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钢包精炼Ca处理包芯线熔化行为及工艺优化研究

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摘要

第1章 文献综述

1.1 Ca处理的理论基础及其应用效果

1.1.2 钙对MgO·Al2O3夹杂物的变性

1.1.3 钙对硫化物的改性

1.2 钙的物理性质及加钙方式演变

1.2.1 钙的物理性质

1.2.2 钙的加入方法

1.3 Ca处理的现状及喂线参数的优化

1.3.1 Ca处理的现状

1.3.2 喂线参数对Ca处理效果的影响

1.4 包芯线在钢中的熔化特征

1.4.1 包芯线熔化特征的研究意义

1.4.2 包芯线结构对其在钢液中熔化特征的影响

1.5 Ca处理喂线过程的研究方法

1.6 课题研究目的、意义及内容

1.6.1 课题研究目的与意义

1.6.2 研究内容

第2章 钢包喂线工艺的现场调研及研究方案的设计

2.1 Q235钢生产调研情况

2.1.1 Q235钢生产流程

2.1.2 钢包尺寸大小及现场吹氩参数

2.1.3 喂线操作实际生产现状

2.1.4 钢样成分及钢水与结瘤物的取样方案

2.2 实验方案

2.2.1 Q235钢中的夹杂物演变行为研究及Ca处理改性效果分析

2.2.2 包芯线熔化行为、钙的气化行为研究及包芯线理化参数的优化

2.2.3 钢包底吹氩流场模拟及喂线参数的优化

2.3 主要仪器与软件及其用途

第3章 Q235钢中夹杂物演变及Ca处理改性效果分析

3.1 浸入式水口结瘤物分析

3.2 LF-CC流程钢中典型夹杂物的成分与形貌

3.2.1 LF到站吹氩2min钢中夹杂物情况

3.2.2 LF到站吹氩8min时钢中典型夹杂物

3.2.3 加钙即取钢样中典型夹杂物

3.2.4 加钙3min后钢中典型夹杂物

3.2.5 中间包钢中典型夹杂物

3.2.6 铸坯中典型夹杂物分析

3.3 ca处理夹杂物的演变及ca处理效果分析

3.3.1 夹杂物的演变流程

3.3.2 Ca处理改性夹杂物的效果分析

3.4 Ca处理变性夹杂物的热力学与动力学分析

3.4.1 Ca对Al2O3与MgO·Al2O3夹杂物的改性的热力学分析

3.4.2 钙对Al2O3与MgO·Al2O3夹杂物的改性的动力学分析

3.5 本章小结

第4章 包芯线的熔化行为及精准喂钙的优化研究

4.1 SiCa包芯线的熔化模型

4.1.1 包芯线的结构及模型网格的划分

4.1.2 材料参数的测定

4.1.3 包芯线的传热机理

4.1.4 传热模型的计算与观测面的选择

4.2 包芯线熔化特征分析

4.2.1 包芯线的熔化特征

4.2.2 包芯线的熔化时间

4.3 钙在钢液中的气化行为

4.3.1 钙在钢液中的气相区与液相区分布

4.3.2 钙气泡的形成机理分析

4.3.3 氩气泡对钙气化的作用

4.4 包芯线尺寸的优化

4.4.1 CaAl线在单位时间内钢液的钙吸收量

4.4.2 包芯线钢皮厚度的优化设计

4.4.3 包芯线内径大小的设计

4.4.4 包芯线尺寸设计的系统思考

4.5 包芯线的径向偏离行为与包芯线结构的优化

4.5.1 包芯线在钢液中的径向偏离行为

4.5.2 非圆柱形包芯线的内部温度场特征

4.6 包芯线钙合金的选择

4.6.1 钢液中合金元素对钙气相区的影响

4.6.2 钙合金的选择及现场应用对比

4.7 本章小结

第5章 钢包底吹氩流场特征及喂线工艺参数的优化

5.1 钢包底吹氩喂线模型

5.1.1 模型构建

