CN105588781B - 一种测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置及方法。本发明方法是通过在测定过程中外加电场，使熔融状态下的渣系在电场下进行运动，通过模拟实际生产中钢中夹杂物与熔融渣系的反应，增加了实验的拟合度，是实验结果更加精确。本发明方法能够直观、准确、快速地测定出典型夹杂物在特定渣系中的溶解速率，从而为炼钢过程渣系的设计及优化提供重要的参考依据。

Description

一种测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置及方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置及方法。

背景技术

夹杂物是钢中的杂质之一，是影响钢材性能的重要因素。钢中的夹杂物会降低钢的疲劳寿命，韧性和塑性，影响钢的加工性能，对钢材的表面光洁度和焊接性能有直接影响。同时钢中非金属夹杂物对于钢板抗撕裂性能和低温冲击韧性也有不利影响。因此，选择合适渣系去除钢中夹杂物，对于提高钢材质量极为重要。

不同渣系对于钢中夹杂物的吸收能力不同，普通炼钢方法对夹杂物控制方面，也主要是通过优化渣系在相图中的成分区域、调节炉渣碱度、熔化温度、黏度等普通物化性能的方法，并结合一些其他操作手段来综合调节渣系对钢中夹杂物的去除及控制能力。但无论何种炼钢方法，渣系对夹杂物的快速吸收和溶解是夹杂物控制的重要前提。

综上所述，目前，传统渣系的设计方法进行渣系控制钢中夹杂物能力的研究是有局限性的，尤其是目前，高端材料(特殊钢或者特种合金)都是在保护气氛下进行制备，这就排除了外界大气环境的干扰，即阻隔了外界大气通过熔渣向钢中传氧。在这种条件下，渣系本身对钢中夹杂物的吸收和溶解，就决定最终钢中夹杂物的含量。因此，需要建立一种方法，测定渣系对钢中夹杂物的溶解速率，这对钢中夹杂物的控制具有重要的意义。

钢中夹杂物是影响钢材性能的主要因素，冶金过程中优异的冶炼条件促进了有害夹杂元素及非金属夹杂物的去除。现有的检测方法只是单纯的检测夹杂物在钢液中的溶解速率，并没有考虑实际冶炼操作中电流对于夹杂物溶解速率的影响，由此产生的误差致使检测结果不能准确地反应渣系对于钢中夹杂物的溶解速率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置及方法，目的是通过向液态冶金用炉渣的熔渣中插入刚玉棒或镁铝尖晶石棒，同时通入电流，模拟实际电渣冶炼过程，根据刚玉棒或尖晶石棒在熔渣中随时间溶解的情况，快速、真实地测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的目的，为合理渣系的设计提供重要的参考依据。

实现本发明目的的测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解率的装置，包括电加热炉和坩埚，所述的电加热炉由炉体、炉管和炉盖组成，炉管内放置有坩埚，坩埚下方的炉管空间填充有耐火材料，炉管的顶部设置有耐火砖套，底部设置有下法兰；漏斗从耐火砖套插入炉管内的坩埚正上方，充气管一端与气瓶相连，另一端从耐火砖套插入炉管内，两个电极从耐火砖套插入坩埚内，电极另一端通过导线与电源相连，测温热电偶从下法兰插入炉管内。

采用上述装置测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解率的方法，按照以下步骤进行：

(1)通过充气管向电加热炉炉管内通入惰性气体并保持流通，在惰性气氛条件下通过漏斗向坩埚中加入冶金用炉渣，将冶金用炉渣渣料加热至1550～1600℃，保温10～15min使液态熔渣成分充分均匀化；

(2)称量刚玉棒或镁铝尖晶石棒质量为m₁，其直径为D，半径R＝2/D，单位mm，将刚玉棒或镁铝尖晶石棒插入液态熔渣中，插入深度为H，通过电源向两电极通电，并与液态熔渣构成通电回路，模拟电渣冶金过程，刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中进行匀速旋转，发生溶解反应，反应总时间为T；

(3)取出刚玉棒或镁铝尖晶石棒，冷却至室温后，用稀盐酸浸泡刚玉棒或镁铝尖晶石棒表面熔渣，浸泡24小时后，取出刚玉棒或镁铝尖晶石棒，用细砂纸将刚玉棒或镁铝尖晶石棒表面熔渣打磨掉，再次称量刚玉棒或镁铝尖晶石的质量m₂，溶解反应前后刚玉棒或镁铝尖晶石棒所减少的质量为Δm，Δm＝m₁-m₂；

