板坯凝固过程夹杂物运动行为

 本文使用离散相模型,利用数值模拟的方法对结晶器中的钢液流动、传热、凝固以及夹杂物的运动进行了耦合计算。通过追踪夹杂物的运动轨迹,并在钢渣界面处对夹杂物进行采样分析,最终计算出夹杂物在结晶器中的上浮率。研究表明,夹杂物在结晶器中的上浮率与其尺寸及拉速的大小均有关系,但受夹杂物密度的影响很小。夹杂物越大、拉速越小,越有利于夹杂物上浮至自由液面。小颗粒夹杂在结晶器中并不能被有效去除。对于粒径为50μm的夹杂物,当拉速为1m/min时其上浮率仅为46%,有37%的夹杂物被凝固坯壳捕捉,主要分布在铸坯表皮下10~25mm处。夹杂物被宽面坯壳捕捉的位置多集中在宽面靠近窄面处,在水口下方被捕捉的夹杂物较少。以往的研究认为只要夹杂物上浮至钢渣界面就能够被保护渣吸收,J.Strandh等的研究表明,夹杂物能否被吸收还取决于保护渣的粘度和润湿性等因素。因此,对于粒径较小的夹杂物,必须在精炼后的软吹氩过程中适当增大钢液的静置时间,尽量减少钢液中小颗粒夹杂的数量。另外,结晶器保护渣的选用对钢液中夹杂物的去除也很重要,不仅要满足其对钢液的保温润滑作用,还要考虑其对夹杂物吸附的影响。     

钢?渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展

钢中夹杂物的去除一直是洁净钢研究的热点,对于提高钢材质量、保障产品性能具有重要意义。钢液中夹杂物主要通过上浮至顶渣被吸收而去除,这个过程可细分为夹杂物在钢液中长大上浮、在钢?渣界面穿越分离、在熔渣中被吸附溶解3个步骤。钢?渣两相的物性差异及界面特性导致不符合条件的夹杂物无法穿过界面与钢液分离,这使得该步骤成为夹杂物去除的决定性环节,且由于钢?渣两相周围快速的物性过渡、并行的物理化学现象以及高温、不透明等特性影响,使该步骤研究难度增大。近年来,随着数值模拟技术和高温实验设备的进步,夹杂物穿越钢?渣界面行为的研究取得了一些进展。经典的受力分析模型能够对夹杂物界面行为进行半定量的预测,且对于渣系优化等具有一定的指导作用;计算流体动力学（CFD）模型在研究夹杂物界面现象方面具有优势,但研究尚处于初期,未来有望适用于更大的尺度范围、更多的行为场景和相态;水模型与数值模型相结合是一种有效的研究界面行为的方法,随着实验技术进步,可进一步对微观尺度的界面行为进行研究;高温共聚焦原位观察是研究界面行为最为直接的方法,对于探究夹杂物界面行为极有帮助,有望通过设备改进,更加完整、深入地揭示夹杂物去除的关键机理。      

电渣重熔用含氟渣系界面性质的研究进展

钢的电渣重熔过程主要发生在电极熔化末端熔滴形成阶段,通过渣对钢中夹杂物吸附和溶解的渣洗作用达到提纯和净化钢液的目的,而渣-钢-夹杂物的界面张力密切影响这一过程。本文根据国内外关于电渣重熔过程常用含氟渣系界面性质的研究成果,分析了渣中CaF₂、CaO、Al₂O₃、MgO、Na₂O、SiO₂等组元及温度对熔渣表面张力的影响规律及内在机理,同时总结了渣-钢界面张力随渣、钢成分及熔体温度、熔渣碱度的变化规律。建立电渣重熔用含氟渣系界面性质参数的经验公式和计算模型是该领域的研究方向。     

电渣重熔过程夹杂物运动行为的数值模拟

采用欧拉-拉格朗日法,建立三维瞬态数学模型研究电渣重熔过程中非金属夹杂物的运动行为,并考虑重力、浮力、阻力、升力、附加质量力以及独特的电磁压力对夹杂物运动轨迹方程的影响。电磁压力是由于非金属夹杂物与钢液之间巨大的电导率差而产生的,该力可使非金属夹杂物向壁面定向运动,从而促进夹杂物去除。考察了5种粒径的夹杂物在电流强度为1 200、1 500和1 800A时的运动行为和去除率,并进行了实验验证。结果表明,超过90%的夹杂物在渣池与空气接触面和渣池与结晶器侧壁接触面上被捕获,剩余夹杂物仍随熔渣运动,不到4%的夹杂物会穿过渣金界面进入钢锭中。直径大的夹杂物去除率大于直径小的夹杂物。随着电流强度的增加,不同粒径夹杂物的去除率均有所增加。     