5.1.2 基本假设与计算方式

5.1.3 边界条件的设定

5.1.4 观测面的选择与模拟结果处理

5.2 钢液流场特征分析

5.3 吹氩对夹杂物去除行为模拟结果

5.4 钙在钢中的扩散行为

5.5 吹氩流量与喂线工艺参数的优化

5.5.1 吹氩流量的优化

5.5.2 喂线深度与喂线速度的优化

5.5.3 喂线量的优化

5.5.4 喂线方式的优化

5.6 本章小结

第6章 结论与建议

致谢

参考文献

附录

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摘要

钙处理工艺能将钢中高熔点Al2O3夹杂物改性为低熔点钙铝酸盐,使夹杂物更容易碰撞长大、上浮去除,从而提高钢液洁净度,然而目前实际生产中钙处理效果并不理想,钙的收得率有待提高。本文以国内某CSP厂生产的Q235钢为研究对象,现场调研并分析了SiCa线处理过程中Q235钢的浸入式水口结瘤物及钢中夹杂物的形貌特征,采用热力学与动力学理论解析了夹杂物的改性效果,利用FLUENT软件模拟了SiCa包芯线喂入1873K钢液后的熔化特征,计算了底吹氩的钢包流场、夹杂物在钢中的运动特征及钙在钢液中的扩散行为,同时解析了钙在钢中的气化行为以及不同尺寸、不同结构、不同钙合金的包芯线对Ca处理效果的影响,提出了吹氩参数与喂线参数的优化方案,主要结论如下:
  (1)分析了水口结瘤堵塞物,研究了夹杂物的演变路线,结果如下:
  Ca处理前后夹杂物以Al2O3→MgO·Al2O3→Al2O3·xCaO(·yMgO)+(CaS)→Al2O3·xCaO(·yMgO)的演变规律变化;水口结瘤物主要为未改性的Al2O3、MgO·Al2O3以及改性不充分的钙铝酸盐组成,钙的改性效果不理想;提高钙的收得率、改善钢液流场特征能提升钙处理效果。
  (2)模拟了包芯线的熔化特征,分析了钙的气化行为,研究了包芯线尺寸/结构的优化方案,结果如下:
  包芯线喂入钢液后迅速升温,钢皮还未完全熔破时,SiCa合金就已经熔化,当钢皮完全熔化时,SiCa合金液体进入钢液。钢皮厚度为0.74mm、内芯半径4.28mm的SiCa线在1873K钢液中的熔化时间为0.94s。
  钙喂入钢液后不会立刻气化,只有当钙的蒸气压大于钢液静压力与大气压之和时,钙才开始气化。钙在钢液中的气化行为属于均相形核,钙遇上钢液中的氩气泡时,钙的气化行为属于异相形核,异相形核更容易发生,导致钙的烧损,优化钙的扩散行为应尽可能的防止钙与氩气泡的接触。
  包芯线的熔化时间与包芯线钢皮厚度、内芯半径大小成正比,设计包芯线尺寸大小,应将单位时间钢水对钙的吸收量作为重要指标进行分析,尺寸不同的包芯线往往能得到相同的Ca处理效果。采用截面不规则形式的包芯线,可望防止径向偏离与喂线断线现象。现场Ca处理过程中,采用纯钙包芯线往往比钙合金形式的包芯线处理效果更好。
  (3)模拟了钢包底吹氩钢液的流场特征与钙在钢液中的扩散行为,提出了喂线参数的优化方案,结果如下:
  钢液随着氩气泡的带动在钢包中做循环流动,其流动特征为一个与氩气泡上升路线相切的大圆环,吹氩流量较大,钢液混匀时间越短,钢液中夹杂物的运动轨迹与钢液的流动曲线高度相似,夹杂物尺寸越大越容易被去除,由于钙与钢液之间的粘度较大,钙喂入钢液后主要在喂线区域扩散,而后上浮。
  SiCa包芯线的喂入速度应控制在3.15~4.72m/s。采用倾斜喂入包芯线的方式进行Ca处理,更有利于防止径向偏离与卷渣现象,SiCa线喂线量在400m~500m、纯钙线喂线量在300~600m之间时,钙的收得率波动不大且较高,成品[Ca]含量也较高。

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