高锰汽车用钢冶金热力学行为及过程数学模拟研究

以汽车用高锰TWIP钢的工业生产工艺开发为应用背景，用化学平衡法研究高锰TWIP钢冶金体系中高浓度组分对Mn、C等元素的一阶和二阶活度相互作用系数，以及熔渣中MnO活度，建立高锰体系的基本热力学数据及准确的"去碳保锰"的Mn-C热力学平衡关系，为制定高锰TWIP钢冶炼时的冶炼工艺流程及各工序步骤的关键工艺参数奠定坚实的理论基础；用"多组分体系同时反应动力学"理论建立高锰TWIP钢精炼过程数学模型，用实验验证并获取关键的动力学参数，探索多组分体系选择性竞争氧化还原规律，揭示多组分体系同时反应的动力学特征及渣－金－气体系同时反应的本质；在此基础上建立AOD精炼高锰TWIP钢数学模型，经模拟计算揭示AOD精炼高锰TWIP钢的冶金学本质，为确定AOD精炼高锰TWIP钢的关键工艺参数及精炼实践提供理论指导。本项目对推动高锰TWIP钢的生产应用，制定冶炼工艺流程及关键工艺参数具有重要的战略和现实意义。

汽车轻量化是实现油耗低、排放少的“环境友好型汽车”的主要措施。高锰孪晶诱导塑性( TWIP) 钢是当前的热点研究领域。TWIP钢中含锰18～30%，其大规模低成本冶炼是重要技术难题。.本项目围绕汽车用TWIP钢大规模低成本冶炼中将涉及的“去碳保锰”问题，从实验研究、数学模拟及理论分析三方面展开研究。.（1）根据感应炉内熔炼结果，研究多组分体系及高锰钢熔炼体系中元素竞争氧化反应本质，熔炼中都存在几种元素同时烧损现象，在无渣覆盖时锰的挥发损失不可忽略。在外加直流正接直流电流流过渣/金和渣/气界面后，存在电解反应，导致钢水中合金元素的烧损加剧，造成钢水增氧，不利于脱硫。电解引起的铬和锰的损失量占总损失的46％和25～46％。扣除了纯化学反应引起的元素损失后，铬和锰的阳极电流效率分别为50％和5％。铬和锰的交换电流密度分别为48～50 mA/cm2和127～146 mA/cm2。.（2）基于冶金过程热力学和动力学原理建立了多组分体系反应动力学模型和TWIP钢熔炼过程数学模型，碳和锰等组分的计算结果和实验结果吻合，揭示了高锰TWIP钢熔炼过程的本质和特征。经TWIP钢AOD精炼数学模拟结果表明，用现有AOD设备和工艺冶炼高锰TWIP钢是可行的，但有进一步改进和完善的空间。.（3）用化学平衡法研究了铁液内C和Mn的一阶和二阶自身活度相互作用系数、Mn对C的一阶和二阶活度相互作用系数，提出了CaO-SiO2-MnO-FeO-MgO系熔渣中MnO和FeO活度系数与xMnO、xFeO和碱度(B=(xCaO＋xSiO2)/SiO2)间关系。.（4）针对车用高锰TWIP钢的冶金体系，构建了“去碳保锰”时的C-Mn平衡关系图，提出TWIP钢的大规模生产应优先选择“电弧炉＋AOD”和“电弧炉＋AOD＋VOD”工艺路线，并提出了各工序的具体工艺参数。.（5）Fe-C、Fe-Mn、Fe-Mn-C及Fe-Mn-Al熔体与CO-CO2混合气体反应体系平衡时间分别为612 min，421 min，899 min和844 min。其中反应[Mn]+CO2(g)=CO(g)+MnO(l)的反应级数为1.5级，得出了反应速率常数和平均表观活化能。.（6）钢液吸氮反应为-1.5～-2级反应。钢液吸氮反应为一个复杂的多步反应。搅拌对吸氮反应有明显影响。.（7）对称单纯形试验设计方法可用于冶金领域的配方设计。