钢液中Al_2O_3夹杂物颗粒布朗碰撞聚合的三维可视化数值模拟研究

在应用分形理论对凝聚态Al2O3夹杂物形貌结构进行定量分析的基础上,建立了不同尺寸形貌凝聚态Al2O3布朗运动的控制方程。使用Matlab编程,对不同初始条件下钢液中微观区域内Al2O3夹杂物颗粒之间布朗碰撞聚合过程进行了可视化数值模拟研究。研究结果表明:钢液中微观区域内细小Al2O3夹杂物颗粒的布朗运动是大尺寸凝聚态Al2O3生成的重要原因。夹杂物粒子体积浓度和布朗运动步长对其布朗碰撞聚合过程影响较大。在高体积浓度、大运动步长的条件下,Al2O3夹杂物颗粒之间的布朗凝聚速率较大,同时更容易形成大尺寸、结构致密的凝聚态Al2O3。     

Ti-Mg复合脱氧钢中夹杂物细化机制

为了探讨钢中细小夹杂物的形成机制,采用扫描电镜和能谱仪表征了钢中夹杂物的形貌、尺寸、成分及数量,理论计算了脱氧产物的生成优势区图,讨论了夹杂物长大的影响因素.钢中夹杂物的组成以MgO-A12 O3-TiOx为核心,表面包裹析出MnS,钢液中未发现单独的Al2O3和TiOx夹杂;夹杂物的形貌为近球形,平均尺寸为1μm左右,数量在1000 mm-2以上.镁含量较高的钢中含有少量以MgO-Al2O3和MgO为核心的夹杂物,不利于夹杂物的球形化,镁含量宜控制在50×10-6以下.镁的脱氧能力强,形核临界尺寸小、形核数量多以及钢液中镁、铝和钛复合脱氧的高熔点产物的特性有效地控制了钢中夹杂物的扩散与碰撞长大趋势.     

50Cr5MoV钢中非金属夹杂物行为

对采用"EBT→LF→VD"工艺路线生产50Cr5Mo V锻钢轧辊炼钢过程全氧和夹杂物进行了分析.结果表明:LF精炼后钢液中ω(T[O])平均为47×10-6,VD出站为14×10-6,中间包为15.5×10-6,铸坯为18×10-6.LF精炼初期,钢中夹杂物主要是不规则的Al2O3夹杂,96.75%的夹杂物尺寸小于10μm.LF精炼后,大量夹杂物为Ca O-Al2O3-Si O为主要成分的0~10μm复合氧化物夹杂.钢水向中间包转移过程中保护性浇注不理想,二次氧化严重导致钢水夹杂逐渐增多,主要为球形m Ca O·n Al2O3的复合夹杂物.铸坯中99.81%的夹杂物尺寸小于10μm,其中大部分为球形钙铝酸盐夹杂,还有少量球状硅铝酸钙复合夹杂.全过程的工艺优化是控制夹杂物(主要是氧化物)的合理途径,可确保实现50Cr5Mo V合金铸钢的冶炼.     

交换钢包过程对IF钢连铸板坯表层洁净度的影响

采用ASPEX扫描电镜中的自动特征分析功能研究了交换钢包过程(取样浇次第4、5炉)对IF钢连铸板坯表层的洁净度的影响,且对比研究了交换钢包过程浇铸铸坯(交接坯)与正常浇铸铸坯(正常坯)的表层洁净度.结果表明:正常坯与交接坯中尺寸大于20μm的表层夹杂物可分为三类:(1)簇群状Al2O3(包括气泡+簇群状Al2O3);(2)簇群状TiOx--Al2O3夹杂物;(3)保护渣夹杂物.正常坯表层的大型夹杂物主要为簇群状Al2O3,没有检测到保护渣夹杂物.换包开浇后铸坯总氧质量分数从14×10-6增至17×10-6,交接坯表层检测到较多的第2夹杂物,说明钢包开浇后钢水被轻微氧化.此外,钢包开浇后剧烈的液面波动也导致了保护渣的卷入.在当前工艺下,换包对IF钢铸坯表层洁净度的影响长度约为11m.     

