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      鑄鋼過程中夾雜物的形核、生長、遷移和截留

      鑄鋼過程中夾雜物的形核、生長、遷移和截留

      本文簡要介紹了鑄鋼過程中非金屬夾雜物的形核、長大、遷移和截留??偨Y了該領域目前的主要研究成果和今后應重點研究的課題。


      鋼精煉鑄造過程中的非金屬夾雜物

      在堿性氧氣爐或電爐中生產的鋼在鑄造前被送入鋼包進行合金化和精煉。如圖1所示,第一個精煉步驟是在氬氣攪拌容器中,有時在真空中,通過添加鋁或硅或其他與鐵合金形式的氧具有熱力學親和力的元素,使鋼脫氧。根據元素反應的熱力學穩定性及其形核能力,夾雜物是由元素與鋼中的溶解氧反應形成的。如果形核發生在純液體熔體中,則可以是均勻的;如果存在表面能有利于形核的固體顆粒,則可以是非均勻的。夾雜物的生長取決于與其他顆粒的碰撞、鋼水中的沉淀以及其他機制。在連鑄過程中,鋼包中的鋼水位于中間包上方,底部滑動門打開,開始鋼流進入中間包。中間包中的鋼通過陶瓷浸入式水口(SEN)向下出口,進入結晶器。在噴嘴轉移操作過程中,可能會發生二次氧化,這取決于與噴嘴幾何形狀相關的流量、是否存在泄漏、部分噴嘴堵塞脫落以及其他因素。新的夾雜物,如氧化鋁,會在空氣中吸收的氧氣與溶解元素(如溶解鋁)之間的反應而形核和沉淀。在型腔中,鋼水在凝固的鋼殼內流動。結晶器區域的流動模式由噴嘴或澆口幾何形狀、鑄造速度、結晶器幾何形狀和氬氣注入速率控制。這種流動模式反過來控制夾雜物和其他決定鋼質量的缺陷的夾帶。流動模式既可以通過將流動帶到頂部表面渣層,也可以通過使夾雜物更深地滯留在凝固前沿來鼓勵夾雜物去除。[1-5]

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      圖1。煉鋼、精煉和鑄造工藝。

      連鑄結晶器區夾雜物相關現象如圖2所示,與夾雜物相關的現象如表1所示。本項目旨在利用宏觀流體流動模型和納米和微型夾雜物模型相結合的模型,量化這些現象對最終產品中夾雜物的貢獻。

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      圖2 鋼連鑄中間包和鋼絞線中的現象

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      表1 連鑄結晶器區夾雜物相關現象

       

      鋼水中的夾雜物控制著鋼水的“清潔度”,并導致許多不同的質量問題。鋼的清潔度不僅取決于夾雜物的數量,還取決于夾雜物的形態和尺寸分布。夾雜物的尺寸分布尤為重要,因為大的宏觀夾雜物對力學性能的危害最大。包括團簇在內的大型夾雜物造成的損害最大。太多較小的夾雜物也有害,尤其是高合金鋼中的離散尖晶石或氮化物夾雜物。堅硬的夾雜物比軟的或易碎的夾雜物更具破壞性,后者在隨后的工作操作中會變形或破裂。夾帶的夾雜物會導致最終軋制產品中的內部裂紋、裂片和氣泡[6]。例如,當包裹物包圍的小氬氣泡被凝固外殼夾住時,就會產生“鉛筆管”[7]。在軋制過程中,夾雜物團會拉長,從而在最終產品中形成長條。這些間歇性缺陷的成本特別高,因為它們通常在完成零件噴漆后才被檢測到。因此,了解夾雜物是如何產生的,并控制每個容器中的流動模式,以盡量減少顆粒夾帶和相關的質量問題,這是一個很大的動機。減少夾雜物的方法取決于其來源。這些方法包括控制鋼、爐渣和耐火材料的成分;控制每個容器中的流體流動模式;注入氣泡;以及最大限度地減少暴露于空氣中。相對有效性取決于對來源的正確識別,目前還沒有很好的理解。人們懷疑大的夾雜物更容易去除,但給定粒度的連鑄結晶器區域的有效性尚未得到很好的量化。只有對夾雜物的形成和去除機理進行適當的量化和比較,才能找到去除夾雜物的最佳策略。

       

