（鋼鐵冶金專業(yè)論文）不銹鋼液中非金屬夾雜物成分的動(dòng)力學(xué)計(jì)算.pdf

00s 乏二f 工 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y d y n a m i c sc a l c u l a t i o no f t h ec o m p o n e n t so f n o n m e t a l l i ci nc l u s i o n s i ns t a i n hs t e e lm e l t s n l e s ss t e e le l t s b y y o u m e i y i n g s u p e r v i s o r p r o f e s s o rj i a n gz h o u h u a p r e l e c t o rl iy a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 9 一 l 一h o 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的 論文中取得的 研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外 不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 研究成果 也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料 與我一同工作 的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝 二血 思0 學(xué)位論文作者簽名 f 孑 茅匆炱 日期 矽礦 7 2 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論 文的規(guī)定 即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 交流 作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流的時(shí)間為作者獲得學(xué)位后 半年 一年一年半兩年 學(xué)位敝作者簽名 鉚柏炎 導(dǎo)師簽名 多坼 簽字日期 2 7 z 簽字日期 一羅7 名 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 不銹鋼液中非金屬夾雜物成分的動(dòng)力學(xué)計(jì)算 摘要 近年來 國內(nèi)外市場對(duì)不銹鋼質(zhì)量的要求在迅速提高 為滿足用戶的需求及提高自 身產(chǎn)品的競爭力 提高不銹鋼連鑄坯的潔凈度已成為各生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)重要課題 不銹 鋼冶煉過程中以夾雜物控制為中心的高潔凈化也越來越引起人們的重視 以非金屬央雜物的熱力學(xué)性質(zhì)為理論依掘控制其類型及形態(tài)是主要研究方向 并已 取得了一定進(jìn)展 根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算 認(rèn)為爐渣 鋼液 夾雜物三者之間達(dá)到完全平衡 而 在實(shí)際冶煉過程中 由于傳輸和動(dòng)力學(xué)條件的制約 不可能完全滿足爐渣與鋼液 鋼液 與夾雜物之間元素遷移所需的足夠時(shí)間 則不可能達(dá)到上述三者的完全平衡 非金屬夾 雜物在鋼液中的成分也就不能完全等同于爐渣的成分 結(jié)合前人對(duì)夾雜物的熱力學(xué)研究 成果 充分考慮到冶煉過程中的動(dòng)力學(xué)條件 進(jìn)行不銹鋼液中非金屬夾雜物成分的動(dòng)力 學(xué)計(jì)算具有重要的指導(dǎo)意義 本課題的目標(biāo)是結(jié)合冶金熱力學(xué)的平衡計(jì)算 運(yùn)用冶金動(dòng)力學(xué)的理論和研究方法 研究不銹鋼液脫氧時(shí)夾雜物的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 本課題用相互作用系數(shù)法計(jì)算鋼液組元 的活度 用高階亞正規(guī)溶液模型計(jì)算s i 0 2 一a 1 2 0 3 一c a o m g o 渣系和m n o s i 0 2 a 1 2 0 3 c a o 渣系組元的活度 并基于該溶液模型建立了鋼液脫氧和氧化物夾雜控制的熱力學(xué)模型 應(yīng)用于不銹鋼脫氧過程的渣 金平衡 鋼液 氧化物夾雜平衡的計(jì)算 分析非金屬夾雜物 的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 本課題以計(jì)算機(jī)仿真為主要手段 運(yùn)用冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論和研究方法 對(duì) 不銹鋼脫氧過程進(jìn)行分析 建立不同脫氧條件下夾雜物形成的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型 應(yīng)用 v b 編制了該模型的計(jì)算軟件 模型計(jì)算結(jié)果如下 1 對(duì)4 3 0 鐵素體不銹鋼鋁脫氧時(shí)鎂鋁尖晶石的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制研究表明 金屬 相傳質(zhì)是渣中m g o 還原的速率控制環(huán)節(jié) m g 在鋼液邊界層的擴(kuò)散為鋼液一夾雜物反應(yīng) 的速率控制環(huán)節(jié) 而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說 m g 在渣 金界面鋼液邊界層的擴(kuò)散是夾雜物生成 過程的速率控制環(huán)節(jié) 2 為了減少m g o a 1 2 0 3 尖晶石的形成 應(yīng)提高爐渣中s i 0 2 的含量 降低爐渣堿 度 3 鐵素體不銹鋼用鋁脫氧時(shí) 最終可形成m g o 濃度達(dá)到飽和的鎂鋁尖晶石夾雜 4 對(duì)3 1 6 奧氏體不銹鋼硅脫氧時(shí)硅酸鹽類夾雜物的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制的研究表明 鋼液中s i 氧化和渣中m n o 還原的反應(yīng)速率控制環(huán)節(jié)為渣相的傳質(zhì) 