铝、镁脱氧钢中夹杂物的动态演变规律

本研究制备了不同氧、硫含量的实验钢,采用SEM-EDX和CSLM探讨了钢中夹杂物类型及高温演变规律.结果表明,脱氧生成的MgO大多为球形,而MgO·Al2O3呈现不规则形状.单独铝脱氧钢中Al2O3夹杂物通过移动、碰撞、聚合的方式形成大型簇团.铝镁复合脱氧钢中夹杂物形貌和动态演变随着［Al］,［Mg］和［S］含量的变化呈现出不同的现象.当［Mg］,［Al］含量满足MgO生成条件时,夹杂物无明显聚合现象,呈弥散分布的特征;当［Mg］,［Al］含量位于MgO·Al2O3生成区域时,未观察到团簇状夹杂物出现,但夹杂物粒径较MgO大;当夹杂物成分同时满足MgO和MgS生成条件时,夹杂物聚合趋势明显,推测是硫化物的形成促进了夹杂物的聚合现象.     

石油钻杆钢冶炼过程中夹杂物的析出和衍变

系统分析了国内某钢厂复合脱氧工艺下Cr Mo石油钻杆钢夹杂物在EAF-LF-VD-CC流程中的析晶和衍变规律.由于铝酸盐的上浮,LF冶炼前钢中T[O]含量较低,冶炼过程中氮含量逐渐升高.电镜下钢中大尺寸夹杂物(50μm左右)只出现在LF-VD阶段,主要为低熔点的硅锰酸盐、包含Na2O的混合物和含有少量Ca O的镁铝尖晶石,中间包阶段大尺寸夹杂物完全消失.小尺寸夹杂物(<10μm)出现在精炼全过程中,主要成分是Mg、Al、Si和Ca的复合氧化物、Ca S以及二者的复合物,LF冶炼前到中间包阶段小尺寸夹杂物粒径相似,铸坯中其粒径稍微增加.随着精炼过程的进行,钢中小尺寸夹杂物的成分逐渐向复合氧化物的低熔点区域转移,夹杂物中Ca O和Mg O含量存在竞争关系.铸坯中大型夹杂物(>100μm)包括卷渣引起的复合夹杂,耐材剥落产生的Mg O-Ca O夹杂和钢液内生的铝酸盐夹杂.内生铝酸盐与精炼过程中小尺寸夹杂物成分相似,外层包覆Ca S,轧制过程中容易破碎成链状引发钻杆钢裂纹.建议适当延长VD处理后钢液的镇静时间,以去除钢中大型铝酸盐夹杂,提高钻杆钢质量.     

气瓶钢精炼过程中的MgO·Al_2O_3夹杂物

研究了EAF-LF-VD-CC流程冶炼气瓶钢30CrMo时精炼过程中含MgO.Al2O3夹杂物的生成和转化,对夹杂物进行了三维分析观察.研究结果表明:LF精炼30min后夹杂物中Mg含量减小,Ca含量增加,MgO.Al2O3夹杂物消失.LF精炼后期Mg含量变化不大,Ca含量减小,未出现MgO.Al2O3夹杂物;VD精炼过程中夹杂物中的Mg含量增加,Ca含量变化不大,重新生成了MgO.Al2O3夹杂物;精炼过程中MgO.Al2O3夹杂物可以向复合夹杂物转变的,但为防止精炼后期MgO.Al2O3夹杂物重新生成必须保证钢液中具有一定的钙含量.     