铝镇静钢中夹杂物形态对其去除的影响

为了研究夹杂物形态对其去除的影响,采用工业试验研究分析了钢中夹杂物的种类与全氧质量分数的关系,并通过水模型试验研究了夹杂物在钢-渣界面的去除行为,讨论了固态夹杂物和液态夹杂物的去除行为差异。试验结果表明,在RH精炼前对钢液进行钙处理会严重限制RH去除夹杂物的能力,因而这种方法并不适合于对全氧要求严格的钢种;夹杂物的形态对其在钢-渣界面的分离有重要的影响,相比固态夹杂物,液态夹杂物在钢-渣界面的分离需要更长的时间,在其未彻底分离之前很有可能会被钢液流动再次带回钢中,因而更难去除。为了获得更低的全氧质量分数,在铝镇静钢的精炼过程最好能使夹杂物保持固态并且与钢液不浸润。     

30Cr1Mo1V汽轮机转子钢的精炼渣优化

摘要：为有效控制30Cr1Mo1V汽轮机转子钢中非金属夹杂物和有害杂质元素含量,利用热力学软件FactSage 8.1,计算了1873K下CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO系精炼渣与30Cr1Mo1V钢液平衡时的等［O］线、等［S］线,以获得最优精炼渣成分范围。研究了不同精炼渣对钢中氧、硫含量,夹杂物特性的影响,继而揭示了钢中典型MgO·Al2O3夹杂物的热力学形成机制以及夹杂物与精炼渣之间的成分关系,并构建了“钢 渣”界面MgO·Al2O3夹杂物运动模型。实验和模型结果表明,优化渣系50.4%CaO-40-3%Al2O3-4.3%SiO2-5%MgO对钢液脱氧、脱硫和非金属夹杂物控制的效果明显,模型预测结果与夹杂物去除率对应关系良好。     

高端抗硫管线钢非金属夹杂物研究

采用扫描电镜和大样电解等检验方法对抗硫管线钢的冶炼过程试样和连铸坯中夹杂物的数量、尺寸、成分、形貌进行系统分析。结果表明:钢液经过LF精炼后,显微夹杂物的面积比降低了34.7%;中间包钢液的夹杂物面积比较VD出站增加了6.1%。LF进站钢液中的夹杂物主要为Al_2O_3夹杂物,在LF精炼和VD真空处理过程中由于钢渣间的相互作用,形成以CaO、MgO、Al_2O_3为主要组成的复合型夹杂物。钙处理后夹杂物中的CaO和Al_2O_3的物质的量比接近12∶7,并与钢液发生了脱硫反应,形成了含CaS的复合夹杂物。中间包开浇阶段铸坯中的显微夹杂物和大型夹杂物都明显高于稳定浇铸状态;在稳定浇铸状态下,铸坯中的w(T[O])小于15×10~(-6),大型夹杂物的含量小于0.2 mg/kg;大型夹杂物的主要来源是钢包引流砂、结晶器保护渣。     

上浮速度对钢渣界面夹杂物去除的影响

通过建立夹杂物在钢渣界面及其附近钢液和渣层连续区域的运动模型,研究了上浮速度(Stokes速度,0.1~0.5m/s)对50~200μm夹杂物分离去除的影响。研究结果表明,上浮速度的提高对50μm以下夹杂物在钢渣界面的分离时间影响不大,而会使50μm至150μm的夹杂物分离时间变长,使≥150μm的夹杂物分离时间缩短,对于150μm的夹杂物上浮速度由Stokes速度提高到0.5m/s时,夹杂物分离时间由260×10^-5s缩短到6×10^-5s。     

六流T型中间包夹杂物去除行为的数值模拟

以41 t圆坯连铸中间包为研究对象,运用ANSYS软件,结合流动模型、拉格朗日离散相模型模拟钢液流动和夹杂物行为。通过用户自定义函数为中间包钢渣界面的边界条件设置了一种新的判定标准,即根据夹杂物的受力情况判定夹杂物上浮去除或进入钢液。通过数值模拟计算中间包出口处夹杂物数密度,并与工业试验结果对比,发现新的判定标准较传统的捕捉(trap)边界条件具有更高的计算精度。基于上述模型计算了稳态浇铸过程中间包内不同粒径氧化铝夹杂物的上浮时间、上浮位置及去除率。上述结果为更好地研究中间包内夹杂物行为提供了支撑。     

