

　　Fig.1 Different modes of collision between inclusions

　　1917年，Smoluchowski基于碰撞聚合對(duì)顆粒數(shù)量的影響，建立了離散型的顆粒碰撞速率公式[10]：

　　?dnk1???ijninj???iknink (6) dt2i?j?ki?1

　　此類模型能方便地研究多種碰撞聚合方式對(duì)夾雜物生長(zhǎng)的影響，并已被應(yīng)用于描述精煉反應(yīng)器RH和連鑄中間包內(nèi)夾雜物碰撞聚合。其最大的缺陷在于一旦較大粒徑的夾雜物與較小粒徑的夾雜物進(jìn)行碰撞聚合，小粒徑的夾雜物就會(huì)在計(jì)算中消失[11]。

　　1.3 夾雜物的傳遞

　　傳遞是夾雜物最重要的行為之一，夾雜物的碰撞、上浮和去除都是通過(guò)傳遞進(jìn)行的。夾雜物的傳遞以鋼液為載體，了解夾雜物的傳遞，離不開鋼液本身。鋼液的傳遞規(guī)律，又與具體冶金反應(yīng)器的幾何特征和操作條件有關(guān)，因此，研究夾雜物在特定流動(dòng)條件下的傳遞規(guī)律，是優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和改善操作工藝的基礎(chǔ)。

　　由于鋼液.夾雜物體系屬于稀疏懸浮流，可把夾雜物當(dāng)作連續(xù)相處理，這樣就可以從Fick擴(kuò)散定律出發(fā)，建立夾雜物擴(kuò)散的質(zhì)量守恒方程-濃度場(chǎng)模型：

　　?f?nf?t?[(Ui??P)nj?Di?nj?xi]?Sj,i?x,y,z,j?1,2...m (7)

　　其中Ui表示流體時(shí)均速度;?P表示場(chǎng)力引起的遷移速度;Sj表示源項(xiàng);m

　　表示夾雜物的最大分組數(shù);Dt稱為顆粒的湍流擴(kuò)散系數(shù)。

　　濃度場(chǎng)模型物理概念簡(jiǎn)潔，善于處理夾雜物的宏觀擴(kuò)散，并且容易與流場(chǎng)匹配。存在的問(wèn)題是，顆粒湍流擴(kuò)散系數(shù)Dt本身是模型化的結(jié)果，目前針對(duì)Dt提出了若干形式，尚無(wú)定論。其次，對(duì)于沉積性表面，給出合理的邊界條件比較困難。

　　1.4 夾雜物的沉積

　　作為傳遞過(guò)程的結(jié)果之一，夾雜物被輸送到容器表面被吸附和沉積。為了弄清夾雜物在壁面的傳質(zhì)規(guī)律，一個(gè)基礎(chǔ)工作是研究傳質(zhì)系數(shù)。大量工作者對(duì)其進(jìn)

　　[12]行了研究，Engh等在研究感應(yīng)爐中脫氧產(chǎn)物的壁面?zhèn)髻|(zhì)時(shí)得到了傳質(zhì)系數(shù)?

　　的表達(dá)式：

　　??0.0058u?3r2

　　?2 (8)

　　Engh的處理基本反映了物理機(jī)制，并且有一定的嚴(yán)格性。但一些假設(shè)有待推敲，關(guān)于顆粒完全吸附的假設(shè)不符合實(shí)際，對(duì)外場(chǎng)力引起的傳質(zhì)也沒(méi)考慮，在層流液體中，場(chǎng)力是引起壁面?zhèn)髻|(zhì)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

　　2 鋼液夾雜物的去除方法

　　從鋼液中分離夾雜物的主要途徑包括兩種[13]：(1)被表面的渣層吸附;(2)被壁面耐火材料吸附。中間包技術(shù)和電磁分離技術(shù)是鋼液夾雜物分離的主要手段。