钙处理过程夹杂物演变及热力学分析

通过检测分析钙处理前后钢中夹杂物的形貌和成分的变化,探讨钢液钙处理过程中夹杂物演变规律.利用热力学计算,优化钙处理工艺.结果表明,钙处理可以将钢液中不规则固态夹杂物改性为球形液态夹杂物;1873 K下,当[ Al ]为0.030%时,[O]控制在5×10-6~17×10-6,[Ca]控制在0.7×10-6~30×10-6,钢中夹杂物变性效果良好;当[Al]为0.030%时,[ S]控制在6×10-6~19×10-6,既能使钢中Al2 O3夹杂生成液态铝酸钙夹杂物,同时又可以减少CaS生成.     

齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究

利用热力学软件计算了齿轮钢氧含量与夹杂物成分控制、夹杂物转变条件.结果表明,20CrMoH钢中具有较高塑性的非金属夹杂物成分(质量分数)为:SiO2 0%～10%、Al2O3 22%～55%、CaO 42%～60%、MgO 5%～10%,与之平衡的钢液中铝的质量分数大于0.020%,钙的质量分数大于0.7×10-6,a[O]为0.0005%左右;选择组成为CaO>40%、Al2O3≤37%、MgO10%、(%CaO+%MgO)/%SiO2为10、SiO2含量尽量低的渣系,钢中Al2 O3、MgO.Al2 O3夹杂物可转变为低熔点的钙铝酸盐.试验发现LF和RH精炼结束时钢液T[O]含量均随炉渣碱度增加而降低,采用高Al2O3含量的炉渣对降低T[O]含量有利;精炼过程钢液中夹杂物按"Al2O3系夹杂物→MgO--Al2O3系夹杂物→CaO--MgO--Al2O3系夹杂物"顺序发生转变,其中MgO--Al2 O3系夹杂物向CaO--MgO--Al2 O3系夹杂物的转变是由外向内逐步进行的,转变速度相对较慢;降低T[O]含量有利于生成较低熔点的CaO--MgO--Al2O3系夹杂物.     

高品质轴承钢LF--VD过程非金属夹杂物演变规律

对国内一钢厂EAF→LF→VD→CC工艺生产的高品质GCr15轴承钢进行系统取样,针对DS类非金属夹杂物随机性强的特点,利用能够进行大面积试样检测的ASPEX自动扫描电镜分析统计钢中非金属夹杂物的成分、尺寸、数量等信息。研究发现：GCr15轴承钢冶炼过程中非金属夹杂物主要为MgO- Al2 O3- CaO复合夹杂物和MnS,同时有少量的SiO2- Al2 O3和MgO-Al2 O3复合夹杂物;夹杂物尺寸主要集中在3~8μm,并有少量DS类夹杂物出现且尺寸范围波动很大,最大可以达70μm以上,形貌为圆形或近似圆形;VD有较强的去除夹杂物功能,经过VD真空精炼,夹杂物中CaO含量有增加趋势;吊包至铸坯过程,夹杂物成分向Al2 O3含量增多的区域移动,最终轴承钢铸坯中夹杂物成分位于高Al2 O3含量(≥80%),少量MgO (<20%)和低CaO(<5%)的区域;DS夹杂物的生成和去除具有较强的随机性。     

帘线钢凝固过程中夹杂物析出

为了充分了解帘线钢中夹杂物,对钢液凝固过程析出夹杂物进行了分析. 结果发现:Al2O3夹杂物在凝固过程中先析出,且Al2O3夹杂物长大的限制性环节为[Al]在钢液中的扩散;当凝固分数为0.44时SiO2开始析出,且SiO2长大的限制性环节为[O]在钢液中的扩散;析出夹杂物的半径随着冷却强度的增大而减小;当冷却速度为100 K·min-1时,凝固末期析出Al2O3夹杂物的半径为2.5 μm,析出复合Al2O3-SiO2夹杂物的半径为4.7 μm;随着凝固的进行,夹杂物中SiO2含量增加,Al2O3含量下降.     

