耐火材料-钢液-炉渣-夹杂物多相界面反应动力学与夹杂物变质机理研究

It is great important to control the accurate compositions of liquid steel, molten slag and inclusions during the production for clean steel. The slag compositions affecting the inclusion characteristic significantly has become a global consensus. In this project, on account of the multi-phase interfacial equilibrium reactions, a coupled kinetics model to study the dynamic evolution of inclusions in liquid steels will be developed. In the model, the refractory dissolution, liquid steel deoxidation, interfacial reaction between slag and steel, interfacial reaction between steel and inclusions are taken into account simultaneously. Moreover, an another model of inclusion agglomeration, growth, floatation and removal in steel turbulence is first introduced, which can reveal the dynamic evolution of inclusions with time using a PBM model. On the same time, both high temperature experimental data and numerical simulation are used to revised some key parameters during the couple model development. Therefore, it will help us to understand the complicated thermodynamics and kinetics mechanism between refractory, liquid steel, molten slag and inclusions during the process of ladle refining. For some special steel grades, the method for controlling slag and steel composition would predict the inclusion composition, amount, size and space distribution, which will decrease the hazard of inclusion, improve the steel quality. Those findings can provide the necessary theoretical basis for clean steel production. It has important theory and application value.

洁净钢冶炼过程对钢液、炉渣和夹杂物进行窄成分控制至关重要，炉渣组成会显著影响夹杂物成分已成学界共识。本课题基于界面平衡反应，建立精炼过程钢中夹杂物动态演变的耦合动力学模型，综合考虑耐材溶解，钢液脱氧，渣-钢界面反应，钢-夹杂物界面反应等，并首次引入湍流条件下夹杂物聚合、长大、上浮、去除模型，利用耦合群体平衡模型（PBM）研究钢液中夹杂物特征随时间的动态演化规律。同时，利用高温试验数据和数值模拟仿真手段对耦合动力学模型中关键参数进行动态修正，以实现对钢中夹杂物成分、数量、尺寸动态变化的准确预测。通过以上研究，可以深入揭示钢包精炼过程中耐火材料、钢液、炉渣、夹杂物体系之间的复杂热力学和动力学反应机制；针对特定钢种，通过合理调控顶渣和钢液组成，可以实现夹杂物成分、数量、尺寸、空间分布的精确控制，最大限度地降低夹杂物危害。本研究成果可为超洁净钢冶炼提供必要的研究基础，具有重要的理论和应用价值。

洁净钢冶炼过程夹杂物窄成分控制至关重要，炉渣组成会显著影响夹杂物成分已成学界共识。本课题系统研究了MgO 耐火材料在不同熔渣中的溶解机制，探明了温度、炉渣碱度、渣中MgO和FeO对界面反应产物以及耐火材料侵蚀率的影响，为构建多相耦合动力学模型提供了基础。利用MATLAB和分子离子共存理论开发了渣系活度预报模型，构建了钢中夹杂物成分预报热力学模型，运用双膜理论建立了渣-金反应动力学模型，基于未反应核模型建立了钢液-夹杂物反应动力学模型，开发了钢中尖晶石和铝酸钙夹杂物成分预测模型，实现了夹杂物成分的准确预报。利用热态模拟对动力学模型进行了验证，夹杂物成分的实测值与模型计算结果吻合度较高，利用热态试验研究了钢液中尖晶石和铝酸钙相互转化条件。在合适的镁钙含量下，钢液中尖晶石和铝酸钙能够相互转变。当尖晶石中氧化铝的摩尔分数为50%时，钢液中溶解钙含量达到溶解镁的1/6.3，尖晶石能转变为铝酸钙；当钢液中溶解的镁钙比达到8时，铝酸钙能转变为尖晶石。利用构建的数学物理模拟平台，采用邻苯二甲酸二辛酯、苯乙醚、硅油有机试剂模拟钢中液态夹杂物，吹气条件下三者去除率分别为74.5%、81.1%、65.0%。单液滴对聚并过程的数值计算结果表明，界面张力增大，聚并进程被加快，降低液滴黏度，会减缓聚并时间。基于碰撞聚合理论，建立了夹杂物在钢液中的聚并系数与接触角、黏度、界面张力的定量表达式，夹杂物在钢液中的聚合倾向为Al2O3 > MgO > MgO·Al2O3。通过合理调控钢液与夹杂物界面行为，可以实现夹杂物成分、数量、尺寸、空间分布的精确控制，最大限度地降低夹杂物危害。采用50kg真空感应炉冶炼了工业弹簧钢和帘线钢，验证了渣-金-夹杂物多相耦合动力学模型的准确性，证实了渣中CaO和MgO可以通过渣-金界面反应溶出Ca和Mg，钙、镁在钢液中参与了夹杂物改性过程，从而改变了夹杂物组成。帘线钢和弹簧钢经渣-金反应处理后，热锻过程几乎所有夹杂物都发生了变形，证明夹杂物塑性化控制是有效的。