电渣重熔304NG不锈钢脱氧热力学研究

以抽锭式电渣重熔304NG不锈钢用Ca F₂-Al₂O₃-Ca O-Mg O-Si O₂渣系为研究对象,基于分子离子共存理论(IMCT)和Wagner-Chipman模型进行脱氧热力学研究,分析不同脱氧制度对钢中O、Al、Si及渣中Fe O质量分数的影响。研究结果表明,在无脱氧剂条件下,钢中的Al、Si先后被渣中的Fe O氧化,平衡时Al的氧化率为61.3%、Si的氧化率为9.7%,而O的增加量为75.1%;当采用Al,Ca Si,Al+Ca Si脱氧时,渣中Fe O质量分数分别能降低至0.12%,0.24%,0.10%;与单独使用Al,Ca Si相比,Al+Ca Si复合脱氧剂不仅具有良好的氧势控制能力,而且钢中Al、Si相对于电极原始质量分数变化幅度较小;在电渣重熔过程中,钢中O的质量分数由Al-O平衡决定。     

含铝钛合金电渣重熔中的渣系设计及脱氧热力学

以炉渣离子、分子共存理论为基础,1Cr21Ni5Ti钢为研究对象,Al为脱氧剂,根据熔渣-金属中各个组元的平衡反应和质量守恒,建立了脱氧热力学模型,并在脱氧基础上设计了渣系.在脱氧剂Al不同的加入量条件下对1Cr21Ni5Ti钢中的Si,Al,Mn的平衡质量分数和渣中Ti O2的需求量进行了计算,Ti O2的加入保证了钢中Ti的含量.结果表明:随脱氧剂Al的增加,Si,Al,Mn,Al2O3的平衡质量分数呈上升的趋势,Si O2,Fe O,Mn O以及渣系中Ti O2的设计量呈下降的趋势;当Al加入量达到0.2%后,渣中不稳定氧化物含量很低,大部分Al进入到钢液中,造成钢液增[Al].根据1Cr21Ni5Ti的Si,Al,Mn的成分要求,得到Al的最大加入量为0.15%/吨钢,此时渣系中Ti O2的设计量为4%,达到保钛的目的.     

大型板坯电渣重熔过程的脱氧热力学模型

以12Cr2Mo1R钢所用渣系为研究对象,选择Al作为脱氧剂,建立脱氧热力学模型.在不同的Al添加量条件下对12Cr2Mo1R钢熔渣-金属界面处各物质的平衡质量分数进行计算,分析各物质平衡质量分数随Al添加量的变化规律,为在给定Al添加量条件下进行终点成分预报,以及根据钢种成分要求选择Al添加量范围提供理论依据.结果表明,随Al添加量的增加,Si,Mn,Al,Al2O3的平衡质量分数呈上升趋势;SiO2,MnO,FeO的平衡质量分数呈下降趋势.若仅从Si,Mn,Al成分合格的角度考虑,Al的添加量占吨钢的百分比不能超过02%.     

熔体结构对钢包渣脱氧速率的影响

采用熔渣脱氧实验、动力学分析和实验渣熔体结构分析,对熔体结构对钢包渣脱氧速率的影响进行研究。研究结果表明:初始Al2O3的质量分数和碱度(二元碱度,w(CaO)/w(SiO2))对熔渣初始脱氧速率具有重要影响;铁离子扩散是熔渣脱氧反应的控制环节;随Al2O3的质量分数的提高,熔渣聚合程度增强,黏度升高,铁离子平均扩散直径减小,铁离子扩散系数先增大后减小;随着碱度增大,熔渣聚合程度减弱,黏度降低,铁离子平均扩散直径增大,铁离子扩散系数也呈先增大后减小的趋势;铁离子扩散系数变化趋势与熔渣初始脱氧速率变化趋势相一致。为提高LF精炼过程钢包渣脱氧速率,LF(Ladle furnace)精炼前钢包渣改质的成分调整控制目标为:w(CaO)/w(SiO2)=4~5,w(Al2O3)=18%~20%。     

SiMg、Al单独及复合处理对铁液中夹杂物的影响

在高温钼丝炉内向铁液中加入SiMg合金、Al及复合添加这两种脱氧剂进行脱氧,并改变其添加顺序,分析过程样中溶解氧、全氧、残镁量及夹杂物随时间的变化.结果表明:1873K时,铁液中复合添加0.02%(质量分数)的SiMg和0.03%(质量分数)的Al脱氧,其脱氧程度与只用0.05%的SiMg脱氧相当,而镁的收得率得到提高.SiMg/Al处理的试样中夹杂物数量随时间的变化与只用SiMg处理时一致,而Al/SiMg处理的试样中夹杂物数量随时间的变化与只用Al处理时一致.     