      關于夾雜物現象的相關報道

      車間實驗

      過去,通過在鋼鐵廠進行試驗、收集樣品、進行冶金分析和收集統計數據,人們對夾雜物夾帶現象有了深刻的認識。本文綜述了鋼包、中間包和連鑄機中夾雜物的檢測方法和提高鋼潔凈度的操作規程[5.8-20]。夾雜物來源于多種來源,包括脫氧、再氧化、氮化物形成、夾渣、化學反應和其他外源性來源。從它們在最終產品中的組成和形狀可以看出它們起源的機制。夾雜物的形態如圖3所示。大的樹枝狀氧化鋁是由富氧環境中的快速生長引起的,例如再氧化引起的(圖3a)和鋁鎮靜鋼中較小顆粒之間的碰撞(圖3b21)導致的氧化鋁團簇生長。氣泡會被截留在凝固的鋼中,并且通常被附著的夾雜物覆蓋(圖3c22)。固體夾雜物可在具有良好表面張力效應的任何表面(包括耐火壁)上聚集。22噴嘴壁表面形成的堵塞物可改變流動模式或移位[22],導致連續鑄造Ti穩定不銹鋼中的錫團等缺陷(圖3d23)。當表面熔渣被夾帶時,復合氧化物形成大球體,在鋼凝固時保持液態(圖3e21)。最后,從容器或噴嘴壁上脫落的破碎耐火材料產生了大的不規則外部夾雜物(圖3f21)。隨著夾雜物含量的穩步下降,通過測量檢測夾雜物而獲得的改進成本越來越高??紤]到如此多的變數,工業試驗已經無法承受這種方法。

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      圖3。典型夾雜物的形態:(a)樹枝狀氧化鋁,(b)氧化鋁團簇,21(c)含附著夾雜物的氣泡,24(d)SEN clog處的錫夾雜物,23(e)硅酸鹽夾雜物,22和(f)不規則外來夾雜物

       

      宏觀流動模式和包裹體運移(10-3–10+1m)

      了解容器中的基本流動是理解夾雜物夾帶的關鍵步驟,因為夾雜物的去除主要由通過液體流場的傳輸控制。以前的研究,包括當前作者的研究,已經開發了計算模型來預測各種冶金容器的瞬時流體流動行為,包括鋼包14、25、26中間包、27–39和連續鑄造結晶器中的湍流、三維流動。11、24、28、30、34、35、39–52這些宏觀模型中的一些已經被擴展到預測宏觀流體中包裹體的遷移和去除。盡管令人鼓舞,但這些先前的模型研究需要進一步驗證和擴展,以納入納米和微觀尺度上的包合行為的最新基本模型,這些模型將在接下來討論。

      納米和微尺度夾雜現象(10-9–10-3m)

      許多控制夾雜物行為的非常重要的現象發生在非常小的尺寸和時間尺度上,并且發生在僅測量少數原子厚度的界面區域內。25-40年前,不同的研究人員對鋼中夾雜物的形成和增長進行了廣泛的研究,如Elliott和同事53,54 ,Flemings和同事,54 Turkdogan55,56,Olette及其同事57–59 ,Fruehan和同事60 ,Szekly和同事61–64 ,Cramb和同事65–68, Thomas和同事69,70,和Zhang3,4,24,25,27,71–73。如圖4所示,在納米尺度上,成核發生在時間和長度上,并受脫氧元素和氧的擴散71,72,75,76、布朗碰撞27,72,75,76、和奧斯特瓦爾德成熟的控制72,75–79。粒子生長發生在微尺度上,這取決于氣泡附著、湍流碰撞等微觀尺度現象27,72,75,76,界面反應、再氧化和局部熱力學20,80–83。最后,熔渣處或通過氣泡浮選24,26,84,85的夾雜物輸送和去除以及凝固枝晶界面中的顆粒夾帶3–5,73取決于流動輸運以及流動模式和冶金容器形狀的性質。不同的納米和微尺度模型被用來預測重要的特定現象。目前作者認為氣泡浮選是幾種去除夾雜物的方法之一,他計算了夾雜物與氣泡的附著概率,并進行了匹配的水模型實驗,結果表明這種概率取決于氣泡大小、粒度、湍流耗散和氣體流速24,51,84–87。

      未來的重點是研究鋼中夾雜物的形核、生長、遷移和包埋

      本文中總結的工作使改進的建模工具的開發成為可能,并導致對過程的基本見解得到改進。然而,之前的工作也有以下缺點:

