CN108875285A - 一种钢水精炼渣成分设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钢水精炼渣成分设计方法，属于洁净钢冶炼技术领域。本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法，首先建立和求解钢渣界面处夹杂物运动模型，然后定量化评价夹杂物尺寸、夹杂物密度、渣相密度、渣相粘度、钢水密度、钢水粘度、夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物在钢渣界面处运动去除过程的影响，确定夹杂物能够去除时的渣相粘度范围和渣相成分范围，同时结合钢中夹杂物目标成分控制要求，确定最优的精炼渣成分范围。本发明不仅解决了现有技术中无法同时兼顾对夹杂物目标成分的控制和减少夹杂物数量两大任务的不足，也实现了预先确定适合不同钢种生产时所需的精炼渣成分的目标，有利于降低企业的生产成本和提高钢产品的质量。
Description
技术领域
本发明属于洁净钢冶炼技术领域，更具体地说，涉及一种钢水精炼渣成分设计方法。
背景技术
钢铁作为结构功能性材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、石油化工和建筑行业等领域，并以其低廉的价格、可靠的性能在社会生产生活中起着不可替代的作用。随着社会的发展和生产技术的提高，人们对钢铁材料提出了更高的要求，主要表现为钢中总氧含量要低、夹杂物数量要少且具有较好的变形能力。钢中夹杂物的存在，破坏了钢基体的连续性，若熔点较高，不易变形，在后续轧制过程中容易造成夹杂物周围裂纹的产生，严重影响最终产品的质量和性能。为此，冶金工作者的任务主要集中在：一是减少钢中夹杂物的数量，特别是减少氧化物夹杂的数量，二是改善夹杂物的性质和形态，增加塑性夹杂物所占的比例，减少或消除硬脆性不变形夹杂物，也就是实现对夹杂物目标成分的控制。
其中，对于任务一，为了减少钢中夹杂物的数量，在精炼过程中常常进行吹氩搅拌操作，氩气泡的吹入使得夹杂物粘附在气泡表面跟随气泡一起向钢渣界面处运动，但夹杂物运动至钢渣界面处是否能被很好地去除往往不得而知。其原因为：夹杂物在钢渣界面处的运动去除需要经历分离和溶解两个过程，影响上述两个过程的关键因素主要为：渣相的粘度、夹杂物在钢渣界面处的润湿性、钢水-渣相间的界面张力(周业连，邓志银，朱苗勇，固/液态夹杂物在钢渣界面的分离机理研究[J].过程工程学报，2018，18(1)，pp 96-102)。上述影响因素与钢水精炼渣的化学成分密切相关，而目前关于钢水精炼渣化学成分对夹杂物去除过程影响的研究相对较少。
对于任务二，改善夹杂物的性质和形态，常见的工艺操作是调整炉渣碱度和脱氧剂的成分(张静，于会香，王新华，王万军，王茂，精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响[J].北京科技大学学报，2011，33(7)，pp 828-833)，通过脱氧反应和渣钢界面反应实现对夹杂物目标成分的控制，但此过程忽略了夹杂物在钢渣界面处的运动去除，以减少其在钢中的数量分布。对于特定钢种的生产，确定一个合适的精炼渣碱度，通常需要预先开展大量的实验室实验和工业试验调研，这必然增加了生产成本的投入，也影响着企业的生产效率。
因此，对钢水精炼渣的成分进行优化设计，从而满足钢铁冶炼中上述两个任务的需求具有重要的意义。经检索，关于钢水精炼渣组分与配比的专利已有较多公开。如，中国专利申请号为200610039275.1的申请案公开了一种超纯净钢用精炼渣及制备方法，所述精炼渣的化学组成为：CaO：45～59％wt，Al2O3：40～50％wt，SiO2：1～5％wt，其中TiO2≤50ppm，N≤200ppm，(B+Pb)≤100ppm，(S+P)≤200ppm，精炼渣碱度R(CaO/SiO2)>9.0。中国专利申请号为201010616128.2的申请案公开了一种钢水精炼渣及其应用，该精炼渣的化学成分为：CaO：45％～53％、SiO2：8％～12％、Al2O3：20％～25％、MgO≤12％、Na2O+K2O≤2.5％、Al+Si≤3.5％、P≤0.07％、S≤0.07％、TFe≤1.0％，其余物质为原料含有的不可避免的杂质，炉渣碱度R(CaO/SiO2)为4.0～4.5。中国专利申请号为201510441084.7的申请案公开了一种冶炼轴承钢用精炼渣的制备方法，该方法制得的渣系Ca/Al＝0.8～2.0，各组分按重量百分比计算为：CaO 38％～56％，SiO2 5％～12％，Al2O3 28％～48％，MgO 2％～8％，CaF22％～6％，余量为杂质。