新型Al基复合脱氧剂脱氧效果研究

Al作为炼钢脱氧剂单独脱氧时易烧损,导致利用率较低;同时,其脱氧产物Al2 O3熔点高,形状不规则,不易在脱氧过程中上浮排出,造成水口堵塞,恶化钢材质量。为了提高铝的脱氧效率,同时使脱氧产物Al2 O3能快速从钢液中上浮排出,本文研究了一种以金属铝为有效脱氧组分,低熔点氧化物渣系为载体的新型复合脱氧剂。实验表明,使用该脱氧剂不仅可以保证钢液中溶解氧的质量分数在10×10-6以下,而且脱氧后钢中Al2 O3夹杂物与纯Al脱氧相比尺寸更小、数量更少,较显著地提高了钢材的纯净度,具有良好的脱氧效果。     

Al--Ca复合合金钢水脱氧机理的研究

通过Al-Ca复合合金钢水脱氧的平衡热力学计算,确定了钢液的氧的质量分数在3×10-6~1×10-4条件下,1600℃时的Al-Ca复合合金脱氧产物的稳定区域图.以此为基础,假定钙的收得率为100%,预测了钢液在Al-Ca复合合金Ca/Al质量比为5,加入量为M kg;Al-Ca复合合金Ca/Al质量比为0.2,加入量为M kg;Al-Ca复合合金Ca/Al质量比为0.2,加入量为0.2M kg三种不同脱氧制度下夹杂物的演变历程.结果表明,在Ca/Al=5,复合合金加入量使初始钢液中的[Ca]为0.01%,[Al]为0.002%时,夹杂物在钢液精炼过程中的演变历程为:12CaO·7Al2O3(l)/CaO·Al2O3(l)→CaO(s)→12CaO·7Al2O3(l)/CaO·Al2O3(l)→CaO(s)→12CaO·7Al2O3(l)/CaO·Al2O3(l),并确定了固态和液态脱氧产物在脱氧过程中交替形成为最理想的Al-Ca复合合金脱氧制度,可为钢铁企业脱氧剂的选择和应用提供参考和借鉴.     

Al2 O3对连铸保护渣中氟浸出的影响

为了消除保护渣在使用过程中氟溶解到水中造成的危害,提出了开发高Al2 O3含量的保护渣.研究了不同含量的Al2 O3对保护渣熔渣水浸液中F-质量浓度和pH值的影响,并利用X射线光电子能谱分析了Al2 O3含量对保护渣熔渣结构的影响.当Al2 O3的质量分数为4%时,保护渣迁移到水中的F-质量浓度为22.8~35.4 mg·L-1,pH值的变化范围为4.0~9.5;当Al2 O3的质量分数由4%增加到34%,F-质量浓度和pH值的变化范围均是先急剧减小后略有增加的趋势. X射线光电子能谱分析显示：增加保护渣中Al2 O3的含量时,保护渣中Al2 O3通过形成Al—F共价键,抑制了氟的浸出.控制保护渣中Al2 O3的质量分数在16%~34%的范围,则实验水样中F-质量浓度在4.0~10.0 mg·L-1的范围,pH值在6.5~7.5的近中性范围,可减弱氟浸出造成的危害.     

转炉冶炼船板钢渣洗工艺的开发研究

为了通过改进转炉渣洗精炼工艺而减缓LF炉的作业压力,本文对转炉渣洗工艺进行了系统的理论阐述及工业实验.在工业实验中,采用铁水脱硫—转炉冶炼—出钢渣洗—氩站处理—连铸机浇注的生产工艺,在转炉出钢过程中投掷脱氧剂进行渣料造渣,通过吹氩搅拌为出钢过程创造良好的反应动力学条件以脱氧和脱硫,将氧的质量分数控制在2×10-5以内,过程脱硫率达到了45%～65%.而且因该工艺处理时间短,与普通LF工艺相比其回磷量更低.另外,由于熔渣的保温作用,使得中间包温降达到与LF温降相当的程度.     