      1.包裹體的納米和微觀形核與長大與局部宏觀流體流動沒有真正的耦合,其尺寸分布的演化規律也很少被研究。夾雜物的形核和長大模型大多是解析的,而不是數值求解。

      2.由于宏觀流動模式、納米和微觀尺度夾雜現象之間復雜的基本關系,以及夾雜物形成和包裹體形成的不同機制的相對重要性,上述模型難以應用于工業實踐。

      3.計算模型是針對特定過程或特定現象而開發的,但迄今為止,還沒有將足夠多的現象和過程結合起來,以用于整個過程設計和控制。那個關于夾雜物形核和生長的未來工作應包括以下創新項目:

      將納米和微尺度現象(夾雜物的形核和長大,以及夾雜物對凝固殼、熔渣和氣泡表面的截留)與鋼液中的宏觀流體流動相結合。

      以偽分子為出發點,數值而非解析地求解包裹體的形核、碰撞和生長。

      預測鑄鋼過程中夾雜物的組成、數量和尺寸分布演變,預測夾雜物在鑄件中的最終分布位置。

      考慮到空氣吸收、鋼水與爐渣和爐襯耐火材料之間的反應以及冷卻過程中析出物產生的新夾雜物。

      應用所提出的模型對精煉和鑄造操作進行優化,以提高夾雜物去除率,實現高清潔度鋼鐵。有開發了模型來捕捉對包裹體行為重要的微觀尺度現象,下一步是將它們納入宏觀流體流動模型中。該模型將被納入宏流模型。通過精確地添加具有連續倍增特性的尺寸組,該模型可以跨越所遇到的夾雜物尺寸的完整范圍,并在宏觀流動模型中跟蹤尺寸分布的演變,而不會成為計算上的障礙。將局部偽分子濃度和包合物粒徑分布作為狀態變量在模型尺度之間進行通信。

      將納米和微尺度包裹體模型與宏觀流體流動模型相結合的方法如圖5所示。在計算了大尺度三維流體流動后,通過求解拉格朗日輸運方程作為后處理步驟,計算出氣泡和夾雜物的運動軌跡。通過軌跡計算,計算夾雜物與氣泡的附著概率。然后計算不同尺寸夾雜物的宏觀三維濃度,回顧夾雜物的納米和微觀形核和長大模型,并將微尺度氣泡-夾雜物相互作用作為源項加入夾雜物濃度。每種尺寸的夾雜物都有一個濃度場。夾雜物在凝固殼、爐襯和渣層上的微觀附著模型是計算夾雜物濃度和計算夾雜物軌跡的邊界條件。

      流動中不同尺寸夾雜物的濃度方程為

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      式中,Nj為i,Vt為夾雜物的最終上升速度,Deffis為有效擴散系數。右側的源項包括擴散、布朗碰撞和湍流碰撞導致的包裹體增長。

      當前的金屬雜志主題

      當前的金屬雜志主題是關于金屬中粒子形核和生長的模擬。本課程主要研究金屬中第二相粒子的形核、生長(通過擴散、碰撞等)、運動和去除,如金屬中的非金屬夾雜物、金屬在冷卻、凝固和熱處理過程中的沉淀物以及金屬中的氣泡。為這個主題收集了四篇文章。B、 Rheingans和E.J.Mittemeijer提出了相變動力學的廣義模塊化模型,并研究了Fe-Ni-B金屬玻璃的晶化、鈷中的同素異形hcp-fcc轉變以及過飽和CuCo合金的沉淀動力學。H、 采用數學模型對連鑄中間包內非金屬夾雜物的生長和去除進行了研究。J、 P.Bellot等人采用數值模擬方法研究了金屬中夾雜物的擴散和碰撞生長,重點研究了Ti-VAR重熔過程中的夾雜物、馬氏體時效鋼熔體中的TiN夾雜物和氣體攪拌鋼包的鋼液中的夾雜物。W、 Yang等人。對鋼中氧化鋁夾雜物的形核進行了熱力學計算,觀察了鋼中氧化鋁夾雜物的聚集形態。

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      圖4 夾雜物形核、生長和去除過程中的尺度和控制機制。74

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      圖5 將納米尺度和微觀尺度的包裹體模型與宏觀尺度的流體流動模型相結合。


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