而渣中a 1 2 0 3 和c a o i l i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 還原的反應(yīng)速率控制環(huán)節(jié)為金屬相的傳質(zhì) 而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說 渣 金反應(yīng)是夾雜物 包 括a 1 2 0 3 c a o 生成過程的速率控制環(huán)節(jié) 5 奧氏體不銹鋼用硅脫氧時(shí) 可認(rèn)為最終夾雜物由c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 復(fù)合物組成 夾雜物內(nèi)c a o 含量可達(dá)4 5 a 1 2 0 3 為4 左右 關(guān)鍵詞 不銹鋼 非金屬夾雜物 熱力學(xué)模型 動(dòng)力學(xué)模型 i v 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 d y n a m i c s c a l c u l a i n c l u s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h ed e m a n d sf o rt h eq u a l i t yo fs t a i n l e s ss t e e li n c r e a s er a p i d l yb o t hi n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm a r k e t i no r d e rt om e e tt h en e e d so fu s e r sa n de n h a n c et h e c o m p e t i t i v e n e s so ft h e i rp r o d u c t s t h ec l e a n l i n e s si m p r o v e m e n to fs t a i n l e s ss t e e lb i l l e t h a s b e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i ci ne a c hp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s a n dt h eh i g hp u r i f i c a t i o nw h i c h f o c u sa tt h ei n c l u s i o n sc o n t r o li nt h es t a i n l e s ss t e e ls m e l t i n gp r o c e s sh a sa t t r a c t e dp e o p l e s a t t e n t i o ni n c r e a s i n g l y t h ec o n t r o lo fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s t y p ea n ds h a p eb a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e sa st h et h e o r e t i c a lb a s i sa r et h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n s a n ds o m ep r o g r e s s e sh a v e b e e nm a d e a c c o r d i n gt ot h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n i th o l d st h a tt h et h r e eo fs l a g m o l t e n s t e e l i n c l u s i o na c h i e v ec o m p l e t eb a l a n c e b u ti nt h ea c t u a lr e f i n i n gp r o c e s s b e c a u s eo ft h e r e s t r a i n to ft r a n s m i s s i o na n dd y n a m i c sc o n d i t i o n s i tc a n tf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n to f s u 衢c i e n tt i m ef o re l e m e n t st om i g r a t eb e t w e e ns l a ga n dm o l t e ns t e e l m o l t e ns t e e la n d i n c l u s i o n a n dt h ea b o v e m e n t i o n e dt h r e ec a n ta c h i e v ec o m p l e t eb a l a n c e a sw e l la s t h e c o m p o s i t i o no fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nm o l t e ns t e e lc a n tb ee x a c t l yt h es a m ea s t h e c o m p o s i t i o no fs l a g c o m b i n gw i t hp r e v i o u st h e r m o d y n a m i c s r e s e a r c hr e s u l t so nt h e n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n t a k i n gt h ed y n a m i c sc o n d i t i o n si n t oa c c o u n tf u l l yi nt h ep r o c e s so f r e f i n i n g t h ed y n a m i c sc a l c u l a t i o no f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nt h es t