(4)夹杂物颗粒在相应渣系成分下的溶解速率计算公式为：

其中：K为夹杂物颗粒的溶解速率，单位为g/(mm²·min)；△m为刚玉棒或镁铝尖晶石棒溶解反应前后的质量差，单位g；为刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的平均接触面积，单位mm²；T为刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中的总溶解时间，单位为min；

所述的是根据刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的实际接触面积A求出，具体步骤是：

刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的实际接触面积A是随时间t变化的函数，根据A随时间变化的曲线得到：

而刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣在某一时刻的实际接触面积A等于这一时刻，该刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中底面的面积A_底和该刚玉棒或镁铝尖晶石棒插入熔渣中的部分的侧面面积A_侧之和，即：

A(t)＝A_底(t)+A_侧(t)，其中：

A_侧＝2πrh

A_底＝πr²

所述的r和h分别是刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中溶解过程中的半径和长度，它们仍是时间的函数，单位为mm；

代入式②中得到：

进一步假定刚玉棒在任意垂直于刚玉棒轴线的方向上溶解速率都处于稳态且相等，设定b是刚玉棒初始半径和溶解后半径的差值，单位mm，则：

其中：D是刚玉棒溶解前直径，单位mm，d是刚玉棒溶解后直径，单位mm；

用b/T表征刚玉棒半径减少的速率，得得到刚玉棒溶解过程中半径r随时间的变化式：

同时假定刚玉棒在平行于轴线的方向上的溶解速率等于垂直方向上的溶解速率，得刚玉棒溶解部分长度随时间的变化式：

H是刚玉棒插入熔渣中的溶解部分初始长度，单位mm；

将④和⑤式代入③式求出平均接触面积再代入①式可以得到如下公式：

即，刚玉棒在熔渣中的溶解率速率随时间变化的曲线K-T。

其中，所述的稀盐酸浓度为0.25～1.0mol/L。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明方法通过在测定过程中外加电场，使熔融状态下的渣系在电场下进行运动，通过模拟实际生产中钢中夹杂物与熔融渣系的反应，增加了实验的拟合度，是实验结果更加精确。

本发明的方法能够直观、准确、快速地测定出典型夹杂物在特定渣系中的溶解速率，从而为炼钢过程渣系的设计及优化提供重要的参考依据。

因此，本发明的技术方案运用旋转柱体法重点研究不同温度、时间、渣成分、浸渍长度和旋转速度条件下渣对夹杂物(刚玉棒、镁铝尖晶石棒)的溶解速率，进而探究电渣含氟渣系对夹杂物的吸收机理，是一种测定炉渣对钢中夹杂物吸收动力学特征的方法，炉渣可以包括冶金领域的多个环节，如普通转炉用炉渣、精炼工位用精炼渣、连铸保护渣及特种冶金领域所用炉渣。

本发明在研究夹杂物在钢液中的溶解速率的同时，采用对实验体系外加电流的方法，模拟实际生产操作过程电流对于夹杂物溶解速率的影响。

附图说明

图1是本发明的测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置结构示意图；

其中：1：电源；2：导线；3：漏斗；4：充气管；5：耐火砖套；6：炉盖；7：炉体；8：炉管；9：坩埚；10：液态熔渣；11：发热体；12：耐火材料；13：测温热电偶；14：下法兰；15：气瓶；16：电极；

图2是本发明中刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的实际接触面积A是随时间t变化的函数曲线图；

图3是本发明中刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中发生溶解反应前后的尺寸示意图；

图4为本发明实施例1的刚玉棒溶解速率随时间的变化曲线图；

图5为本发明实施例2的刚玉棒溶解速率随时间的变化曲线图；

图6为本发明实施例3的刚玉棒溶解速率随时间的变化曲线图。

具体实施方式

本实施例中的测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置结构示意图如图1所示，包括电加热炉和坩埚9，所述的电加热炉由炉体7、炉管8和炉盖6组成，炉管8内放置有坩埚9，坩埚9下方的炉管8空间填充有耐火材料12，炉管8的顶部设置有耐火砖套5，底部设置有下法兰14；漏斗3从耐火砖套5插入炉管8内的坩埚9正上方，充气管4一端与气瓶15相连，另一端从耐火砖套5插入炉管8内，两个电极16从耐火砖套5插入坩埚9内，电极16另一端通过导线2与电源1相连，测温热电偶13从下法兰14插入炉管8内。

