冶金专业毕业论文提纲

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　　冶金技术专业是一门基于资源开发利用和钢铁材料生产过程的学科是基础工业和最古老的行业之一，技术方面发展成熟。

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　　冶金专业毕业论文

　　56钢液夹杂物的行为及去除

　　CentralSouthUniversity;冶金熔体;题目：钢液夹杂物的行为及去除姓名：王接喜学号：1;钢液夹杂物的行为及去除;王接喜;(中南大学冶金科学与工程学院，长沙，410083;摘要：钢液中夹杂物的行为涉及的内容很广，其基本的;关键词：钢液;夹杂物;生长;去除;中间包;电磁场;Behaviorandremovalofincl;WANGJiexi,Z

　　Central South University

　　冶金熔体

　　题目：钢液夹杂物的行为及去除姓名：王接喜学号： 103511050 序号： 20 学院：冶金科学与工程学院专业：有色金属冶金完成时间： 2010- 12- 29

　　钢液夹杂物的行为及去除

　　王接喜

　　(中南大学冶金科学与工程学院，长沙，410083)

　　摘要：钢液中夹杂物的行为涉及的内容很广，其基本的物理过程大致包括：形核、生长、聚合、传递等，夹杂物去除可以视为传递过程的结果。钢中夹杂物去除的主要环节为夹杂物的长大、上浮和分离。钢中夹杂物去除技术有：气体搅拌-钢包吹氩、中间包气幕挡墙和RH-NK-RERM法;电磁净化-钢包电磁搅拌、中间包离心分离和结晶器电磁制动;渣洗技术;过滤器技术。

　　关键词：钢液;夹杂物;生长;去除;中间包;电磁场

　　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

　　钢中非金属夹杂物事氧化物、硫化物、氮化物、硅酸盐等以及由它们组成的各种复杂化合物的统称[1]。根据国家标准，金属夹杂物分为五类，分别为以硫化物为主的A类、以氧化铝为主的B类、以硅酸盐为主的C类、以球形氧化物为主的D类和以单颗粒球为主的Ds类。

　　夹杂物的主要来源为内生夹杂和外来夹杂。内生夹杂包括四个方面：脱氧时的脱氧产物;钢液温度下降时S、O、N等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的生成物;凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物;固态钢镶边溶解度变化生成的产物[2]。

　　钢的内在质量与钢液的纯净度有很大的关系。钢液中的非金属夹杂物可导致产品性能的恶化、内在品质的下降，同时非金属夹杂物有助于气孔的形成，降低铸件的致密度[3];夹杂物的存在破坏了基体的连续性，造成金属组织的不均匀，使金属的力学性能变差，对材料的加工(拉拔和深冲)性能、疲劳性能、表面质量和耐腐蚀性能等产生不利影响[4-5];另外还使钢的冷热加工性能变坏。夹杂物还容易在壁面沉积，造成结晶器水口、RH上升和下降管堵塞，不仅降低冶金容器的寿命，而且直接危及生产的连续性和稳定性[6]。

　　由于非金属夹杂对钢的性能影响严重，因此在炼钢、精炼和连铸过程中，应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量，控制其形状和尺寸。减少钢中夹杂物，提高钢的洁净度可以显著改善钢材的延展性、韧性、抗腐蚀性等。

　　1 钢液夹杂物的行为

　　夹杂物浸出钢液的行为主要包括行核、长大、扩散传递、沉积等过程[7]。

　　1.1 夹杂物行核

　　夹杂物形成，起源于脱氧、脱硫、脱磷等原始的冶金反应。以典型的脱氧反应为例，脱氧产物首先出现在金属熔体中的溶解[O]与弥散于熔体中的脱氧元素

　　[M]的反应界面，然后以新相析出于金属液中，即形核。根据均相形核理论，脱氧产物的形核自由能变化为：

　　4(1) ?G??r3?GV?4?r2? 3

　　对上式求导，倒数为零时得临界行核半径：

　　r??2?MP?2?? (2) ?GV?PTlnS

　　把??值代入式(1)，得临界行核吉布斯自由能：

　　216??3MP?G?22 (3) 3?PTlnS?