连铸保护渣与氧化铝的交互作用研究现状

保护渣中Al2O3质量分数变化是渣钢交互作用的结果,包括吸附钢液中Al2O3夹杂和渣金反应产物。氧化铝对保护渣成分与性能稳定性影响突出,进而影响铸坯质量。分析指出,影响保护渣吸附Al2O3夹杂的因素包括接触角、润湿速率和界面张力、熔渣成分和性能等。熔渣与夹杂物的交互作用行为决定了其对上浮夹杂的去除率。高铝钢连铸过程渣金反应尤为突出,保护渣的工作性能将发生明显改变。基于近年关于Al2O3夹杂的吸附溶解试验研究,以及高铝钢浇铸渣金反应及其保护渣性能变化的研究结果,探讨了通过合理设计保护渣成分或更换渣系等措施来实现该类钢种保护渣工作性能的相对稳定性。     

Investigation of inclusion re-entrainment from the steel-slag interface

The mechanism of inclusion elimination from continuous steel casting is investigated at the steelslag interface. Inclusion impact at the interface is considered under the concept of energy balance, with buoyancy forces, fluid dynamic forces, interfacial adhesion, and rebound forces determining whether the particle will pass through the interface or be retained by it. The effects of the inclusion, slag, and steel properties, as well as the effect of inclusion impact velocity, are considered at the interface. The interfacial tension between the slag and the inclusion should be smaller than that between the steel and the inclusion (negative wettability), so that the inclusions can pass into the slag layer and avoid re-entrainment. The inclusion particles that reach an equilibrium state at the steel-slag interface are subject to re-entrainment back into the steel, due to lift forces applied to them by the turbulent boundary layer at the interface. A removal criterion dependent upon the shear stress is introduced, and then the removal rates are calculated from the turbulent burst theory. It is found that the smaller diameter inclusions are trapped at the interface. Of the particles that remain at the interface, it is the larger ones that are more easily removed by the lift forces due to the turbulent shear stress. High slag viscosity is desirable, since it makes inclusion re-entrainment into the casting product more difficult.     

吹氩精炼钢包内非金属夹杂物去除机理

 通过物理模拟试验,研究分析了底吹氩精炼钢包内夹杂物去除机理以及吹氩量对其的影响规律。结果表明：钢包中夹杂物的上浮主要是通过上升的钢液流携带,底吹氩量对夹杂物在钢包表面的钢-渣界面去除行为存在重要影响。吹氩量较小时,钢-渣界面稳定,夹杂物在浮力、毛细作用力等共同作用下穿过平坦的钢-渣界面而被吸收;吹氩量较大时,钢-渣界面波动大,渣眼周围发生卷渣,夹杂物被卷入的液滴吸收,随液滴进入渣层;吹氩量大,渣眼周围形成渣泡,夹杂物被渣泡吸收,随渣泡进入渣层。吹氩量达到一定时,夹杂物被钢-渣界面的吸收成为其被去除的限制性环节,且吹氩量较大时夹杂物去除效果最差,为实际吹氩精炼过程吹气量的控制提供了指导。     

钢铁冶金过程中的界面润湿性的基础

首先介绍了界面张力和接触角的基本概念,并总结了对于高温体系,常见的界面张力以及接触角的测量方法,重点对实验过程中最常使用的座滴法进行了分析.在冶炼过程中,体系的组成,尤其是钢液中的表面活性元素以及渣中的表面活性组分能显著影响界面润湿性,同时温度对界面润湿性的影响也不可忽略.因此系统分析了这两个主要影响因素对界面润湿性的影响.最后,总结了钢铁冶金过程中常见物质间的接触角和界面张力.      

钢铁冶金过程中的界面现象

从界面润湿性的角度,对一些冶炼过程中的常见界面现象进行了详细分析.对于渣的泡沫化过程,主要分析了润湿性对渣的泡沫化指数的影响;对于铁水和钢液脱硫过程,主要分析了对脱硫速率和脱硫剂的利用率以及穿透钢液速率的影响;对于钢液与熔渣对耐火材料的侵蚀过程,主要分析了对耐火材料在熔渣中的饱和溶解度、熔渣在耐火材料中的侵蚀深度以及耐火材料的侵蚀速率的影响;对于钢中夹杂物的运动过程,主要分析了对钢中夹杂物的形核、聚集、去除、空间分布等影响.同时,本文总结得出了对于这些实际冶炼过程有利的界面润湿性.      