电加热炉本身自带发热体11。

本发明实施例中分析刚玉棒在熔渣中溶解速率的方法为：通过测量计算刚玉棒与熔渣接触的表面积，并通过表面积计算刚玉棒单位时间内单位表面积的溶解速率。

实施例中采用的惰性气体为氩气。

实施例1

本实施例采用图1中的装置测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解率的方法，按照以下步骤进行：

(1)通过充气管向电加热炉炉管内通入惰性气体并保持流通，在惰性气氛条件下通过漏斗向坩埚中加入冶金用炉渣，本实施例中选用渣系成分按照质量百分比为：60％CaF₂-20％Al₂O₃-20％CaO(6/2/2渣系)，将冶金用炉渣渣料加热至1550℃，保温12min使液态熔渣成分充分均匀化；

(2)称量刚玉棒或镁铝尖晶石棒质量为m₁，其直径为D，半径R＝2/D，单位mm，将刚玉棒或镁铝尖晶石棒插入液态熔渣中，插入深度为H，通过电源向两电极通电，并与液态熔渣构成通电回路，模拟电渣冶金过程，刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中进行匀速旋转，发生溶解反应，反应总时间为T；

(3)取出刚玉棒或镁铝尖晶石棒，冷却至室温后，用0.5mol/L的稀盐酸浸泡刚玉棒或镁铝尖晶石棒表面熔渣，浸泡24小时后，取出刚玉棒或镁铝尖晶石棒，用细砂纸将刚玉棒或镁铝尖晶石棒表面熔渣打磨掉，再次称量刚玉棒或镁铝尖晶石的质量m₂，溶解反应前后刚玉棒或镁铝尖晶石棒所减少的质量为Δm，Δm＝m₁-m₂；

(4)夹杂物颗粒在相应渣系成分下的溶解速率计算公式为：

其中：K为夹杂物颗粒的溶解速率，单位为g/(mm²·min)；△m为刚玉棒或镁铝尖晶石棒溶解反应前后的质量差，单位g；为刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的平均接触面积，单位mm²；T为刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中的总溶解时间，单位为min；

所述的是根据刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的实际接触面积A求出，具体步骤是：

刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的实际接触面积A是随时间t变化的函数，根据A随时间变化的曲线，即图2得到：

而刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣在某一时刻的实际接触面积A等于这一时刻，该刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中底面的面积A_底和该刚玉棒或镁铝尖晶石棒插入熔渣中的部分的侧面面积A_侧之和，即：

A(t)＝A_底(t)+A_侧(t)，其中：

A_侧＝2πrh

A_底＝πr²

所述的r和h分别是刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中溶解过程中的半径和长度，它们仍是时间的函数，单位为mm；

代入式②中得到：

进一步假定刚玉棒在任意垂直于刚玉棒轴线的方向上溶解速率都处于稳态且相等，设定b是刚玉棒初始半径和溶解后半径的差值，单位mm，则如图3所示：

其中：D是刚玉棒溶解前直径，单位mm，d是刚玉棒溶解后直径，单位mm；

用b/T表征刚玉棒半径减少的速率，得得到刚玉棒溶解过程中半径r随时间的变化式：

同时假定刚玉棒在平行于轴线的方向上的溶解速率等于垂直方向上的溶解速率，得刚玉棒溶解部分长度随时间的变化式：

H是刚玉棒插入熔渣中的溶解部分初始长度，单位mm；

将④和⑤式代入③式求出平均接触面积再代入①式可以得到如下公式：

测定三组平行试样，具体数据如表1所示：

表1 三组平行试样在6/2/2渣系中的实验数据

根据三组数据计算得到的平均值进行曲线拟合，得到刚玉棒在熔渣中的溶解率速率随时间变化的曲线K-T，如图4所示。

由图4可知，对于特定成分的渣系，随着时间的增加，刚玉棒与渣接触的表面积减少相应，溶解速率随之增加；

实施例2

本实施例采用的装置同实施例1，测定方法同实施例1，不同点在于：所选用渣系质量百分比为40％CaF₂-30％Al₂O₃-30％CaO(4/3/3渣系)，获得的氧化铝溶解速率随时间的变化曲线图如图5所示。

由图5可知，与例1中渣系相比，随着渣中CaO、Al₂O₃含量的增加，氧化铝的溶解速率随之升高，这是由于随着渣中CaO、Al₂O₃含量的增加，熔渣的熔点降低，从而使相同温度下熔渣的粘度降低、流动性增强，增加了Al₂O₃在渣中的传质系数从而增加了其溶解速率。

