废钢熔化过程中碳在固-液相界面的迁移机制研究

Carbon migration from hot metal to scrap surface is one of the most important reasons to accelerate melting rate of the scrap, when the bath temperature is significantly below the solidus temperature of the scrap during the prophase of the BOF steelmaking process. However, there are few reports with respect to the mechanism of carbon migration on the solid-liquid interface and the influence of other components on the carbon migration. Consequently, based on the process of carbon migration from hot metal to scrap in the BOF steelmaking process, firstly, this project involving discovering the carbon migration law and microstructure variation on the solid-liquid interface in order to investigate the phase transformation mechanism of the scrap, as well as the effects of hot metal temperature, carbon content and other components in the hot metal during the scrap melting process. Secondly, a governing model of the carbon migration on the solid-liquid interface will be established based on the carbon diffusion coefficient, which is determined by restrictive link for carbon migration and fitting the experiment results. This project will not only establish the foundation for fully understanding the carbon migration on the solid-liquid interface , but also provide significant basis for designing reasonable scrap ratio，reducing processing cost and achieving the goal of green steelmaking.

转炉炼钢前期熔池内铁水温度低于废钢熔点，碳由液态铁水中向固相废钢界面迁移是促进废钢熔化的关键因素之一。然而，目前有关碳在钢固-液相界面的迁移规律以及铁水中其它组元在此过程中的作用机制尚不明确，导致废钢的熔化机理以及熔化过程不能得到合理的解释。为此，本项目以转炉冶炼时熔池铁水中碳向废钢表面迁移过程为研究对象，首先研究废钢熔化过程中碳在固-液相界面的迁移规律和此过程中界面的微观组织变化，明确熔化过程的相变机理，并分析铁水温度、碳含量和其它组元在此过程中的协同作用机制。之后考察动力学因素确定碳迁移过程中的限制性环节，通过拟合计算得出不同条件下碳在相界面的扩散系数，建立全面反映废钢熔化过程中碳在固-液相界面迁移的动力学控制方程。本项目的研究不仅为更进一步理解铁水中碳在钢固-液相区的迁移过程奠定理论基础，而且对制定合理转炉冶炼废钢加入比、降低冶炼成本和绿色炼钢有重要的意义。

本项目以废钢在转炉冶炼过程中的熔化为研究对象，研究转炉熔池温度低于废钢熔点这一冶炼阶段铁水中碳向废钢表面迁移现象和固相钢在碳的作用下的熔化机理，以及在此过程中铁水中其它影响因素的协同机制。探明碳在固-液相界面及废钢表面的迁移规律。研究发现，低碳含量废钢在低于其熔点高碳铁水中熔化，熔化过程中，熔池中的碳在废钢界面迁移过程受温度的影响。但是，由于熔池中存在碳浓度分布不均和温度不均等原因，熔池中产生对流，对流使废钢界面碳含量产生影响，从而影响废钢熔化进程。微观方面，影响碳从界面向废钢内部的迁移。由于废钢熔化过程中不可控制因素较多，研究中的温度范围（1350-1450°C）中，实验结果不能分析出碳在界面的迁移深度与温度的量化关系。实验中发现，废钢熔化过程中，钢棒接近熔池上液面处和熔池底部的熔化量不同，上部熔化较快，下部较慢。从数值模拟分析中可以看出，钢棒竖直方向熔化量不同的原因是熔池中产生对流，对流不仅影响熔池及熔化界面的碳含量，也影响温度分布，因此，废钢的实际熔化过程受多种因素的影响。影响较大的为熔池碳含量，温度，废钢尺寸和熔池流动。宏观方面，废钢加入熔池中改变熔池固液两相的空间分布状态，因此影响熔池流动，熔池流动反之影响废钢熔化。