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《北京科技大学》 2018年
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钢液中非金属夹杂物钙处理基础研究

刘洋  
【摘要】:本文采用真空感应炉进行钙处理的实验室实验。首先,研究了取样方式对于夹杂物成分和数量的影响。研究结果表明,真空感应炉良好的动力学条件,有利于促进夹杂物的上浮。过程样由石英管取样器穿过钢液上表面来取得,会取到较多的夹杂物,而终点样是将钢液浇铸到锭模,研究的是钢液内部夹杂物,数量相对较少。其次,研究了耐火材料对钙处理过程的影响。研究表明,钢中加入过量的钙,会与耐火材料发生反应。采用镁砂坩埚实验,样品中MgO平均含量为10~20%,钢液中总镁从13 ppm升高到23 ppm;采用刚玉坩埚实验,钢液中的[Al]s含量高于镁砂坩埚实验。坩埚气孔率会影响夹杂物的数量,高气孔率的坩埚会产生更多的夹杂物。钙处理改性夹杂物的过程中,钢中钙的含量由于挥发而持续降低。夹杂物的成分受此影响,转变规律为CaO-CaS→CaO-CaS-Al2O3→CaO-(CaS)-Al2O3→(CaO)-Al2O3。根据测量结果,计算钢液中[Ca]的趋势变化,对结果进行拟合分析,从而得到在真空感应炉中[Ca]的挥发传质系数为(2.35~3.53)×104(m/s)。接着,研究了钢中硫含量对钙处理效果的影响。瞬态CaS夹杂物的形成与分解是硫含量影响钙处理效果的关键。加钙初期CaO-CaS夹杂物的形成符合朗格缪尔化学吸附,采用该模型计算的结果与实际检测结果趋势一致。通过热力学计算研究了 CaS的分解与钢中的钙,氧和硫含量的关系。多数CaS随着钙的挥发而分解,只有少部分CaS会与夹杂物中A1203发生改性反应,生成均匀的Al2O3-CaO-CaS。因此,钢中硫含量越高,加钙初期生成的CaS含量越高,随着钢中钙含量降低,最终夹杂物中Al2O3含量越高。本文还研究了二次氧化对钙处理效果的影响。研究表明,轻度二次氧化对夹杂物的转变规律影响不大,只是使夹杂物中Al2O3含量和数密度升高。持续二次氧化发生后,钢中的铝和钙首先被氧化,当铝消耗完全后,钢液中的硅开始氧化。按照钢液的吸氧速率可分为三个阶段:初始氧化阶段、铝的稳定氧化阶段、硅的氧化阶段。三个阶段的吸氧速率依次升高。夹杂物的转变路径为CaO-CaS-Al2O3→CaO-(CaS)-Al2O3→(CaO)-Al2O3→Al2O3→SiO2。持续二次氧化使钢中夹杂物的数量升高至200个/mm2以上,远高于轻度二次氧化情况。此外,建立了动力学模型预测持续二次氧化过程中钢中夹杂物的转变规律,考虑了夹杂物的上浮去除对夹杂物和钢液成分的影响。最后,针对精准钙处理在实际生产中难以实现的现状,开发了一款在线指导软件。根据现场的操作参数和钢种需求,订制生成数据库,实时给出预测结果,并提供加入钙线长度的参考建议。本软件可以提高钙处理的效果,促进钢铁精炼过程智能化和自动化生产。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TF741.7

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