FeV50合金浇铸沉降理论的应用及其影响因素

采用近似无限大流体重力沉降原理分析了多期法FeV50合金浇铸过程渣金分离及浇铸渣层钒的分布规律,考察了熔渣黏度、沉降粒度、浇铸温度、渣层厚度以及保温制度对渣中钒含量的影响.结果表明,浇铸渣中钒的赋存形式除了未还原完全的钒氧化物之外,还存在部分未完全沉降的初级合金;合金沉降速度随合金粒度的增加而增大,随熔渣黏度的增加而减小.1850℃条件下,当渣层厚度为50 mm,熔渣组分质量分数为65.2%Al2 O3、15.5%CaO、14.6%MgO、1.9%Fe2 O3、0.9%SiO2时,粒径为100μm的合金沉降时间及熔渣上浮时间分别为24.9和1.2 min.基于此,进行浇铸工艺优化试验,在渣层厚度35 mm,浇铸温度1900℃、熔渣主要成分质量分数Al2 O360%~65%、CaO 15%~20%、MgO 9%~15%、浇铸锭模保温层厚度9 cm的条件下,浇铸渣中平均TV质量分数由1.39%降低至0.58%.     

铝热还原制备Ti-6Al-4V合金的热力学和动力学

分别对Al-TiO₂，Al-V₂O₅，Al-V₂O₅-TiO₂及Al-V₂O₅-TiO₂-CaO体系的热力学和动力学进行了研究.结果表明:采用铝粉直接还原TiO₂，V₂O₅粉末制备Ti-6Al-4V合金是可行的.加入CaO会降低体系单位质量反应热，需要补热才能维持反应进行.Al还原TiO₂的反应在951℃发生，表观活化能E₁为166.47kJ/mol，反应级数n₁为0.3982;Al还原V₂O₅的反应在946℃发生，表观活化能E₂为392.72kJ/mol，反应级数n₂为1.0618.Al粉还原V₂O₅和TiO₂制备Ti-6Al-4V合金体系的反应在1019℃左右发生，表观活化能E₃为173.56kJ/mol，反应级数n₃为0.4722;加入CaO后，反应在979℃左右发生，体系表观活化能升高但反应级数降低.这四个体系均属于液-固反应体系.     

熔融铁粉捕集回收废催化剂中金属钯

根据FactSage 6.4计算的渣系等温相图，选取w(Al₂O₃)为30%左右的高铝体系为目标熔渣，采用中频感应炉熔炼，铁粉为捕集剂对废催化剂中的钯元素进行了回收.研究了熔渣体系二元碱度及捕集剂用量等对钯回收率的影响，分析了合金、尾渣成分及其微观形貌.结果表明，当熔炼温度为1550℃，熔渣体系二元碱度m_CaO/m_SiO2为0.6，m_铁粉/m_废催化剂为0.2时，钯元素回收率高达99%以上，回收效率最佳.尾渣呈深绿色玻璃态，钯含量低于5g/t，铁合金中富集钯的质量分数为0.76%，实现了废催化剂中钯资源的高效回收.     

不锈钢渣凝固过程中物相转变的热力学分析

采用热力学软件FactSage6.2，研究不锈钢渣凝固过程中的物相转变规律.结果表明:降低碱度和添加Al₂O₃含量均能降低硅酸二钙的析出温度，抑制硅酸二钙的产生，并促进黄长石相的生成.不锈钢渣中尖晶石相的含Cr量随着碱度的降低而增加，当碱度从1.6降到1.0时，Cr质量分数从24.93%增加到48.27%，同时凝固过程液态渣中的铬元素含量随着碱度的降低也有所减少.添加10%的Al₂O₃，有利于尖晶石相的析出，且随着温度的降低，Al³⁺逐步取代尖晶石中的Cr³⁺，尖晶石相中的Cr质量分数也由30.39%(1500℃)降低至13.88%(1300℃).     

钛渣电弧炉中的多物理场和还原反应模型

针对电弧炉操作参数的选取与控制，建立了一个物料、钛渣、铁水三相传输与反应过程的三维多物理场模型.基于有限体积法，求解模型方程，结果表明:焦耳热、温度场和电压压降都主要集中在熔池表面接近电极的区域，表现出多物理场的强耦合性和不均匀性；熔池沿横向的扩张随着时间的推移而明显减缓，直至稳定在炉壁附近，形成挂渣层；料层内钛精矿和焦炭的质量分数影响还原反应发生的位置，使之不断向炉膛入料口移动；电炉入料量与反应速率拥有相似的变化趋势，当炉况趋于稳定时，钛渣生成速率为2.4kg·s^-1，铁水生成速率为1.5kg·s^-1，主料口、副料口和炉心料口的质量流量之比为20∶22∶9.     