实施例3

本实施例采用的装置同实施例1，测定方法同实施例1，不同点在于：所选用渣系质量百分比为70％CaF₂-30％Al₂O₃(7/3渣系)，获得的刚玉棒溶解速率随时间的变化曲线图如图6所示。

由图6可知，随着渣系含量的改变，相同温度下，渣系的熔点上升，使渣的流动性变差，从而减小了氧化铝再渣中的扩散系数，进而溶解速率变小，但是由于刚玉棒在73渣系中溶解速率极慢，使得刚玉棒与渣相接触的表面积变化不大，进而使得溶解速率随时间变化不明显。

Claims (2)

1.采用测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的方法，所述测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的装置包括电加热炉和坩埚，所述的电加热炉由炉体、炉管和炉盖组成，炉管内放置有坩埚，坩埚下方的炉管空间填充有耐火材料，炉管的顶部设置有耐火砖套，底部设置有下法兰；漏斗从耐火砖套插入炉管内的坩埚正上方，充气管一端与气瓶相连，另一端从耐火砖套插入炉管内，两个电极从耐火砖套插入坩埚内，电极另一端通过导线与电源相连，测温热电偶从下法兰插入炉管内，其特征在于所述方法按照以下步骤进行：

(1)通过充气管向电加热炉炉管内通入惰性气体并保持流通，在惰性气氛条件下通过漏斗向坩埚中加入冶金用炉渣，将冶金用炉渣渣料加热至1550～1600℃，保温10～15min使液态熔渣成分充分均匀化；

(2)称量刚玉棒或镁铝尖晶石棒质量为m₁，其直径为D，半径R＝D/2，单位mm，将刚玉棒或镁铝尖晶石棒插入液态熔渣中，插入深度为H，通过电源向两电极通电，并与液态熔渣构成通电回路，模拟电渣冶金过程，刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中进行匀速旋转，发生溶解反应，反应总时间为T；

(3)取出刚玉棒或镁铝尖晶石棒，冷却至室温后，用稀盐酸浸泡刚玉棒或镁铝尖晶石棒表面熔渣，浸泡24小时后，取出刚玉棒或镁铝尖晶石棒，用细砂纸将刚玉棒或镁铝尖晶石棒表面熔渣打磨掉，再次称量刚玉棒或镁铝尖晶石的质量m₂，溶解反应前后刚玉棒或镁铝尖晶石棒所减少的质量为Δm，Δm＝m₁-m₂；

(4)夹杂物颗粒在相应渣系成分下的溶解速率计算公式为：

其中：K为夹杂物颗粒的溶解速率，单位为g/(mm²·min)；△m为刚玉棒或镁铝尖晶石棒溶解反应前后的质量差，单位g；为刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的平均接触面积，单位mm²；T为刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中的总溶解时间，单位为min；

所述的是根据刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的实际接触面积A求出，具体步骤是：

刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣的实际接触面积A是随时间t变化的函数，根据A随时间变化的曲线得到：

而刚玉棒或镁铝尖晶石棒与熔渣在某一时刻的实际接触面积A等于这一时刻，该刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中底面的面积A_底和该刚玉棒或镁铝尖晶石棒插入熔渣中的部分的侧面面积A_侧之和，即：

A(t)＝A_底(t)+A_侧(t)，其中：

A_侧＝2πrh

A_底＝πr²

所述的r和h分别是刚玉棒或镁铝尖晶石棒在熔渣中溶解过程中的半径和长度，它们仍是时间的函数，单位为mm；

代入式②中得到：

进一步假定刚玉棒在任意垂直于刚玉棒轴线的方向上溶解速率都处于稳态且相等，设定b是刚玉棒初始半径和溶解后半径的差值，单位mm，则：

其中：D是刚玉棒溶解前直径，单位mm，d是刚玉棒溶解后直径，单位mm；

用b/T表征刚玉棒半径减少的速率，得到刚玉棒溶解过程中半径r随时间的变化式：

同时假定刚玉棒在平行于轴线的方向上的溶解速率等于垂直方向上的溶解速率，得刚玉棒溶解部分长度随时间的变化式：

H是刚玉棒插入熔渣中的溶解部分初始长度，单位mm；

将④和⑤式代入③式求出平均接触面积再代入①式可以得到如下公式：

即，刚玉棒在熔渣中的溶解速率随时间变化的曲线K-T。

2.根据权利要求1所述的测定夹杂物在冶金用炉渣中溶解速率的方法，其特征在于所述的稀盐酸浓度为0.25～1.0mol/L。