a i n l e s sm e l t si so fg r e a t g u i d i n gs i g n i f i c a n c e t h ep a p e r sg o a li st or e s e a r c ht h ed y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o n m e t a l l i c i n c l u s i o n si ns t a i n l e s ss t e e lm e t l su n d e rd i f f e r e n td e o x i d a t i o nc o n d i t i o n sb yc o m b i n gt h e b a l a n c ec a l c u l a t i o no fm e t a l l u r g i c a lt h e r m o d y n a m i c sa n du s i n gt h ed y n a m i c st h e o r ya n d r e s e a r c hm e t h o d s t h ep a d e ru s e dt h ei n t e r a c t i o nc o e m c i e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h ea c t i v i t y o fe l e m e n t si nm o l t e ns t e e la n dt h eh i g h 1 e v e ls u b r e g u l a rs o l u t i o nm o d e lt oc a l c u l a t et h e a c t i v i t yo ft h ee l e m e n t si nt h es i 0 2 一a 1 2 0 3 一c a o m g os l a ga n dm n o s i 0 2 一a 1 2 0 3 c a os l a g b a s e do nw h i c ht h ep a p e re s t a b l i s h e dt h et h e r m o d y n a m i cm o d e lo ft h ed e o x i d i z a t i o no f m o l t e ns t e e l t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o n i n c l u s i o n sb y u s i n gt h et h e r m o d y n a m i cm o d e lt oc a l c u l a t et h eb a l a n c eb e t w e e ns l a ga n dm e t a l m e t a la n d o x i d e si n c l u s i o ni nt h ed e o x i d a t i o np r o c e s so fs t a i n l e s ss t e e l t h ep a p e ru s e dc o m p u t e rs i m u l a t i o na st h em a i nm e a s u r ea n da p p l i e dt h et h e o r ya n d r e s e a r c hm e t h o d so fm e t a l l u r g i c a lt h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i c s a n a l y s e dt h ed e o x i d a t i o n p r o c e s so fs t a i n l e s ss t e e l e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c sc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ef o r m a t i o no f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n su n d e rd i f f e r e n td e o x i d i z a t i o nc o n d i t i o n s a n dp r o g r a m m e dt h e c a l c u l a t i o ns o f t w a r eo ft h em o d e lb yu s i n gv bl a n g u a g ep r o g r a m m i n gd e s i g n n em o d e l c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 f r o mt h es t u d yo fd y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fm g o a 1 2 0 3s p i n e li n4 3 0 v 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e ld e o x i d i z e db ya l u m i n u m i ts h o w st h a tm a s st r a n s f e ro nt h em e t a lp h a s e i st h er a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h er e d u c t i o no fm g oi nt h es l a g m gd i f f u s i o ni nt h e b o u n d a r yl a y e ro fm o l t e ns t e e l i sr a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h em e t a l i n c l u s i o n sr e a c t i o n a n d f o r t h ew h o l e s y s t e m m g d i f f u s i o ni nt h eb o u n d a r ya tt h e s l a g m e t a l i n t e r f a c ei s r a t e d e t e r m i n i n