又如，中国专利申请号为201510457187.2的申请案公开了一种钢包炉精炼渣系，该渣系的熔点为1327℃，其组成和含量为：氧化钙50～60％，二氧化硅4～7％，三氧化二铝22～27％，其余残余成分为氧化镁和氧化铁，炉渣碱度R(CaO/SiO2)>7.0。中国专利申请号为201510711839.0的申请案公开了一种钢水精炼渣及其制备方法和应用，该精炼渣化学成分及其重量配比为：CaO：30～40％、MAl：25～35％、SiO2：2～4％、Al2O3：15～25％，其碱度控制在6～13。
上述申请案的精炼渣主要具有以下优点：精炼渣熔点较低，可快速成渣，渣的流动性良好，具有较好的脱硫能力；可降低钢水中[H]、[N]、[O]等气体元素含量，满足真空脱气的要求；炉渣的发气时间长，发泡效果好，提高钢水的洁净度，降低钢中有害杂质。但现有技术中并没有给出不同钢种生产所用精炼渣的配方设计原理及依据，且采用现有精炼渣的配方通常无法同时兼顾对夹杂物目标成分的控制和减少夹杂物数量两大任务，不利于进一步提高钢产品的质量。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有精炼渣无法同时兼顾对夹杂物目标成分的控制和减少夹杂物数量两大任务的不足，提供了一种钢水精炼渣成分设计方法。采用本发明的技术方案能够根据需要，预先对不同钢种生产时所需钢水精炼渣的成分范围进行确定和设计，从而实现钢中夹杂物数量的减少及其目标成分的精确控制。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据夹杂物在钢渣界面处所受浮力、曳力、反弹力和附加质量力，构造夹杂物在钢渣界面处的受力平衡方程，从而确定钢渣界面处夹杂物的运动模型；
步骤二、计算求解钢渣界面处夹杂物的运动模型，得到夹杂物运动位移随时间的变化，根据夹杂物的运动位移与夹杂物自身直径的大小关确定夹杂物在钢渣界面处的运动状态；
步骤三、分别定量化评价夹杂物尺寸、夹杂物密度、渣相密度、渣相粘度、钢水密度、钢水粘度以及夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物在钢渣界面处运动去除过程的影响，确定渣相粘度和夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物运动状态影响的关系图；
步骤四、根据渣相粘度和夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物运动状态影响的关系图，确定夹杂物能够去除时所对应的渣相粘度范围；
步骤五、根据得到的渣相粘度范围，采用FactSage热力学软件计算得到对应的渣相成分范围；同时结合钢中夹杂物目标成分的控制要求，确定最优的精炼渣成分范围。
更进一步的，步骤一中所得钢渣界面处夹杂物的运动模型，即夹杂物在钢渣界面处的运动位移表达式为：
上式中：
B(Z*)＝Z*-1-cosθplS (10)
其中，Z*为钢渣界面处夹杂物的无量纲位移；t*为无量纲时间；rp为夹杂物的半径(μm)；ρp为夹杂物的密度(kg/m3)；ρS为渣相的密度(kg/m3)；ρl为钢水的密度(kg/m3)；cosθplS为夹杂物在钢渣界面处总的润湿性；μS为渣相的粘度(Pa·s)；μl为钢水的粘度(Pa·s)；σlS为钢水和渣相间的界面张力(N/m)。
更进一步的，步骤(13)中的Z*、t*及dZ*/dt*分别按下式计算得到：
Z*＝Z/rp (2)
其中，Z为钢渣界面处夹杂物的位移(m)；t为夹杂物在钢渣界面处的运动时间(s)。
更进一步的，所述公式(10)中cosθplS根据下式进行计算：
其中，σpl为夹杂物和钢水间的界面张力(N/m)；σpS为夹杂物和渣相间的界面张力(N/m)。
更进一步的，所述钢渣界面处夹杂物的运动模型通过以下方法计算得到：构建夹杂物在钢渣界面处的受力平衡方程，如下公式(1)所示：
然后根据公式(2)-公式(4)对公式(1)进行无量化处理，即可计算得到夹杂物在钢渣界面处的运动位移表达式；其中，Fb、Fd、Fr、Fa分别为夹杂物在钢渣界面处所受浮力、曳力、反弹力和附加质量力，分别通过下式进行计算：
(1)浮力(Fb)：
(2)曳力(Fd)：
(3)反弹力(Fr)：
Fr＝2πrp·σlS·B(Z*) (9)
(4)附加质量力(Fa)：