　　因此，均质形核必须要有一定的过饱和度S，S越大，所需产生临界晶核的吉布斯自由能越小，并且临界半径也越小。对于一些强氧化剂，如Al、Ti等而言，获得较高的过饱和度并不困难，而在使用弱氧化剂如Si、Mn的情况下，均质形核则比较困难。但由于在液相的个别微观体积内，组分的浓度核能量常有起伏，当浓度和能量高过其平衡值时，仍可导致新相的形成，称异相起伏。这种情况很可能出现在加入钢液的合金颗粒附近。

　　1.2 夹杂物的长大

　　钢液中，夹杂物的生长包括三种方式，即扩散-反应-析出、奥斯瓦尔德催熟(熟化)和碰撞聚合。

　　1.2.1 扩散-反应-析出

　　扩散-反应-析出是指夹杂物形核之后，参加反应的元素，以化学计量数，扩散到夹杂物核表面，在那里反应并以产物形式析出。扩散长大一般出现在早期冶炼环节，化学反应是它的显著特征，因此它属于化学生长。坂上六郎研究了硅的脱氧，发现脱氧产物SiO2的生长速度明显慢于扩散-反应-析出理论的预测结果，因此，他认为硅脱氧产物生长的控制性环节不是扩散，而是表面化学反应。由此可见，该理论不具有一般性。

　　1.2.2 溶解-析出长大

　　溶解-析出长大是指较小的颗粒溶解并在较大颗粒表面析出的生长模式。其热力学依据为：颗粒越小表面自由能越大，从而溶解度越大。由于是Oswalds1900年在研究合金烧结时最早发现这一现象，所以又叫奥斯瓦尔德熟化。Wagner等[8]对受溶解控制和扩散控制的颗粒熟化进行了研究，并分别确定了颗粒平均半径的

　　表达式。

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

　　28DC0?Vm受扩散控制时： R(t)?R(0)? t (5)9RT33

　　坂上六郎根据该理论计算估计了SiO2夹杂物的长大，得到的结果说明奥斯瓦尔德熟化非常缓慢，可忽略。

　　1.2.3 碰撞聚合

　　通过机械碰撞使夹杂物聚结，然后烧结或融合的过程，称为碰撞聚合。碰撞聚合是偶然、间断进行的，属于物理生长。夹杂物间的碰撞有三种方式[9](如图l所示)：布朗碰撞，斯托克斯碰撞和湍流碰撞。布朗碰撞是指夹杂物在钢液中进行布朗运动时发生的碰撞;斯托克斯碰撞指在钢液中大颗粒夹杂物上浮速度大，追赶上小颗粒夹杂物并与其发生的碰撞;湍流碰撞指湍流漩涡运动引起的夹杂物间发生的碰撞。

　　图1夹杂物间的不同碰撞方式

　　Fig.1 Different modes of collision between inclusions

　　1917年，Smoluchowski基于碰撞聚合对颗粒数量的影响，建立了离散型的颗粒碰撞速率公式[10]：

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

　　此类模型能方便地研究多种碰撞聚合方式对夹杂物生长的影响，并已被应用于描述精炼反应器RH和连铸中间包内夹杂物碰撞聚合。其最大的缺陷在于一旦较大粒径的夹杂物与较小粒径的夹杂物进行碰撞聚合，小粒径的夹杂物就会在计算中消失[11]。

　　1.3 夹杂物的传递

　　传递是夹杂物最重要的行为之一，夹杂物的碰撞、上浮和去除都是通过传递进行的。夹杂物的传递以钢液为载体，了解夹杂物的传递，离不开钢液本身。钢液的传递规律，又与具体冶金反应器的几何特征和操作条件有关，因此，研究夹杂物在特定流动条件下的传递规律，是优化反应器设计和改善操作工艺的基础。