高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究

在工业纯铁熔体中加入纳米Al2O3颗粒,熔炼后得到铸锭试样. 用扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)研究了铸锭金相试样中夹杂物的存在状态及成分. 采用非水溶液电解法分离、收集铸锭中的非金属夹杂物,用SEM及EDS分析了夹杂物的形貌、大小和元素组成. 结果表明,外加的纳米Al2O3颗粒能够在纯铁熔体中稳定存在,并与杂质元素所生成的夹杂物发生复合,复合夹杂物的尺寸为5～10 μm. 纳米Al2O3颗粒一般存在于复合夹杂物的内部. 未发现纳米Al2O3团聚烧结成大于10 μm颗粒的现象. 从热力学和颗粒运动行为方面进一步分析了纳米Al2O3在纯铁熔体中的稳定性和团聚烧结成大颗粒的可能性.     

应用格子 Boltzmann方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为

采用格子Boltzmann方法对钢液中夹杂物上浮及上浮过程中的碰撞行为进行直接数值模拟研究。结果表明,不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的模拟结果和理论值基本一致,表明本文所采用的数值算法能够精确有效地对钢液中固相夹杂物颗粒运动行为进行研究。当钢液中直径为80μm的夹杂物颗粒位于直径为40μm的下方并一起上浮时,直径为80μm的夹杂物颗粒会逐渐追赶上直径为40μm的夹杂物颗粒并发生碰撞形成大尺寸凝聚体,凝聚体的上浮速度显著大于二者单独上浮时的上浮速度。对于直径为40μm的夹杂物来说,形成凝聚体后的上浮速度比单独上浮时的上浮速度增加300%。实际炼钢过程中,采取必要的措施增加夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞凝聚,对于提高夹杂物颗粒的上浮速度,尤其是小尺寸夹杂上浮去除速度,提高钢液的洁净度具有重要的意义。     

IF钢生产过程非金属夹杂物行为研究

对首钢京唐生产IF钢的同一浇次前2炉的RH精炼、镇静和中间包浇铸过程进行了系统取样,并利用Aspex自动扫描电子显微镜分析统计了钢中夹杂物的成分、尺寸等信息.研究发现,Al2O3-TixO复合夹杂物在Ti合金化和二次氧化的情况下都会生成,并随着精炼的进行逐渐转变为Al2O3,这与热力学计算的结果一致;而Al2O3可以作为Al2O3-TixO的形核核心,形成Al2O3-TixO包裹Al2O3的夹杂物,并且在Al2O3-TixO转变为Al2O3的过程中会导致钢滴进入夹杂物内部,从而形成Al2O3包裹钢滴的夹杂物.     

409L不锈钢中镁铝尖晶石夹杂物的生成研究

基于409L不锈钢VOD生产实际,分析了Al脱氧条件下MgO.Al2O3复合夹杂物的组成形态;同时采用热力学计算方法得出1873K时MgO,MgO.Al2O3和Al2O3的平衡相图,研究了MgO.Al2O3夹杂物生成与转变的热力学条件.结果表明,钢水中的尖晶石复合夹杂物中的MgO.Al2O3相呈非晶态结构,夹杂物尺寸在5μm左右.生产过程中,当钢水中Al的质量分数控制在0.04%,w(Mg)≥1.3×10-8时,钢水中即可生成MgO.Al2O3夹杂物;w(Mg)≥9.7×10-7时,MgO.Al2O3开始转变成为MgO夹杂.     

超声与吹氩处理对钢液中夹杂物去除效果的对比研究

为提高钢的洁净度,减少钢中夹杂物含量,采用超声波工具头直接插入高温钢液进行处理的方法,对比研究了超声波处理和吹氩处理去除钢液中夹杂物的效果.结果表明:超声波单独处理可以减少钢液中Al2O3夹杂物,但去除率较低,约为4%～12%;随着超声处理时间的增加和超声波功率的减小,夹杂物去除率提高.吹氩单独处理时,钢液中夹杂物去除率较高,为29%～41%;随氩气流量的增加,夹杂物去除率呈升高的趋势.     