更进一步的，所述步骤二中采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法计算求解钢渣界面处夹杂物的运动模型。
更进一步的，当夹杂物运动位移大于其自身直径时，夹杂物将穿过钢渣界面进入渣相内被吸附去除，反之夹杂物将保留在钢渣界面处无法去除。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法，通过建立和求解钢渣界面处夹杂物运动模型，确定夹杂物能够去除时的渣相粘度范围和渣相成分范围，同时结合夹杂物目标成分的控制要求，从而能够确定最优的精炼渣成分范围，为实际生产中预先确定精炼渣成分奠定了理论基础。
(2)本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法，通过考虑不同类型夹杂物在钢渣界面处的运动去除和夹杂物目标成分的控制要求，能够确定适用于不同钢种生产时需要的精炼渣成分范围，从而能够满足不同钢种生产时不同种类夹杂物的控制需求，有利于保证生产所得不同种类钢种的使用性能，克服了现有技术中仅仅针对轴承钢、管线钢等特定钢种的生产。
(3)本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法，该方法确定了适用于不同钢种生产时所需的精炼渣成分范围，既能够实现减少钢中夹杂物数量的任务，又能够实现对夹杂物目标成分精确控制的要求，克服了现有技术中无法同时兼顾对夹杂物目标成分的控制和减少夹杂物数量两大任务的不足，从而可以有效保证所得产品的质量和性能。
(4)本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法，采用该方法预先确定不同钢种生产时所需的精炼渣成分范围，操作简单，同时还可以有效减少实验室实验和工业试验等研究工作的开展，有利于降低企业的生产成本和提高钢产品的质量。
附图说明
图1为本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法流程图；
图2为本发明的夹杂物在钢渣界面处运动时的受力示意图；
图3为本发明实施例中渣相粘度和夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物运动状态影响的关系图；
图4为本发明实施例中同时兼顾对夹杂物目标成分的控制和减少夹杂物数量时渣相成分范围的分布图。
具体实施方式
本发明的一种钢水精炼渣成分设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、根据夹杂物在钢渣界面处所受浮力、曳力、反弹力和附加质量力，构造夹杂物在钢渣界面处的受力平衡方程，从而得到钢渣界面处夹杂物的运动模型；所述钢渣界面处夹杂物运动模型建立的具体过程如下：
1)根据图2，构建夹杂物在钢渣界面处的受力平衡方程：
其中，rp为夹杂物的半径(μm)；ρp为夹杂物的密度(kg/m3)；Z为钢渣界面处夹杂物的位移(m)；t为夹杂物运动时间(s)；Fb、Fd、Fr、Fa分别为夹杂物在钢渣界面处所受浮力、曳力、反弹力和附加质量力。
2)为了简化计算过程，作(2)式至(4)式所示的无量化处理：
Z*＝Z/rp (2)
其中，Z*为钢渣界面处夹杂物的无量纲位移；t*为无量纲时间；g为重力加速度值(m/s2)。对于夹杂物在钢渣界面处所受浮力(Fb)、曳力(Fd)、反弹力(Fr)和附加质量力(Fa)，对应的计算表达式如下所示。
浮力(Fb)：
其中，ρS为渣相的密度(kg/m3)；ρl为钢水的密度(kg/m3)。
曳力(Fd)：
其中，μS为渣相的粘度(Pa·s)；μl为钢水的粘度(Pa·s)。
反弹力(Fr)：
Fr＝2πrp·σlS·B(Z*) (9)
B(Z*)＝Z*-1-cosθplS (10)
其中，σlS为钢水和渣相间的界面张力(N/m)；σpl为夹杂物和钢水间的界面张力(N/m)；σpS为夹杂物和渣相间的界面张力(N/m)；cosθplS为夹杂物在钢渣界面处总的润湿性。
附加质量力(Fa)：
由表达式(1)-(12)即可计算得到夹杂物在钢渣界面处的运动位移表达式为：
公式(1)-公式(15)中的参数均可以直接采用现有方法测量得到或者现有已公开的资料中查阅得到，其中A(Z*)、B(Z*)、C(Z*)、D(Z*)和E(Z*)无具体含义，其仅是为了便于表达而对公式进行简化处理。