gs t e p 2 i no r d e rt or e d u c et h ef o r m a t i o no fm g o a 1 2 0 3s p i n e l i ts h o u l di n c r e a s et h ec o n t e n t o fs i o i nt h es l a ga n dl o wt h eb a s i c i t yo fs l a g 3 w h e nf e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e li sd e o x i d i z e db ya l u m i n u m i tc o u l df o r mt h em g o a 1 2 0 3 s p i n e li n c l u s i o nw h i c hi ss a t u r a t e db ym g o i nt h ee n d 4 f r o mt h es t u d yo fd y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs i l i c a t e t y p ei n c l u s i o n si n316 a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e ld e o x i d i z e db ys i l i c o n i ts h o w st h a tm a s st r a n s f e ro nt h es l a gp h a s ei s t h er a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h eo x i d i z a t i o no fs i l i c o ni nt h em o l t e ns t e e la n dt h er e d u c t i o no f m n oi nt h es l a g a n dm a s st r a n s f e ro nt h em e t a lp h a s ei st h er a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h e r e d u c t i o no fa 1 2 0 3a n dc a oi nt h es l a g a n df o rt h ew h o l es y s t e m t h es l a g m e t a lr e a c t i o ni s r a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o r t h ei n c l u s i o n sf o r m a t i o n i n c l u d i n gt h a to f a l 2 0 3a n d c a o 5 1w h e nt h ea u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e li sd e o x i d i z e db ys i l i c o n i tc a nb ec o n f e r r e dt h a tt h e f i n a li n c l u s i o ni sc o m p o s e do fc a o s i 0 2 一a 1 2 0 3c o m p l e x a n dc a oc o n c e n t r a t i o nc a nr e a c h 4 5 a 1 2 0 1c o n c e n t r a t i o ni sa b o u t4 k e yw o r d s s t a i n l e s ss t e e l n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n t h e r m o d y n a m i c sm o d e l d y n a m i c sm o d e l v i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 目錄 獨(dú)創(chuàng)性聲明 i 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 i 摘要 i i i a b s t r a c t v 目錄 v i i 第1 章緒論 1 1 1 課題的背景 l 1 2 課題研究的內(nèi)容 1 1 3 課題的意義 2 第2 章文獻(xiàn)綜述 3 2 1 不銹鋼冶煉操作中夾雜物的產(chǎn)生 3 2 2 典型夾雜物對(duì)不銹鋼性能的影響 3 2 3 不銹鋼夾雜物的控制 4 2 3 1 不銹鋼a o d 精煉工藝中夾雜物的控制 4 2 3 2 不銹鋼中間包夾雜物的控制 6 2 3 3 連鑄過程中水口結(jié)瘤的成因與控制 7 2 4 組元活度的計(jì)算 7 2 4 1 鐵基合金中組元活度的計(jì)算 9 2 4 2 熔渣組元活度的計(jì)算 1 2 2 4 3t h e r m o c a l c 熱力學(xué)計(jì)算軟件 1 6 2 5 動(dòng)力學(xué)計(jì)算 1 6 2 5 1 雙膜理論 1 6 2 5 2 未反應(yīng)核模型 18 2 6 目前研究中存在的主要問題 1 8 第3 章熱力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型的建立 1 9 3 1 熱力學(xué)模型的建立 1 9 v 1 1 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 3 1 1 鋼液組元活度的計(jì)算 1 9 3 1 2 爐渣組元活度的計(jì)算 2 0 3 2 動(dòng)力學(xué)模型的建立 2 2 3 2 1 渣 金反應(yīng)模型 2 3 3 2 2 鋼液 夾雜物反應(yīng)模型 2 5 第4 章夾雜物計(jì)算的界面實(shí)現(xiàn) 2 7 4 1 啟動(dòng)介面 2 7 4 2 模型主窗體 2 7 4 3 組元活度計(jì)算窗體 2 9 4 3 1 鋼液組元活度計(jì)算窗體 2 9 4 3 2 爐渣組元活度計(jì)算窗體 3 0 4 4 渣 金界面反應(yīng)計(jì)算窗體 3l 4 5 鋼液 夾雜物反應(yīng)計(jì)算窗體 3 3 4 6 總反應(yīng) 3 3 第5 