特殊钢精炼渣系设计模型及应用.pdf

2016 年 第十九届 全国炼钢学术会议论文集 特殊钢精炼渣系设计模型及应用 孟晓玲 1 成国光1 1 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室 北京 100083 摘 要 本文从 FactSage 软件 FSsteel 数据库提取钢液中的结构单元并拟合出生成各结构单元的反应平衡常数 结合炉渣共存 理论 建立了钢液 炉渣平衡计算模型 为特殊钢精炼渣系设计提供了理论依据 本模型假设钢液中的溶解氧包括单质氧及络 合氧 M O M2 O 通过前人实验数据对本模型进行了验证 结果吻合较好 同时根据本模型 获得了 CaO Al2O3 SiO2三 元渣与 GCr15 成分钢液在不同 CaO 含量以及不同温度下的平衡关系 关键词 FactSage 特殊钢 精炼渣 钢渣平衡 共存理论 GCr15 The Model of Designing of Special Steel refining slag and Application Meng Xiaoling1 Cheng Guoguang1 1 State Key Laboratory of Advanced Metallurgy University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China Abstract The model of metal slag equilibrium calculation is established based on structure units extracted from FactSage software FSsteel date base and coexistence theory of slag for designing of special steel refining slag The model is proposed by assuming that the total dissolved oxygen contains elemental oxygen and associated oxygen M O M2 O The model is proved to be reasonable by comparing with the former experiment results The equilibrium between CaO Al2O3 SiO2 ternary slag and GCr15 metal under different content of CaO and temperature are obtained Key words FactSage special steel refining slag metal slag equilibrium coexistence theory GCr15 1 引言 精炼过程中 精炼渣通过与钢液的相互作用可以起到控制残余元素 调整合金成分以及夹杂物的改性 等作用 1 2 因此 研究钢水精炼过程中的钢渣平衡对精炼渣的设计非常重要 特殊钢一般合金成分复杂 质量要求高 现有的冶金理论尽管有不少已经很成熟 然而在计算钢渣平 衡过程中依然存在很多问题 如应用最广的 Wagner 相互作用系数多项式在溶质浓度较高时几乎无法使用 I H Jung 等 3 5 提出的钢液脱氧平衡热力学模型已广泛应用于 FactSage Thermocalc 等大型商业软件 尽管 该模型能够很好地预测钢液中尤其是多合金钢液中的脱氧剂脱氧平衡 但无法预测炉渣与钢液的平衡 本文从 FactSage 软件 FSsteel 数据库提取钢液中的结构单元并拟合出生成各结构单元的反应平衡常数 以此计算钢液中组元的作用浓度 同时利用炉渣结构共存理论计算炉渣组元活度 6 最后通过计算钢渣反应 获得钢渣平衡关系并以此进行精炼渣的设计 2 模型建立 假设钢液中的溶解氧包括单质氧和络合氧 络合氧 M O M2 O 与单质 M O 原子之间的平衡关系如 下 MOM O ln M OM O GRTK 1 2 2MOMO 22 ln MOMO GRTK 2 中英合作项目 2015DFG51950 作者简介 孟晓玲 女 1992 硕士研究生 2016 年 第十九届 全国炼钢学术会议论文集 根据质量作用定律 其平衡常数可以表示为 M O M O MO N K NN 3 2 2 2 MO MO MO N K NN 4 上述平衡常数表达式中 i N为作用浓度 可用摩尔分数表示 即 i i n N n 5 另外 根据质量守恒 2 2 MMM OMO Tnnnn 6 2 OOM OMO Tnnnn 7 其中 i n表示组元i的摩尔数 M Tn O Tn分别表示溶解在铁液中的金属元素和氧元素的总摩尔数 钢液与精炼渣之间的反应可以用下式表示 xy x My OM O ln xyxy M OM O GRTK 8 根据质量作用定律 其平衡常数可以写为 xy xy M O M O xy MO N K NN 9 其中 xy M O的作用浓度可由炉渣共存理论求得 根据 FactSage 软件 FSsteel FToxid 数据库计算结果 1600 生成各形式络合氧的反应浓度商如图 1 所 示 由图可知 随着铁液中金属含量的变化 各反应浓度商基本守常 因此在计算中可将各反应平衡常数 K 看作定值 当平衡常数 M O K 2 MO K xy M O K 已知 xy M O的作用浓度也可求 且给定金属熔体中金属 M 总量时 联立式 3 7 及式 9 则可求出钢液中各结构单元的量及总的溶解氧含量 图 1 1600 不同元素含量下各反应浓度商 2016 年 第十九届 全国炼钢学术会议论文集 3 可靠性验证 H Suito 等人 7 9 研究了 CaO Al2O3二元系以及 CaO Al2O3 SiO2三元系与钢液的平衡关系 