转炉渣中磷的微观结构行为

为了设计合理的转炉渣成分以达到满意的脱磷效果，根据转炉炼钢过程熔渣成分的变化范围，采用拉曼光谱测定了CaO-SiO₂-Fe_○xO-P₂O₅系熔渣的熔体结构，并解析了磷在熔渣中的存在形式及转变行为.结果表明，熔渣中磷主要以桥氧数为0，1，2的磷氧四面体结构单元存在，并可进入硅氧四面体和铁氧四面体形成Si—O—P和Fe—O—P键.随着渣中CaO和FeO总量的增加，熔渣中聚合程度较低的Q⁰(P)，Q¹(P)和Q⁰(Si)，Q¹(Si)摩尔分数升高，而聚合程度较高的Q²(P)和Q²(Si)，Q³(Si)摩尔分数降低.另外，Fe—O—P和Si—O—P键的含量也逐渐降低，当碱度为2.83时，Si—O—P和Fe—O—P键消失.     

电渣重熔过程钢中氧含量预测及控制

为降低电渣钢锭中的总w_○O,建立了预测界面传质速率的同步反应热-动力学模型,对电渣重熔过程的氧传递行为与电磁-流动-传热-传质进行耦合分析,并提出钢液中w_○O的控制方法.结果表明,随重熔过程的进行,熔渣中w_○FeO和钢液中w_○O均升高,呈现重熔前期“脱氧”、后期“增氧”的现象,渣池-电极端部和渣池-金属熔滴界面是w_○O升高的主要位置.当电流为1200~1800A时,熔炼相同长度电极时的钢液中w_○O从82.4×10^-6降低到70.6×10^-6;采用惰性气体保护,使钢液中w_○O从78.7×10^-6降低到15.3×10^-6;使用70% CaF₂+30% Al₂O₃渣系控制钢液中w_○O的效果最佳,低w_○Al2O3的渣系有利于降低钢液中w_○O.     

低碳含铝钢20Mn2精炼渣系CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2的优化

通过对低碳含铝钢20Mn2精炼过程的取样分析,得出精炼渣的熔化温度偏高,渣中存在大量固相CaO,并导致钢中含有CaO类夹杂物,精炼渣吸附夹杂物能力差. 利用FactSage热力学计算,从渣的低熔点区域控制和渣-钢反应这两个方面对渣系进行研究与优化. 结果表明,CaO/Al2 O3 质量比在1. 5左右添加质量分数为3% CaF2 可以有效降低渣的熔化温度,渣的熔化温度随着CaF2 含量的升高呈现先降低后升高的趋势,MgO的质量分数控制5%左右低熔点区域面积达到最大. 在SiO2 质量分数大于30%区域,钢中氧含量大体上随着CaO/Al2 O3 质量比的增加而降低,在SiO2 的质量分数低于30%区域随着CaO含量的升高而降低,钢中酸溶铝含量在SiO2 含量高的区域随着Al2 O3/SiO2 质量比的增加而升高,在SiO2 含量低的区域随着CaO/SiO2 质量比的增加而增加. 根据热力学分析结果得出合理的渣系范围:CaO 50% ~60%, Al2 O3 20% ~35%, SiO2 5% ~10%, MgO 5% ~8%, CaF2 0~5%. 优化渣系的实验结果表明,优化后渣系熔化温度降低,钢中夹杂物数量、面积和平均尺寸均有明显下降.     

由钾长石焙烧渣的酸化溶液制备高纯Al(OH)_3

以钾长石焙烧渣的酸化溶液为原料,Na_2CO_3溶液为沉淀剂制备高纯Al(OH)_3.实验考察了溶液终点pH值、反应温度、陈化时间、Na_2CO_3质量浓度对沉铝率的影响,得到优化工艺条件.采用化学成分分析,XRD,SEM,FTIR对Al(OH)_3粉体进行表征.结果表明:在反应温度50℃的条件下,加入质量浓度为300 g/L的Na_2CO_3溶液调节Al_2(SO_4)_3溶液,使其终点pH值至4.8,控制陈化时间40 min,沉铝率可达99%.得到的Al(OH)_3粉体为非晶态结构,颗粒均匀,表面粗糙,有团聚现象.