　　由于钢液.夹杂物体系属于稀疏悬浮流，可把夹杂物当作连续相处理，这样就可以从Fick扩散定律出发，建立夹杂物扩散的质量守恒方程-浓度场模型：

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

　　其中Ui表示流体时均速度;?P表示场力引起的迁移速度;Sj表示源项;m

　　表示夹杂物的最大分组数;Dt称为颗粒的湍流扩散系数。

　　浓度场模型物理概念简洁，善于处理夹杂物的宏观扩散，并且容易与流场匹配。存在的问题是，颗粒湍流扩散系数Dt本身是模型化的结果，目前针对Dt提出了若干形式，尚无定论。其次，对于沉积性表面，给出合理的边界条件比较困难。

　　1.4 夹杂物的沉积

　　作为传递过程的结果之一，夹杂物被输送到容器表面被吸附和沉积。为了弄清夹杂物在壁面的传质规律，一个基础工作是研究传质系数。大量工作者对其进

　　[12]行了研究，Engh等在研究感应炉中脱氧产物的.壁面传质时得到了传质系数?

　　的表达式：

　　??0.0058u?3r2

　　?2 (8)

　　Engh的处理基本反映了物理机制，并且有一定的严格性。但一些假设有待推敲，关于颗粒完全吸附的假设不符合实际，对外场力引起的传质也没考虑，在层流液体中，场力是引起壁面传质的主要动力。

　　2 钢液夹杂物的去除方法

　　从钢液中分离夹杂物的主要途径包括两种[13]：(1)被表面的渣层吸附;(2)被壁面耐火材料吸附。中间包技术和电磁分离技术是钢液夹杂物分离的主要手段。

　　2.1中间包去除夹杂物

　　中间包是连铸的重要环节，其在工艺设计上的最初用意是充当批处理容器-钢包与连续容器-结晶器之间的分流器和缓冲器，以确保连铸操作的平稳进行。自上世纪70年代以来，围绕中间包开发和应用了一大批新技术，从而形成了冶金学的一个分支——中间包冶金学[14]。

　　目前，在中间包中实际应用的技术主要围绕两个方面展开：(1)最大限度地去除夹杂物，保证钢水纯净度;(2)保持合适的温度和过热度，满足连铸要求。

　　2.1.1 钢包吹氩

　　吹氩搅拌是钢包炉重要的精炼手段之一，钢中夹杂物被气泡俘获去除的效率决定于吹入钢液中气泡数量和气泡尺寸。为了去除钢中细小的夹杂物颗粒，必须钢液中制造直径更小的气泡。薛正良等[4]研究了用小气泡从钢液中去除夹杂物颗粒，分析了钢液中吹氩时夹杂物去除的效率与氩气泡直径、夹杂物直径的关系，并通过工业去杂实践，达到了预期效果。

　　2.1.2 中间包气幕挡墙

　　通过埋设于中间包底部的透气管或透气梁向钢液中吹入的气泡，与流经此处的钢液中的夹杂物颗粒相互碰撞聚合吸附，同时也增加了夹杂物的垂直向上运动，从而达到净化钢液的目的;2.2夹杂物电磁分离技术;浸没在液体中的异相颗粒，在重力场中会受到浮力的作;图2液体介质中颗粒电磁分离与重力分离的类比;利用颗粒与载体介质的物性差(密度，电导率，磁化率;表1利用物性差进行相分离的几种常见方法;外场;重力场;电磁场;磁场;离心场迁移力应用分离分离、净化选矿、除尘等除尘、;)B?0(?P??f)?2r;产生电磁力需要

　　动，从而达到净化钢液的目的。实践结果表明与不吹气相比，50~200?m大尺寸夹杂物全部去除，小尺寸夹杂物的去除效率增加50%[15]，本溪钢厂中间包底吹氩试验证实：底吹氩形成的气幕挡墙对夹杂物去除效果明显，同不吹氩相比，铸坯中夹杂物数量下降50%，而且未观察到30-50?m的夹杂物[16]。