步骤二、采用C++语言和四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法计算求解钢渣界面处夹杂物的运动模型(公式(13))，得到夹杂物运动位移随时间的变化。根据夹杂物的运动位移与夹杂物自身直径的大小关系确定夹杂物在钢渣界面处的运动状态，即确定夹杂物在钢渣界面处是否被去除，其中当夹杂物运动位移大于其自身直径时，夹杂物将穿过钢渣界面进入渣相内被吸附去除，反之夹杂物将保留在钢渣界面处无法去除。
步骤三、分别定量化评价夹杂物尺寸、夹杂物密度、渣相密度、渣相粘度、钢水密度、钢水粘度以及夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物在钢渣界面处运动去除过程的影响，确定渣相粘度和夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物运动状态影响的关系图。
步骤四、根据渣相粘度和夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物运动状态影响的关系图，确定夹杂物能够去除时所对应的渣相粘度范围。
步骤五、根据得到的渣相粘度范围，采用FactSage热力学软件计算得到对应的渣相成分范围；同时结合钢中夹杂物目标成分的控制要求，确定最优的精炼渣成分范围。
本发明通过建立和求解钢渣界面处夹杂物运动模型，确定夹杂物能够去除时的渣相粘度范围和渣相成分范围，结合夹杂物目标成分的控制要求，确定最优的精炼渣成分范围，从而为实际生产中预先确定精炼渣成分奠定了理论基础。通过考虑不同类型夹杂物在钢渣界面处的运动去除和夹杂物目标成分的控制要求，确定适用于不同钢种生产时需要的精炼渣成分范围，克服了现有技术中仅仅针对轴承钢、管线钢等特定钢种的生产。同时，本发明既能够实现减少钢中夹杂物数量的任务，又能够实现对夹杂物目标成分精确控制的要求，克服了现有技术中无法同时兼顾对夹杂物目标成分的控制和减少夹杂物数量两大任务的不足。采用本发明的方法可以预先确定不同钢种生产时所需的精炼渣成分范围，有效地减少了实验室实验和工业试验等研究工作的开展，有利于降低企业的生产成本和提高钢产品的质量。
为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例主要针对轴承钢的生产，轴承钢生产过程中主要采用Al脱氧，向钢水中加入的Al元素与钢中的[O]发生反应：2[Al]+3[O]＝Al2O3，对应的夹杂物主要为Al2O3。由于轴承钢生产过程中需要保证钢中具有较低的氧含量，而氧含量的高低与氧化物夹杂Al2O3的数量密切相关，若在精炼过程中尽可能促进Al2O3夹杂物在钢渣界面处的运动去除，有利于降低钢中的氧含量。为此，针对CaO-SiO2-Al2O3渣系，根据Al2O3夹杂物在钢渣界面处所受浮力、曳力、反弹力和附加质量力，建立Al2O3夹杂物在钢渣界面处的运动模型，采用C++语言和四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法计算求解所建立的运动模型，得到Al2O3夹杂物运动位移随时间的变化，确定Al2O3夹杂物在钢渣界面处的运动状态，即穿过钢渣界面进入渣相去除、保留在钢渣界面处以及在钢渣界面处发生震荡。
分别定量化评价Al2O3夹杂物尺寸、夹杂物密度、CaO-SiO2-Al2O3渣相密度、渣相粘度、钢水密度、钢水粘度、Al2O3夹杂物在钢渣界面处的润湿性对其在钢渣界面处运动去除过程的影响，确定CaO-SiO2-Al2O3渣相粘度和Al2O3夹杂物在钢渣界面处的润湿性对其运动状态影响的关系，对应结果如图3所示。随着CaO-SiO2-Al2O3渣相粘度的减小以及Al2O3夹杂物在钢渣界面处润湿性的增大，Al2O3夹杂物在钢渣界面处的运动状态逐渐由保留在钢渣界面处、在钢渣界面处震荡转变为穿过钢渣界面进入渣相去除。由于Al2O3夹杂物在钢渣界面的润湿性范围为0.653～0.849，由此可知，保证Al2O3夹杂物能够完全穿过钢渣界面进入渣相去除时的渣相粘度应低于0.09Pa·s。
精炼过程中钢水温度一般为1600℃左右，采用FactSage热力学软件可计算得到CaO-SiO2-Al2O3渣相粘度低于0.09Pa·s时的成分范围，对应图4中阴影部分所在区域。该区域内渣相的碱度(CaO/SiO2)大于4.0，符合轴承钢实际生产要求。以炉渣碱度4.5为例，图中A点和B点位置分别限定了CaO、SiO2和Al2O3的含量，对应成分范围为：CaO：55～62％，SiO2：12.5～13.5％，Al2O3：24.5～32％。进一步地，国内某企业在生产GCr15轴承钢过程中始终保持LF精炼过程炉渣碱度(CaO/SiO2)在4.0以上，渣中Al2O3含量保持在25～30％，刚好位于上述成分范围，表1-1给出了该钢种对应的化学成分。通过多次现场取样检测分析得到，LF精炼结束时钢中总氧含量已低于8ppm，控制效果较好，总氧含量保持在较低水平也说明了钢中Al2O3夹杂物数量的大幅度减小。