章鋁脫氧不銹鋼中鎂鋁尖晶石的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 3 5 5 1 渣中m g o 的還原機(jī)制 3 5 5 1 1 渣 金界面反應(yīng) 3 5 5 1 2 爐渣組成對(duì)鋼液中m g 濃度增加的影響 3 8 5 2 鋼液 夾雜物的反應(yīng)機(jī)制 4 0 5 2 1m g 在夾雜物層的擴(kuò)散為速率控制環(huán)節(jié) 4 0 5 2 2m g 在鋼液邊界層的擴(kuò)散為速率控制環(huán)節(jié) 一4 1 5 3 總反應(yīng) 4 2 5 4 本章小結(jié) 4 3 第6 章硅脫氧不銹鋼中硅酸鹽類夾雜物的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 一4 5 6 1 渣 金界面反應(yīng) 4 5 6 2 鋼液 夾雜物的反應(yīng)機(jī)制 4 9 6 2 1 夾雜物中a 1 2 0 3 的生成機(jī)制 5 0 6 2 2 夾雜物中c a o 的生成機(jī)制 5 1 6 3 總反應(yīng) 5 2 v i i i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 6 3 1 總反應(yīng)中a 1 2 0 3 夾雜的濃度計(jì)算 5 2 6 3 2 總反應(yīng)中c a o 夾雜的濃度計(jì)算 5 3 6 4 本章小結(jié) 5 4 第7 章結(jié)論 5 5 參考文獻(xiàn) 5 7 致謝 6 3 作者簡介 6 5 論文包含圖 表 公式及文獻(xiàn) 6 7 i x 數(shù)量和形態(tài) 當(dāng)前不銹鋼的冶煉技術(shù)在降低不銹鋼中碳 氮 氫 硫等有害成分上都可以采取有 效措施 雖然脫磷操作仍是不銹鋼冶煉的難點(diǎn)之一 但磷含量的控制是可以通過嚴(yán)格控 制冶煉原料中磷的配入來實(shí)現(xiàn) 夾雜物的存在不但嚴(yán)重影響了不銹鋼的內(nèi)部和表面質(zhì) 量 而且使不銹鋼產(chǎn)品的耐腐蝕能力降低 因此 不銹鋼冶煉過程中以夾雜物控制為中 心的高潔凈化越來越引起人們的重視 夾雜物控制的核心是要掌握在鋼冶煉過程夾雜物的生成 并在隨后過程的演變過 程 包括長大 合并 進(jìn)一步反應(yīng)導(dǎo)致成分變化 上浮去除等變化規(guī)律和影響因素 因 此 必須打破只采用平衡熱力學(xué)計(jì)算預(yù)報(bào)夾雜物成分的傳統(tǒng)思路 將冶金動(dòng)力學(xué)用于計(jì) 算和預(yù)報(bào)夾雜物成分 這是因?yàn)橐环矫嬖趯?shí)際生產(chǎn)中爐渣 鋼液 夾雜物之間是沒有達(dá)到 平衡的 另一方面在實(shí)際過程中央雜物的成分從生成開始到精煉結(jié)束甚至在凝固前其成 分和形態(tài)是不斷變化的 因此 夾雜物與鋼水之間的反應(yīng)始終在不斷的進(jìn)行 它直接受 到鋼水成分 尤其是微量脫氧元素 和溫度的影響 而爐渣 耐火材料和爐內(nèi)氣氛則由 于鋼液之間的反應(yīng)或物質(zhì)交換改變鋼液的微量脫氧元素 從而對(duì)夾雜物的行為產(chǎn)生間接 的影響 因此 為了更好地了解不銹鋼脫氧的動(dòng)力學(xué)條件并為進(jìn)一步研究確定基礎(chǔ) 必須通 過確定冶煉過程各參數(shù)來建立夾雜物形成的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型 另一方面 通過數(shù)學(xué)模型 的建立來控制精煉操作步驟 以獲得夾雜物的數(shù)量和形態(tài)合適和潔凈度高的鋼種 1 2 課題研究的內(nèi)容 本課題研究的目標(biāo)是結(jié)合冶金熱力學(xué)的平衡計(jì)算 運(yùn)用冶金動(dòng)力學(xué)的理論和研究方 法 研究不銹鋼脫氧下夾雜物的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 本文研究用相互作用系數(shù)法計(jì)算鋼液 組元的活度 用高階亞正規(guī)溶液模型計(jì)算s i 0 2 a 1 2 0 3 c a o m g o 渣系和 m n o s i 0 2 a 1 2 0 3 c a o 渣系組元的活度 并基于該溶液模型建立了鋼液脫氧和氧化物夾 雜控制的熱力學(xué)模型 應(yīng)用于不銹鋼脫氧過程的渣 金平衡 鋼液 氧化物夾雜平衡的計(jì) 算 分析非金屬夾雜物的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 并用v b 編制該模型的計(jì)算軟件 具體研究內(nèi)容如下 1 計(jì)算不銹鋼鋼液中各組元的活度和精煉渣中各組元的活度 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 2 運(yùn)用渣 金平衡反應(yīng) 鋼液與夾雜物平衡反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件 研究鐵 素體不銹鋼a l 脫氧條件下 鎂鋁尖晶石的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 3 運(yùn)用渣 金平衡反應(yīng) 鋼液與夾雜物平衡反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件 研究奧 氏體不銹鋼s i 脫氧條件下 硅酸鹽類夾雜物的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制 1 3 課題的意義 以非金屬夾雜物的熱力學(xué)性質(zhì)為理論依據(jù)控制其類型及形態(tài)是主要研究方向 并已 取得了一定進(jìn)展 根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算 認(rèn)為爐渣 鋼液 夾雜物三者之間達(dá)到完全平衡 鋼 液中非金屬夾雜物的成分就與爐渣成分完全相同 而實(shí)際情況是不同的 因?yàn)樵趯?shí)際冶 煉過程中 由于傳輸和動(dòng)力學(xué)條件的制約 不可能完全滿足爐渣與鋼液 鋼液與夾雜物 之間元素遷移所需的足夠時(shí)間 則不可能達(dá)到上述三者的完全平衡 非金屬夾雜物在鋼 液中的成分也就不能完全等同于爐渣的成分 因此 由于前人的研究未充分考慮動(dòng)力學(xué) 的影響 