　　2.2 夹杂物电磁分离技术

　　浸没在液体中的异相颗粒，在重力场中会受到浮力的作用。从流体静力学易知，颗粒受到的浮力源于重力场在液体中建立的压力梯度，它使压力沿颗粒表面的面积分不为零，这个积分结果就是通常所说的浮力。与此相仿，可知在电磁力场中颗粒会受到一个类似的“电磁浮力”，图2给出了浮力与电磁浮力的类比。

　　图2 液体介质中颗粒电磁分离与重力分离的类比

　　利用颗粒与载体介质的物性差(密度，电导率，磁化率等)进行相分离的技术很多，应用也十分广泛，比如重力沉降，静电除尘，高梯度磁场选矿等。表1对这些技术的基本原理及其应用进行了比较。

　　表1 利用物性差进行相分离的几种常见方法

　　外场

　　重力场

　　电磁场

　　磁场

　　离心场迁移力应用分离分离、净化选矿、除尘等除尘、净化等 (?f??P)g 3???PJ?B4??0.5?P?f??P(B??

　　)B?0(?P??f)?2r

　　产生电磁力需要电流和磁场同时作用，从电磁力产生的方式看，电磁分离技术分为“单独施加磁场”方式(本文简称“单磁场方式”)、“单独施加电流”方式(简称“单电流方式”)和“电磁分别施加”三种方式[6]。

　　2.2.1 钢包电磁搅拌

　　一般来说，电磁搅拌比气体搅拌更容易准确掌握，和气体搅拌相比，对钢渣界面的搅动强度还不够大。电磁搅拌使钢液的流动比较稳定、均衡，避免钢水流速过大导致的卷渣，但电磁搅拌不能提供促使夹杂物上浮的气泡。高海潮[17]在对90t LF-VD钢包精炼电磁搅拌的试验表明，电磁搅拌在降低尺寸在20阻m以

　　下的非金属夹杂物与吹氩搅拌相比有显著的优越性，非金属夹杂物不论颗粒大小，都能以较快速度从钢液中排除。

　　2.2.2 中间包离心分离

　　利用夹杂物与钢液的密度差，可以用离心场中分离夹杂物。在旋转的钢液中，由于夹杂物密度比钢液小，夹杂物会向心运动，在钢液中心聚集长大、上浮，钢液的旋转可以通过旋转磁场产生[11]。20世纪90年代，日本在中间包中进行旋转磁场离心分离夹杂物的试验，离心搅拌后全氧由(20~40)×10-6降到(8~15)×10-6，夹杂物总量约减少一半[18]。国内梅钢2号连铸机采用全幅两段电磁制动技术，使用效果表明：采用电磁制动后，结晶器液面波动幅度明显降低，铸坯夹杂物数量较少且尺寸≤20?m[19]。

　　2.3 其他去除技术

　　渣洗通过控制炉渣成分处理钢液，是最早出现的二次精炼方法[20]。由于精炼渣可以吸附夹杂物，为了保证渣洗的效果，一般要进行搅拌。渣洗通常与其它工艺操作配合使用。

　　过滤器主要通过机械拦截、表面吸附的作用去除夹杂物。宝钢在中间包上使用CaO质过滤器，采用有向上倾斜角度的小孔，以增加渣吸附夹杂的机会，使用后发现对去除夹杂物中Al2O3、SiO2作用显著，可使中间包第3、第4流钢水T[O]分别降低25%和10%[21]。

　　超声处理对于细化夹杂物也有明显的效果。申永刚等[22]在实验室条件下研究了超声处理去除夹杂物的可能性以及对细化夹杂物的影响，实验结果表明，超声波单独处理可以去除钢液中Al2O3夹杂物，但去除率低，在5%~12%之间，同时超声波对夹杂物产生细化效果。

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