表1-1GCr15轴承钢化学成分
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | V | Al |
| 含量(％) | 0.97 | 0.21 | 0.33 | 0.013 | 0.007 | 1.47 | 0.015 | 0.003 | 0.01 |
Claims (7)
1.一种钢水精炼渣成分设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据夹杂物在钢渣界面处所受浮力、曳力、反弹力和附加质量力，构造夹杂物在钢渣界面处的受力平衡方程，从而确定钢渣界面处夹杂物的运动模型；
步骤二、计算求解钢渣界面处夹杂物的运动模型，得到夹杂物运动位移随时间的变化，根据夹杂物的运动位移与夹杂物自身直径的大小关系确定夹杂物在钢渣界面处的运动状态；
步骤三、分别定量化评价夹杂物尺寸、夹杂物密度、渣相密度、渣相粘度、钢水密度、钢水粘度以及夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物在钢渣界面处运动去除过程的影响，最终确定渣相粘度和夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物运动状态影响的关系图；
步骤四、根据渣相粘度和夹杂物在钢渣界面处的润湿性对夹杂物运动状态影响的关系图，确定夹杂物能够去除时所对应的渣相粘度范围；
步骤五、根据得到的渣相粘度范围，采用FactSage热力学软件计算得到对应的渣相成分范围；同时结合钢中夹杂物目标成分的控制要求，确定最优的精炼渣成分范围。
2.根据权利要求1所述的一种钢水精炼渣成分设计方法，其特征在于：步骤一中所得钢渣界面处夹杂物的运动模型，即夹杂物在钢渣界面处的运动位移表达式为：
上式中：
B(Z*)＝Z*-1-cosθplS (10)
其中，Z*为钢渣界面处夹杂物的无量纲位移；t*为无量纲时间；rp为夹杂物的半径(μm)；ρp为夹杂物的密度(kg/m3)；ρS为渣相的密度(kg/m3)；ρl为钢水的密度(kg/m3)；cosθplS为夹杂物在钢渣界面处总的润湿性；μS为渣相的粘度(Pa·s)；μl为钢水的粘度(Pa·s)；σlS为钢水和渣相间的界面张力(N/m)。
3.根据权利要求2所述的一种钢水精炼渣成分设计方法，其特征在于，步骤(13)中的Z*、t*及dZ*/dt*分别按下式计算得到：
Z*＝Z/rp (2)
其中，Z为钢渣界面处夹杂物的位移(m)；t为夹杂物在钢渣界面处的运动时间(s)。
4.根据权利要求2所述的一种钢水精炼渣成分设计方法，其特征在于：所述公式(10)中cosθplS根据下式进行计算：
其中，σpl为夹杂物和钢水间的界面张力(N/m)；σpS为夹杂物和渣相间的界面张力(N/m)。
5.根据权利要求3所述的一种钢水精炼渣成分设计方法，其特征在于，所述钢渣界面处夹杂物的运动模型通过以下方法计算得到：构建夹杂物在钢渣界面处的受力平衡方程，如下公式(1)所示：
然后根据公式(2)-公式(4)对公式(1)进行无量化处理，即可计算得到夹杂物在钢渣界面处的运动位移表达式；其中，Fb、Fd、Fr、Fa分别为夹杂物在钢渣界面处所受浮力、曳力、反弹力和附加质量力，分别通过下式进行计算：
(1)浮力(Fb)：
(2)曳力(Fd)：
(3)反弹力(Fr)：
Fr＝2πrp·σlS·B(Z*) (9)
(4)附加质量力(Fa)：
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种钢水精炼渣成分设计方法，其特征在于：所述步骤二中采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法计算求解钢渣界面处夹杂物的运动模型。
7.根据权利要求6所述的一种钢水精炼渣成分设计方法，其特征在于：当夹杂物运动位移大于其自身直径时，夹杂物将穿过钢渣界面进入渣相内被吸附去除，反之夹杂物将保留在钢渣界面处无法去除。
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