無法準(zhǔn)確預(yù)測或了解實(shí)際生產(chǎn)過程中央雜物的生成和變化規(guī)律 綜上 結(jié)合前人對(duì)夾雜物的熱力學(xué)研究成果 充分考慮到冶煉過程中的動(dòng)力學(xué)條件 進(jìn)行不銹鋼液中非金屬夾雜物成分的動(dòng)力學(xué)計(jì)算具有重要的指導(dǎo)意義 2 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章文獻(xiàn)綜述 第2 章文獻(xiàn)綜述 2 1 不銹鋼冶煉操作中夾雜物的產(chǎn)生 目前世界上不銹鋼的冶煉有三種方法 采用電爐一步法冶煉不銹鋼的方法由于成本 高 周期長 產(chǎn)品質(zhì)量差等諸多缺點(diǎn) 目前很少采用此法生產(chǎn)不銹鋼 1 9 6 5 年和1 9 6 8 年 v o d 和a o d 精煉相繼產(chǎn)生 它們對(duì)不銹鋼生產(chǎn)工藝的變革起了決定性作用 電爐 a o d 或電爐 v o d 的不銹鋼二步法生產(chǎn)工藝隨之發(fā)展起來 三步法即電爐 復(fù)吹轉(zhuǎn) 爐 或a o d v o d 三步冶煉不銹鋼 該工藝適合采用高碳鐵水作原料生產(chǎn)超低碳 氮不銹鋼 在不銹鋼的冶煉過程中 內(nèi)生夾雜主要是進(jìn)行脫氧合金化操作時(shí) 加入到鋼液中的 脫氧劑 a 1 f e s i s i m n 等 被氧化生成了a 1 2 0 3 s i 0 2 以及m g o a 1 2 0 3 s i 0 2 m n o a 1 2 0 3 s i 0 2 m n o 等復(fù)合脫氧產(chǎn)物 合金元素 c r t i s i m n 部分被氧化形成f e o c r 2 0 3 s i 0 2 c r 2 0 3 a 1 2 0 3 c r 2 0 3 c r 2 0 3 m n s t i 0 2 等夾雜 鋼液在冷卻凝固結(jié)晶過程中 由 于溫度下降及局部成分偏析還會(huì)形成二次脫氧產(chǎn)物等 當(dāng)這些產(chǎn)物來不及從鋼液內(nèi)排 出 便殘留在鋼中形成內(nèi)生夾雜 a l 具有較強(qiáng)的脫氧能力 但其脫氧產(chǎn)物a 1 2 0 3 對(duì)多數(shù)牌號(hào)的不銹鋼性能有不良影響 因此在不銹鋼冶煉過程中的使用受到很大限制 從國內(nèi)外相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn) 2 d 在綜合 考慮不銹鋼液的脫氧 脫硫和脫磷效果時(shí) 可以選擇含有堿土金屬元素 鋇 鈣和鎂 和稀土等的復(fù)合精煉劑 它們不僅有很強(qiáng)的脫氧 脫硫和還原脫磷能力 而且其脫氧產(chǎn) 物的上浮速度快 在鋼中幾乎沒有殘留 遺憾的是 這方面的研究目前還多處在實(shí)驗(yàn)室 研究階段 很少在不銹鋼的實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用和推廣 不銹鋼成品中的外來夾雜是在冶煉和澆注過程中 耐火材料的沖刷和侵蝕帶入鋼液 的大型夾雜物 混入鋼液的爐渣 如a o d 出鋼過程的鋼渣混出 以及在鋼液的運(yùn)輸和 澆注過程中的二次氧化等 不銹鋼液中的氮化物主要是以t i n 的形式出現(xiàn)的 它是溶解于鋼中的 n 以及冶煉 澆注過程中 鋼液吸入空氣中的n 2 與鋼中 t i 作用的產(chǎn)物 另外 在鋼液的凝固過程 中 還會(huì)有c r n c r 2 n 等其它類型的氮化物產(chǎn)生 2 2 典型夾雜物對(duì)不銹鋼性能的影響 m g o a 1 2 0 3 尖晶石是a l 作為不銹鋼終脫氧劑時(shí)的主要氧化物夾雜 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 用s i 作終脫氧劑的不銹鋼 不僅對(duì)熔融的鋼液粒子有危害 而且對(duì)鋼材的性能產(chǎn)生影 響 m g o a 1 2 0 3 尖晶石屬脆性夾雜 因其較高的熔點(diǎn) 較小的變形率 會(huì)降低不銹鋼的 疲勞強(qiáng)度 而在生產(chǎn)過程中因其產(chǎn)生的水口結(jié)瘤問題也是極其嚴(yán)重的 從而降低生產(chǎn)力 和過程的有效性 m g o a 1 2 0 3 尖晶石一旦在連鑄機(jī)浸入式水口的內(nèi)部聚積 當(dāng)增加到一 定厚度就可能脫離水口 并隨著鋼液流進(jìn)鑄模 如果被已凝固的固體坯殼捕獲 則會(huì)在 3 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章文獻(xiàn)綜述 軋制成超薄板坯材料時(shí)因其較高的硬度引起條狀表面缺陷1 4 l c r 2 0 3 類夾雜物在含c r y 2 高的情況下是穩(wěn)定的 且常與t i n 夾雜伴生 該氧化物的硬 度極高 變形程度很差 在壓力加工時(shí)容易碎裂 因此對(duì)不銹鋼的加工性能造成影響 t i 0 2 類夾雜物因其較高的熔點(diǎn)對(duì)不銹鋼連鑄以后的各種加工操作引起表面缺陷d i 硫化物類的夾雜主要是硫化錳 但也含有鉻和其他元素 這此硫化物起到點(diǎn)蝕源的 作用 不僅對(duì)奧氏體不銹鋼而且對(duì)所有的不銹鋼的抗點(diǎn)蝕胂1 1 厶匕1 化都有害 6 2 3 不銹鋼夾雜物的控制 2 3 1 不銹鋼a o d 精煉工藝中夾雜物的控制 煉鋼生產(chǎn)中應(yīng)用真空技術(shù) 渣洗技術(shù) 惰性氣體凈化等爐外精煉技術(shù) 可以卓有成 效地進(jìn)一步減少鋼中氣體和夾雜物 在電爐煉鋼時(shí)要求爐渣中產(chǎn)生較多的正硅酸鈣 因 為它能增大鋼渣的界面張力 減少鋼中的夾雜物 有助于提高鋼的質(zhì)量 鋼包精煉采用 吹氬攪拌為金屬央雜物從鋼液中分離上浮創(chuàng)造了良好的動(dòng)力學(xué)條件 它使鋼中的夾雜物 變細(xì)小 分布均勻 從而減少夾雜物造成的質(zhì)量缺陷 鋼包精煉采用真空碳脫氧 會(huì)發(fā) 生 c o 卜c o 的反應(yīng) 在真空條件下 c o 的分壓力不斷地降低 真空碳脫氧的產(chǎn)物 c o 易從鋼液中逸出 并不玷污鋼液 研究表明精煉過程可以去除鋼液中8 0 左右的夾 雜物 7 1 典型的3 0 4 不銹鋼液中的氧含量通常是由硅脫氧所控制 采用f e s i 和s i m n 脫氧后 首先形成含s i 和c r 的夾雜物 其相組成為純s i 0 2 和純c r 2 0 3 圖2 1 引 隨著精煉過 