精炼渣与高锰高铝钢液的相互作用

摘要：为了研究精炼渣与高锰高铝钢液相互作用规律,以CaO-5%SiO2-Al2O3-8%MgO精炼渣与Fe-15Mn-10Al-0.7C高锰高铝钢液在1600℃的渣金反应为研究对象,分别在渣金反应5、15、30、60和90min时取钢样和渣样,通过钢液和渣成分变化进行了渣金反应动力学计算。结果表明：整个渣金反应过程中,钢液中［Al］和渣中SiO2不断降低、渣中Al2O3不断增加;精炼渣与高锰高铝钢液反应前期限制性环节为［Al］在边界层的传质,反应后期渣成分发生改变、黏度升高以及渣中固相颗粒形成,使得SiO2在渣中的传质条件恶化,SiO2向反应界面的传质成为渣金反应的速率限制环节;精炼渣与高锰高铝钢反应分3个阶段：初期反应剧烈、中期渣金界面形成尖晶石层并阻碍渣金反应、后期反应趋于稳定。     

帘线钢冶炼过程夹杂物转变的控制

研究的帘线钢的冶炼流程为150 tLD-RH-LF-软吹氩-CC工艺。通过LD出钢时加入Si-Mn脱氧,并在LF加入低碱度顶渣进行钢渣反应控制钢中非金属夹杂物的塑性。结果表明,RH-LF-中间包和铸坯阶段,钢中主要夹杂物分别为MnO-Al₂O₃-Si0₂(RH),Ca0-Al₂O₃-Si0₂(LF)和MnO-Al₂O₃-SiO₂(中间包和铸坯),采用Si-Mn脱氧和SiC扩散脱氧,低碱度低Al₂O₃顶渣精炼,控制T[O]≤20×10-6,[A1]s≤0.0013%,可有效控制钢中夹杂物数量和尺寸,以及控制夹杂物中Al₂O₃含量并形成可塑性夹杂。     

精炼渣和氧含量对钢帘线盘条夹杂物和断丝指数的影响

试验研究了钢厂BOF-LF-CC-高速线材轧制流程LF二元精炼渣60CaO-40SiO₂、[O]27×10^-6,和三元精炼渣47.5~50.2CaO-41.8~45.7SiO₂-5~8 Al₂O₃、[O]12×10^-6~14×10^-6 对φ5.5 mm盘条中夹杂物种类、形貌、尺寸和数量的影响以及拉丝合股过程断丝指数的影响。结果表明,[O]较高、采用二元渣系精炼的盘条中夹杂物尺寸一般存7μm以上数量较多,Al₂O₃含量较高,且集中在盘条表面深度1 mm以内,断丝指数为2.5; [O]较低,采用三元渣系精炼的盘条中夹杂物SiO₂含量较高,Al₂O₃含量较低,大部分夹杂物尺寸为~5μm,盘条表面没有较大尺寸的夹杂物,断丝指数为1.0~1.5,所以F采用含5%Al₂O₃的三元渣精炼,控制[O]≤15×10^-6,降低钢中夹杂物数量和尺寸可显著改善钢帘线的拉拔性能。      

Research Status of Numerical Simulation of Nonmetallic Inclusions Interfacial Removal

The removal of inclusions in liquid steel has always been the focus of research, and the removal of inclusions is mainly through the process of the inclusion through the slag–steel interface. The inclusion removal process can be subdivided into inclusions in molten steel grew up rise, in steel–slag interface through separation, adsorb dissolved in molten slag 3 steps. Based on the microscopic process of three steps, this article summarizes and discusses the mathematical model, fluid mechanics model, and experimental verification method of inclusion removal process, analyzes limiting and influencing factors of inclusion removal process, and comprehensively describes the numerical simulation research progress of inclusion removal process. With the development of numerical simulation techniques and experimental equipment, some progress has been made in the study of interfacial removal of inclusions. The inclusion interface removal behavior can be analyzed semiquantitatively based on dynamic force model. The computational fluid dynamics model has advantages in studying the phenomena of the inclusion interface, and the phase-field method is often used to simulate the removal process of the inclusion interface. The combination of water model and numerical simulation, high-temperature laser confocal method, and other methods is of great help to explore the interface behavior of inclusions.