纳米粒子表面处理及其在钢铁冶金中的应用基础

With the rapid development of oxide metallurgy technology, the control of the molten steel content by external addition methods plays an important role in inclusions inducing microstructure. But the nanoparticles tend to aggregate owing to its surface properties, which reduces utilization of nanoparticles ratio in liquid steel. At present, the utilization of second phase particles ratio and the nucleation mechanism of acicular ferrite were still lacking in-depth research. There were few effective smelting methods, which limited the large-scale application of nanoparticles in industry..This project plans to carry out on the following two aspects: the surface treatment of nanoparticles and its application in ferrous metallurgy. According to the physicochemical properties of the nanoparticles, the surface of the particles are modified by the chemical reaction. The process of nanoparticles adding into molten steel and the evolution process of inclusion modification and solidification structure are studied by means of smelting experiment and thermodynamic analysis. The characteristics of the physicochemical properties of nanoparticles were identified, and the key factors of nanoparticles wetting into molten steel were grasped. It provides a reliable theory and technical support for solving the problem of low utilization ratio of nanoparticles during steel production process.

氧化物冶金技术发展迅速，通过外加的手段对钢液成分进行调控，在夹杂物诱导组织方面起到很大作用，但是由于纳米粒子本身表面的特性很容易发生团聚现象，从而降低纳米粒子在钢液中的收得率。目前关于外加第二相粒子的收得率和针状铁素体的形核机理仍然缺乏深入研究，实际冶炼也缺乏有效的方法进而影响纳米粒子在工业中的大规模应用。.本课题将从外加纳米粒子表面处理及其在钢铁冶金中的应用基础两个方面展开研究。根据纳米粒子表面理化性质，利用化学反应对粒子表面修饰。通过高温熔炼实验、热力学分析等方法研究纳米粒子进入钢液中的作用过程，以及夹杂物改性、凝固组织的演变过程。明确纳米粒子表面理化性质的特征，掌握纳米粒子润湿进入钢液的影响因素，为解决钢铁生产过程中纳米粒子收得率低的问题提供可靠理论。

由于纳米粒子比表面积大、表面能高的特性，加入钢液后粒子容易聚集并上浮到钢液表面，造成纳米粒子在钢液中的使用效率大幅度降低。纳米粒子之间的团聚现象是软团聚，传统物理手段不能从本质上消除粒子间的作用力，因此有必要改变炼钢用纳米粒子的表面特性。采用化学手段对MgO纳米粒子表面改造，根据表征结果，制备出一种新型的具有核壳结构的炼钢用纳米粒子，碳化后的粒子表面有一层厚度为10 nm的碳层，在溶液中具有良好的单分散性；在氦气气氛下，表面改性的纳米粒子具备更良好的润湿性；添加纳米粒子的钢中生成大量不规则形状的TiN夹杂物，而且MgAl2O4尖晶石也逐渐取代了原始钢中单相Al2O3夹杂物；添含改性纳米粒子比含原始纳米粒子钢中的细小夹杂物的数量更多；在低碳高合金钢中，冷却速率的增加会减少试验钢中多边形铁素体的比例，并且会生成贝氏体相；纳米试验钢中细小弥散的夹杂物会对原奥氏体晶界起到钉扎的作用，试验钢中细小的晶粒也会促进针状铁素体形核；通过原位观察实验得知，板条铁素体总是沿着晶界形成；当冷却速率上升到-15 ℃/s时针状铁素体的比例会增大；一定温度范围内，针状铁素体的长度与时间呈线性比例关系；当冷速相同时，纳米试验钢中针状铁素体的开始形核温度高于原始钢，而且形核速率更大；通过热压缩形变实验得知，更大的形变量导致钢中铁素体与马氏体相的平均尺寸均降低；钢中出现了大量细小链状的形变诱导铁素体和交错的针状铁素体，极大地提升了钢中微观组织的交错度，提高了材料的强韧性；在同一形变温度下，纳米钢中的应力峰值始终高于原始钢中的应力峰值；当形变温度为750 ℃时，纳米试验钢对应的最大应力峰值为516 MPa，比原始钢的最大应力峰值高出28.4%。