　　2.1中間包去除夾雜物

　　中間包是連鑄的重要環(huán)節(jié)，其在工藝設(shè)計(jì)上的最初用意是充當(dāng)批處理容器-鋼包與連續(xù)容器-結(jié)晶器之間的分流器和緩沖器，以確保連鑄操作的平穩(wěn)進(jìn)行。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，圍繞中間包開發(fā)和應(yīng)用了一大批新技術(shù)，從而形成了冶金學(xué)的一個(gè)分支——中間包冶金學(xué)[14]。

　　目前，在中間包中實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)主要圍繞兩個(gè)方面展開：(1)最大限度地去除夾雜物，保證鋼水純凈度;(2)保持合適的溫度和過(guò)熱度，滿足連鑄要求。

　　2.1.1 鋼包吹氬

　　吹氬攪拌是鋼包爐重要的精煉手段之一，鋼中夾雜物被氣泡俘獲去除的效率決定于吹入鋼液中氣泡數(shù)量和氣泡尺寸。為了去除鋼中細(xì)小的夾雜物顆粒，必須鋼液中制造直徑更小的氣泡。薛正良等[4]研究了用小氣泡從鋼液中去除夾雜物顆粒，分析了鋼液中吹氬時(shí)夾雜物去除的效率與氬氣泡直徑、夾雜物直徑的關(guān)系，并通過(guò)工業(yè)去雜實(shí)踐，達(dá)到了預(yù)期效果。

　　2.1.2 中間包氣幕擋墻

　　通過(guò)埋設(shè)于中間包底部的透氣管或透氣梁向鋼液中吹入的氣泡，與流經(jīng)此處的鋼液中的夾雜物顆粒相互碰撞聚合吸附，同時(shí)也增加了夾雜物的垂直向上運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到凈化鋼液的目的;2.2夾雜物電磁分離技術(shù);浸沒(méi)在液體中的異相顆粒，在重力場(chǎng)中會(huì)受到浮力的作;圖2液體介質(zhì)中顆粒電磁分離與重力分離的類比;利用顆粒與載體介質(zhì)的物性差(密度，電導(dǎo)率，磁化率;表1利用物性差進(jìn)行相分離的幾種常見方法;外場(chǎng);重力場(chǎng);電磁場(chǎng);磁場(chǎng);離心場(chǎng)遷移力應(yīng)用分離分離、凈化選礦、除塵等除塵、;)B?0(?P??f)?2r;產(chǎn)生電磁力需要

　　動(dòng)，從而達(dá)到凈化鋼液的目的。實(shí)踐結(jié)果表明與不吹氣相比，50~200?m大尺寸夾雜物全部去除，小尺寸夾雜物的去除效率增加50%[15]，本溪鋼廠中間包底吹氬試驗(yàn)證實(shí)：底吹氬形成的氣幕擋墻對(duì)夾雜物去除效果明顯，同不吹氬相比，鑄坯中夾雜物數(shù)量下降50%，而且未觀察到30-50?m的夾雜物[16]。

　　2.2 夾雜物電磁分離技術(shù)

　　浸沒(méi)在液體中的異相顆粒，在重力場(chǎng)中會(huì)受到浮力的作用。從流體靜力學(xué)易知，顆粒受到的浮力源于重力場(chǎng)在液體中建立的壓力梯度，它使壓力沿顆粒表面的面積分不為零，這個(gè)積分結(jié)果就是通常所說(shuō)的浮力。與此相仿，可知在電磁力場(chǎng)中顆粒會(huì)受到一個(gè)類似的“電磁浮力”，圖2給出了浮力與電磁浮力的類比。

　　圖2 液體介質(zhì)中顆粒電磁分離與重力分離的類比

　　利用顆粒與載體介質(zhì)的物性差(密度，電導(dǎo)率，磁化率等)進(jìn)行相分離的技術(shù)很多，應(yīng)用也十分廣泛，比如重力沉降，靜電除塵，高梯度磁場(chǎng)選礦等。表1對(duì)這些技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用進(jìn)行了比較。

　　表1 利用物性差進(jìn)行相分離的幾種常見方法

　　外場(chǎng)

　　重力場(chǎng)

　　電磁場(chǎng)

　　磁場(chǎng)

　　離心場(chǎng) 遷移力 應(yīng)用 分離 分離、凈化 選礦、除塵等 除塵、凈化等 (?f??P)g 3???PJ?B4??0.5?P?f??P(B??