程的進(jìn)行 在低堿度的情況下 不銹鋼液中的夾雜物主要是理想的硅酸鹽系夾雜物 但 s 含量會(huì)升高 因此 在a o d 還原期和脫硫期 渣的最佳組成是不同的 圖2 1 奧氏體不銹鋼a o d 還原期夾雜物 f i g 2 1i n c l u s i o n si na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l i nt h ea o dr e d u c t i o np e r i o d 圖2 2 雙相不銹鋼s i c a 變性處理后的夾雜物 f i g 2 2i n c l u s i o n si nd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l a f t e rs i c am o d i f i c a t i o n 在用s i 脫氧時(shí) 為防止尖晶石夾雜物的生成 應(yīng)降低渣的堿度 s 分配比會(huì)下降 結(jié)果不利于脫硫 如果用a l 脫氧時(shí) 雖然能獲得高的s 分配比 但由于含a l 鋼的用途 受到限制 因此它不適用于所有鋼種 雙相不銹鋼采用f e s i s i m n 和a l 脫氧時(shí) 一般是通過c a 處理來對(duì)夾雜物進(jìn)行變性 s i c a 變性處理后 3 1 鋼中發(fā)現(xiàn)球狀的m g o a 1 2 0 3 c r 2 0 3 c a o s i 0 2 復(fù)合夾雜 圖2 2 4 獺磣墨凄疊蓬勃 垂1 緲 勢 瓤 o r i 幫紅 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章文獻(xiàn)綜述 k i m 等 1 9 1 典型不銹鋼中c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o t i 0 2 夾雜物是通過a l t i 脫氧 所形成的 并作為a o d 渣滴的形核核心而形成多相復(fù)合夾雜物 圖2 3 為a l 脫氧不銹鋼 中 o 0 0 3 a 1 0 0 1 4 t i 典型夾雜物掃描電鏡照片和相分析 其中包含3 個(gè)不同相 a c a o s i 0 2 一m g o b m g o a 1 2 0 3 c t i 0 2 夾雜物中的高熔點(diǎn)相 例女h m g o a 1 2 0 3 t i 0 2 是鋼材在冷軋或熱軋過程中導(dǎo)致表面缺陷的主要原因 圖2 3 導(dǎo)致表面缺陷的典型夾雜物掃描電鏡照片和相分析 f i g 2 3s e mm i c r o g r a p ho fat y p i c a li n c l u s i o nc a u s i n gd e f e c t so nc o i ls u r f a c e a n de d so f e a c hp h a s e 根據(jù)不銹鋼液采用a l 脫氧的結(jié)果可知 在脫氧初期會(huì)生成氧化鋁夾雜物 在渣堿 度高的情況下 隨著時(shí)間的推移 會(huì)變成尖晶石夾雜物 即使用s i 脫氧時(shí) 也會(huì)生成 尖晶石夾雜物 尖晶石夾雜物的生成機(jī)理如下 在采用s i 脫氧的情況下 在脫氧初期 會(huì)生成m n o s i 0 2 a 1 2 0 3 系夾雜物 在采用a l 脫氧的情況下 會(huì)生成氧化鋁夾雜物 這 些在初期生成的夾雜物與渣被還原后進(jìn)人鋼水中的 m g 反應(yīng)后會(huì)形成尖晶石夾雜物 表2 1 鋁脫氧不銹鋼的渣成分與夾雜物組成的比較 t a b l e2 1c o m p a r i s o no f t h ec o m p o s i t i o no fi n c l u s i o n si nt h ed i f f e r e n ts l a gc o m p o s i t i o n i nt h es t a i n l e s ss t e e ld e o x i d e dw i t ha l a o d 精煉渣成分對(duì)不銹鋼中夾雜物生成影響的研究表明 不銹鋼液用a l 脫氧時(shí)生成 團(tuán)簇狀的a 1 2 0 3 同時(shí) 由于渣中i 拘m g o 被還原 鋼液中的 m 朗含量升高 夾雜物同時(shí) 轉(zhuǎn)變 戎為m g o a 1 2 0 3 當(dāng)渣中不含s i 0 2 時(shí) 可以轉(zhuǎn)變成為m 9 0 或液態(tài)c a o a 2 0 3 一m g o 夾 雜 而渣中含有s i 0 2 時(shí) 夾雜物不發(fā)生轉(zhuǎn)變 仍然為m g o a 1 2 0 3 尖晶石夾雜物 見表2 1 值得注意的是 即使鋼液中的鋁含量只有0 0 0 3 夾雜物中的a 1 2 0 3 也足以生成 5 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章文獻(xiàn)綜述 m g o a 1 2 0 3 因此 為降低夾雜物中的m g o a 1 2 0 3 必須降低鋼液中的鋁含量和a o d 渣 中的m g o 含量 m a s a t a k e 等人進(jìn)一步認(rèn)為應(yīng)降低a o d 渣中i 拘m g o 和a 1 2 0 3 含量 最近還 有的報(bào)告指出 選擇a 1 的添加時(shí)間和添加方法也能夠防止尖晶石的生成 2 3 2 不銹鋼中間包夾雜物的控制 由于a o d 沒有專用的出鋼口 e a f a o d c c 煉鋼流程的一個(gè)特點(diǎn)就是渣鋼混出 因 而其中間包夾雜物的成分和形成機(jī)理與低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼是不同的 在奧氏體不銹鋼中間包內(nèi)取樣發(fā)現(xiàn) 夾雜物中主要包括s i s a i m g m n l l c r 圖2 4 另外一種類型是s i 0 2 a 1 2 0 3 夾雜物 但數(shù)量不多 鐵素體不銹鋼中間包內(nèi)的 夾雜物則主要由a 1 2 0 3 c r 2 0 3 和純m 9 0 a 1 2 0 3 尖晶石組成 7 圖2 5 圖2 4 奧氏體不銹鋼中間包內(nèi)的夾雜物 f i g 2 4i n c l u s i o n so ft h ea u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e li nt h et u n d i s h 圖2 5 雙相不銹鋼中間包內(nèi)的夾雜物 