图 2 图 3 分别为两种渣系下 钢液中不同 Al 含量所对应的 O Si 含量的实验值与本模型计算值 其中实验所测的氧 为全氧含量 包括溶解氧与夹杂物中的氧 铝 硅含量为酸溶量 而计算得到的 Al Si O 含量均为酸溶 量 图 2 3 中 方块表示实验值 部分实验给出了全氧含量的最大值和最小值 图中用方块加上下短实线 表示 五角星表示计算值 不同颜色代表不同的实验条件 包括不同坩埚和不同搅拌条件 图 2 CaO Al2O3 二元渣与钢液的平衡 图 2 中计算的溶解氧含量基本比实测的全氧含量低 其中 静态条件下 黑色与绿色表示 计算值与 实测值差距较大 而搅拌条件下 红色表示 则比较接近 注意到 实验中搅拌条件下控制的钢渣反应时 间更长 且静态条件较搅拌条件下测量的不酸溶 Al 含量更高 由此可见静态条件下钢液中 Al2O3夹杂物含 量较高且有可能反应不完全 最后两组实验 深蓝与浅蓝色表示 使用氩气搅拌 比较了采用不同坩埚的 情况 可以看出两组实验实测全氧含量与计算的溶解氧含量均比较接近 2016 年 第十九届 全国炼钢学术会议论文集 图 3 CaO SiO2 Al2O3三元渣与钢液的平衡 a Al O 关系 b Al Si 关系 图 3 a 中计算的溶解氧含量基本比实测的全氧含量低 且采用 CaO 坩埚的 红色表示 实测值与计 算值更接近 这是由于原实验中 Al2O3坩埚采用低碱度渣系 CaO 坩埚采用高碱度渣系 两者动力学条件不 同 造成反应程度及进入钢液中的夹杂物含量不同 图 3 b 中 采用 Al2O3坩埚 黑色表示 在低 Al 条 件下 计算的溶解 Si 含量比实测值低但非常接近 而在高 Al 含量条件下 计算值比实测值高 可以认为是 反应不完全造成的 采用 CaO 坩埚则在低 Al 与高 Al 含量条件下计算值与实测值均比较接近 这是由于高 2016 年 第十九届 全国炼钢学术会议论文集 碱度条件下 SiO2的活度比较低 平衡的 Si 含量总体比较低 也就更容易反应彻底 综合以上分析可看出 本模型在计算 CaO Al2O3二元渣 CaO SiO2 Al2O3三元渣与钢液的平衡中 对 钢液中溶解氧含量 溶解硅含量的预测是比较可靠的 4 模型的实际应用 以 GCr15 为例 根据 GB T18254 2002 要求 设定其钢液成分如下 表 1 GCr15 钢液主要成分 wt C Si Mn Cr Al O 1 0 2 0 3 1 5 待定 待求 根据 FactSage 软件 FSstel FToxid 数据库计算结果 该钢液中存在的结构单元如下 暂不考虑钢液中 Ca 含量的影响 单质 C Si Mn Cr Al O 络合物 Al O Al2 O Si O Mn O Cr O Cr2 O 考虑钢液与 CaO Al2O3 SiO2三元渣系的平衡 钢液与炉渣之间的主要反应为 23 2 3 AlOAl O 2323 23 Al OAl OAlO NKNN 10 2 2 SiOSiO 22 2 SiOSiOSiO NKNN 11 其中 Al2O3 SiO2的作用浓度 23 Al O N 2 SiO N 可由炉渣的共存理论求得 对于 CaO Al2O3 SiO2三元渣系 根据炉渣结构共存理论 其结构单元如下 简单离子 Ca2 O2 分子化合物 Al2O3 SiO2 CaO SiO2 2CaO SiO2 3CaO SiO2 CaO Al2O3 CaO 2Al2O3 CaO 6Al2O3 3CaO Al2O3 12CaO 7Al2O3 2CaO Al2O3 SiO2 CaO Al2O3 2SiO2 3Al2O3 2SiO2 设定渣中各组元的物质的量分别为 b a1 a2 CaO bn 23 1Al O an 2 2SiO an 平衡后各结构单元的作用 浓度分别为 1CaO NN 23 2Al O NN 2 3SiO NN 2 4CaO SiO NN 2 52CaO SiO NN 2 63CaO SiO NN 23 7CaO Al O NN 23 82CaOAl O NN 23 96CaOAl O NN 23 103CaO Al O NN 23 11127CaOAl O NN 232 122CaO Al O SiO NN 232 132CaO Al OSiO NN 232 1432Al OSiO NN 其中各复杂分 子化合物的作用浓度可用简单分子的作用浓度及相应的平衡常数表达 炉渣中各组元作用浓度之和为 1 即 14 1 1 i i N 12 根据物料平衡 127891011121314 NN2N6NN7NNN3N an 13 23456121314 NNNNN2N2N an 14 145678910111213 0 5233122 bnNNNNNNNNNNN 15 12 1026056100aab 16 2016 年 第十九届 全国炼钢学术会议论文集 根据共存理论 炉渣组成满足方程 12 16 结合金属熔体结构单元及钢渣反应 给定钢中总铝含 量 可求解出与钢液相平衡的炉渣组成及钢液中各组元含量 不同 CaO 含量及温度条件下钢渣平衡情况如图 4 5 所示 图 4 1600 不同 CaO 含量下的钢渣平衡关系 图 5 CaO 50 不同温度下的钢渣平衡关系 图 4 5 中 随着钢液中 Al 含量的升高 渣中平衡的 Al2O3含量逐渐增加 而 SiO2相应减少 钢液中 平衡溶解氧含量也减少且当 Al 含量大于 100ppm 后 溶解氧的降低变得缓慢 图 4 中 同一 Al 含量条件下 渣中 CaO 含量增加会使平衡的 Al2O3减少而 SiO2增加 钢液中溶解氧含量越低 图 5 中 同一 Al 含量条 件下 温度由 1600 降低至 1520 渣中平衡的 Al2O3含量升高而 SiO2降低 钢液中溶解氧含量也降低 当温度继续降低至 1460 时 渣中 Al2O3 SiO2含量基本不变 而钢液中溶解氧含量则有小幅降低 5 结语 由本模型计算结果 根据对钢液中不同 Al 含量。