　　)B?0(?P??f)?2r

　　產(chǎn)生電磁力需要電流和磁場(chǎng)同時(shí)作用，從電磁力產(chǎn)生的方式看，電磁分離技術(shù)分為“單獨(dú)施加磁場(chǎng)”方式(本文簡(jiǎn)稱“單磁場(chǎng)方式”)、“單獨(dú)施加電流”方式(簡(jiǎn)稱“單電流方式”)和“電磁分別施加”三種方式[6]。

　　2.2.1 鋼包電磁攪拌

　　一般來(lái)說(shuō)，電磁攪拌比氣體攪拌更容易準(zhǔn)確掌握，和氣體攪拌相比，對(duì)鋼渣界面的攪動(dòng)強(qiáng)度還不夠大。電磁攪拌使鋼液的流動(dòng)比較穩(wěn)定、均衡，避免鋼水流速過(guò)大導(dǎo)致的卷渣，但電磁攪拌不能提供促使夾雜物上浮的氣泡。高海潮[17]在對(duì)90t LF-VD鋼包精煉電磁攪拌的試驗(yàn)表明，電磁攪拌在降低尺寸在20阻m以

　　下的非金屬夾雜物與吹氬攪拌相比有顯著的優(yōu)越性，非金屬夾雜物不論顆粒大小，都能以較快速度從鋼液中排除。

　　2.2.2 中間包離心分離

　　利用夾雜物與鋼液的密度差，可以用離心場(chǎng)中分離夾雜物。在旋轉(zhuǎn)的鋼液中，由于夾雜物密度比鋼液小，夾雜物會(huì)向心運(yùn)動(dòng)，在鋼液中心聚集長(zhǎng)大、上浮，鋼液的旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生[11]。20世紀(jì)90年代，日本在中間包中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)離心分離夾雜物的試驗(yàn)，離心攪拌后全氧由(20~40)×10-6降到(8~15)×10-6，夾雜物總量約減少一半[18]。國(guó)內(nèi)梅鋼2號(hào)連鑄機(jī)采用全幅兩段電磁制動(dòng)技術(shù)，使用效果表明：采用電磁制動(dòng)后，結(jié)晶器液面波動(dòng)幅度明顯降低，鑄坯夾雜物數(shù)量較少且尺寸≤20?m[19]。

　　2.3 其他去除技術(shù)

　　渣洗通過(guò)控制爐渣成分處理鋼液，是最早出現(xiàn)的二次精煉方法[20]。由于精煉渣可以吸附夾雜物，為了保證渣洗的效果，一般要進(jìn)行攪拌。渣洗通常與其它工藝操作配合使用。

　　過(guò)濾器主要通過(guò)機(jī)械攔截、表面吸附的作用去除夾雜物。寶鋼在中間包上使用CaO質(zhì)過(guò)濾器，采用有向上傾斜角度的小孔，以增加渣吸附夾雜的機(jī)會(huì)，使用后發(fā)現(xiàn)對(duì)去除夾雜物中Al2O3、SiO2作用顯著，可使中間包第3、第4流鋼水T[O]分別降低25%和10%[21]。

　　超聲處理對(duì)于細(xì)化夾雜物也有明顯的效果。申永剛等[22]在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了超聲處理去除夾雜物的可能性以及對(duì)細(xì)化夾雜物的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波單獨(dú)處理可以去除鋼液中Al2O3夾雜物，但去除率低，在5%~12%之間，同時(shí)超聲波對(duì)夾雜物產(chǎn)生細(xì)化效果。

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