f i g 2 5i n c l u s i o n so f t h ed u p l e xs t a i n l e s s s t e e li nt h et u n d i s h h o j o 等人 1 4 1 通過向a o d 渣中加入示蹤劑的方法來考察不銹鋼中夾雜物的來源 發(fā)現(xiàn) 不銹鋼中的夾雜物主要是由于卷入鋼中的a o d 渣進(jìn)入中間包 且未得到及時(shí)上浮而形成 的 增加中間包內(nèi)鋼水的重量和停留時(shí)間 可以有效地促進(jìn)大型夾雜物的上浮 季志雷等人 l5 j 對(duì)1 c r l 8 n i 9 t i 的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn) 鋼中的氧化夾雜物來源于煉鋼渣 即 鋼包中的煉鋼渣通過中間包進(jìn)入連鑄結(jié)晶器 隨結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流向集中到連鑄坯的兩 側(cè) 當(dāng)中間包中的煉鋼渣進(jìn)入較多時(shí) 鋼水中的夾雜物含量增多 這些夾雜物中只有部 分靠浮力從鋼中分離 未分離的夾雜物留在鋼中進(jìn)入結(jié)晶器 改進(jìn)措施為嚴(yán)格控制鋼包 下渣 鋼包在轉(zhuǎn)換平臺(tái)調(diào)換時(shí) 保證足夠的中問包剩余鋼水量 減少中間包液面波動(dòng) 完善心封套管 避免負(fù)壓澆注 以免惡化鋼水質(zhì)量 國內(nèi)太鋼生產(chǎn)的0 0 c r l 2 t i 不銹鋼連鑄坯內(nèi)部的夾雜物為含t i 球狀?yuàn)A雜 直徑約為 l o g m 1 6 為使中間包內(nèi)夾雜物充分上浮 采取以下措施 1 增加鋼水在中間包平均 停留時(shí)間 使夾雜物有足夠的時(shí)間上浮 2 改善液體流動(dòng)軌道 在中間包加擋墻和壩 消除中間包死區(qū) 3 中間包液面高度由6 0 0 7 0 0 m m 變?yōu)? 0 0 0 1 2 0 0 m m 中間包深度加大和擋墻 壩的配合使鋼水停留時(shí)間加長 有利于夾雜物的上浮 但 是 中間包的高度并不是越深越好 合適的中間包鋼液深度減少了夾雜物的上浮距離 6 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章文獻(xiàn)綜述 同樣有利于夾雜物的去除 h i r a k i 等人 l7 研究認(rèn)為采用大容量中間包提高了薄板坯 厚 為9 0 1 0 0 r a m 的純凈度 同時(shí)進(jìn)行相對(duì)低液位操作促進(jìn)了夾雜物的上浮 2 3 3 連鑄過程中水口結(jié)瘤的成因與控制 目前關(guān)于不銹鋼連鑄浸入式水口結(jié)瘤機(jī)理的普遍看法是鋼液流過浸入式水口時(shí) 鋼 中的a 1 2 0 3 m g o a 1 2 0 3 等夾雜物部分沉積附著在水口內(nèi)壁上形成結(jié)瘤 此類水1 3 結(jié)瘤 可以通過前面所述的降低a 1 2 0 3 及m g o a 1 2 0 3 的措施和方法來減輕其危害 非a 1 2 0 3 所導(dǎo)致的水口堵塞的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜些 圖2 6 為由復(fù)雜的氧化物構(gòu)成的水口 堵塞的掃描電鏡照片 1 8 看起來更像一整塊巨石 簡單的顆粒沉積粘連理論不足以解釋 圖片中所觀察到的水口堵塞結(jié)構(gòu) 有關(guān)研究表明 鈦穩(wěn)定化不銹鋼在連鑄過程中浸入式 水口易結(jié)瘤 鋼中存在的大量含芯t i n 與因溫度降低而析出的t i n 一齊呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)附 著在水口內(nèi)壁形成結(jié)瘤物 圖2 6 由復(fù)雜的氧化物構(gòu)成的水1 3 堵塞圖2 7 c a o t i 0 2 型水口結(jié)瘤的掃描電鏡照片 f i g 2 6o u t l e tp l u gc a u s e db yt h ec o m p l e xo x i d e sf i g 2 7s e mp h o t o so fc a o t i 0 2 一t y p eo u t l e t n o d u l a t i o n 另外一種c a o t i 0 2 型水口結(jié)瘤的成因?yàn)殇撝胁糠謈 a o t i 0 2 m g o a 1 2 0 3 雙相夾雜物 沉淀附著在水口內(nèi)壁 形成樹枝狀結(jié)構(gòu)與凝固金屬一起形成結(jié)瘤物i l9 1 如圖2 7 所示 c a o t i 0 2 型結(jié)瘤的控制分兩種情況 1 不加a l 并采用低鋁硅鐵還原 控制鋼中 a i 0 1 3 且通過喂鈦線前的吹氬弱攪拌 有效地排除鋼中含c a o 的夾雜物 就能避免喂鈦線后生成大量的c a o t i 0 2 m g o a 1 2 0 3 雙相夾雜物 也不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水口結(jié)瘤1 2 0 1 2 4 組元活度的計(jì)算 冶金熔體的組元活度一直是冶金熱力學(xué)研究的核心問題之一 盡管活度這一概念是 人為設(shè)定的 但借助于活度理論可成功地解釋在冶金過程中諸如相平衡與轉(zhuǎn)變 元素在 不同相間的分配與遷移 化學(xué)反應(yīng)的方向與限度等一系列重要現(xiàn)象 從而為冶金學(xué)由基 7 o 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章文獻(xiàn)綜述 于經(jīng)驗(yàn)的 f j 技藝發(fā)展成為一門完整的工程學(xué)科奠定了基礎(chǔ) 事實(shí)上 關(guān)于稀溶液組元活度的問題早已成熟 這就是眾所周知的相互作用參數(shù)方 法 然而該方法不能用于多元 高濃度也已是公認(rèn)的觀點(diǎn) 因此 人們才轉(zhuǎn)而從溶液模 型去尋求出路 在熱力學(xué)上 溶液模型借助于有關(guān)溶液微觀構(gòu)型的假設(shè) 對(duì)溶液的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行 宏觀的唯像描述 最終給出溶液熱力學(xué)性質(zhì)與其組成的定量關(guān)系 有幾類熱力學(xué)模型經(jīng) 常被引用 他們