钛合金化过程对钢液洁净度的影响

重点考察了Ti合金化过程中影响Ti收得率的主要因素,并对比分析了Ti合金化前后夹杂物的物相变化及夹杂物的去除效果.控制氧活度a[O]<350×10-6,Al、Ti合金加入时间间隔大于3 min,可以保证Ti收得率>85%;当a[O]>350×10-6时,需控制Al、Ti合金加入时间间隔为5 min以上.相同a[O]和[Al]s情况下,延长Al、Ti加入时间间隔可以有效提高Ti收得率.RH处理过程中,钢包内当量直径>200μm的Al2O3夹杂物在5 min内基本可以上浮去除,但相同尺寸的A-Ti-O复合夹杂的去除时间要比Al2O3长1～2 min.Ti合金加入后,Al2O3夹杂物周围会形成Al-Ti-O的复合夹杂,这些夹杂物的形成降低Ti的收得率.     

钛合金化过程对钢液洁净度的影响

重点考察了 Ti 合金化过程中影响 Ti 收得率的主要因素，并对比分析了 Ti 合金化前后夹杂物的物相变化及夹杂物的去除效果.控制氧活度 a[O]<350×10?6，Al、Ti 合金加入时间间隔大于3 min，可以保证 Ti 收得率>85%；当a[O]>350×10?6时，需控制 Al、Ti 合金加入时间间隔为5 min 以上.相同 a[O]和[Al]s 情况下，延长 Al、Ti 加入时间间隔可以有效提高 Ti 收得率. RH 处理过程中，钢包内当量直径>200μm 的 Al2O3夹杂物在5 min 内基本可以上浮去除，但相同尺寸的 A-Ti-O 复合夹杂的去除时间要比 Al2O3长1～2 min. Ti 合金加入后，Al2O3夹杂物周围会形成Al-Ti-O 的复合夹杂，这些夹杂物的形成降低 Ti 的收得率.     

应用镁蒸气对模具钢中夹杂物变性的研究

D2冷作模具钢最常见的失效形式为磨损失效,改善夹杂物的数量、形态和分布能降低钢的磨损率.利用颗粒镁在高温下生成镁蒸气,并通过高纯氩气携带通入钢液中,考察了镁对钢中非金属夹杂物的变性效果.实验结果表明,镁蒸气通入钢液后,钢中非金属夹杂物尺寸明显变得细小,夹杂物的成分从单纯的Al2O3和Al2O3与Cr,Mo和V等合金氧化物的复合产物向富MgO的MgO和Al2O3复合夹杂物转变.铸态组织的观察结果表明细小夹杂物在钢液中的残存对于凝固和相变过程中钢的晶粒细化有利.     

BOF-LF-CC工艺生产50 CrVA弹簧钢洁净度研究

通过对国内某钢厂BOF-LF-CC工艺生产50CrVA弹簧钢进行全流程连续取样,综合分析了冶炼过程中总氧( T. O.)、N含量变化,非金属夹杂物的衍变规律,以及铸坯中大型夹杂物的特征.结果表明,LF精炼前T. O.和N的平均含量分别为106×10-6和13×10-6,铸坯中分别为15×10-6和39×10-6,LF过程脱氧效果明显;运输和浇注过程存在较明显的二次氧化现象,需要加强大包到中间包的保护浇注;铸坯中夹杂物主要为CaO-Al2 O3-MgO和CaO-Al2 O3-SiO2复合氧化物夹杂,其中Al2 O3含量(质量分数)较高,达到60%~70%,未得到低熔点夹杂物,可通过适当提高精炼渣碱度,或喂入适量钙线促使夹杂物充分转变为成分更加均匀的低熔点夹杂物;大型夹杂物以CaO和CaO-Al2 O3-SiO2-( MgO)球状氧化物为主,还存在一定比例的纯Al2 O3夹杂物,需要延长钢包弱搅拌时间使夹杂物充分上浮.