超重力处理钢液及钢渣基础研究

发布时间：2019-02-14 16:52

【摘要】：化学反应后的物相分离快慢是决定冶金反应速率的关键因素,从而制约着冶金工业的生产效率,而采用施加外场的方法来促进物相分离是提高冶金速率的主要方法。本文利用超重力技术的强化传质、强化相际分离的特点,将超重力引入到冶金不同领域,针对钢液中非金属夹杂物的去除,钢的凝固组织细化及钢渣中富磷相与富铁相的分离做系统研究,拓展超重力技术在冶金领域的应用。通过Stokes公式计算结果表明,微小Al2O3夹杂物在常重力场下从钢包底部完全上浮到表面需要大量时间,而在超重力场的作用下,此时间得到大幅度减小,理论上证明超重力去除钢液中非金属夹杂物的可行性。因此,论文利用自行设计的微波加热超重力装置对铝脱氧钢中微小A1203夹杂物进行恒温分离实验研究。结果表明,超重力可以有效分离钢液中微小A1203夹杂物,超重力处理后,大量夹杂物聚集在试样的上部,且沿着超重力方向,夹杂物的体积分数、数量密度及平均尺寸均呈现梯度分布,并且随着超重力系数的增加、处理时间的延长,梯度分布的斜率越大。在超重力G=80,t=15 min下,试样的下部5 mm处全氧含量从191.7 ppm降为8.37 ppm,去除率高达95.6%。对于304不锈钢中Si02复合夹杂物的超重力分离得到相似的结果,超重力处理后,大量Si02复合夹杂物聚集在试样上部,但复合夹杂中的MnS由于高温下溶解于钢液而未形成富集。理论计算表明,实验所分离尺寸夹杂物在重力系数G=80处理15 min后不能达到完全上浮,但夹杂物在上浮的过程中由于速度差不断产生碰撞长大,从而上浮速度得到提高,被快速分离至表面。对超重力细化钢的凝固组织研究结果表明,超重力对于Crl2及T10钢凝固组织具有明显的细化效果。随着重力系数的增加,Cr12及T10钢试样中部等轴晶晶粒尺寸逐渐减小,对应位置的抗拉强度及延伸率则逐渐增大,晶粒细化可以提高强度同时不失韧性。分析认为Cr12及T10均有宽广的凝固区间,在凝固速率一定的前提下,为超重力细化凝固组织提供了足够的时间。同时认为实验中晶粒细化是因为超重力具有减小形核功的特点,同时超重力也可以加强熔体对流,使其冲刷枝晶形成更多异质形核。利用自行设计的电阻加热超重力装置,针对先析出富磷相密度小于熔体的特点,在固液两相区进行CaO-SiO2-FetO-MgO-P205五元模拟钢渣熔体中磷富集相超重力富集。结果发现,试样出现明显分层,显微分析发现试样上部聚集大量富磷相颗粒,且粒度和体积分数沿超重力方向呈现梯度分布,下部多为富铁相,此现象可由Stokes方程解释。分层样品进行XRD及XRF分析后分别得到试样的矿相组成及磷与铁的回收率。为进一步提高回收率,论文进行了超重力过滤分离磷富集相,超重力处理后,在实验温度所析出的富磷相全部被过滤毡截留在上部,剩余熔体经过滤流入下部坩埚,P2O5及FetO的回收率分别高达85.02%和76.67%。模拟钢渣中富磷相的成功富集与分离,为进一步进行超重力富集分离实际钢渣提供了实验及理论基础。实际钢渣经过超重力富集后,富磷相被成功富集到试样上部,而下部主要由铁铝酸钙及RO相组成。进一步对钢渣熔体进行超重力过滤分离后,P2O5及FetO的回收率得到极大提高,表明超重力分离钢渣有价元素并实现其重复利用是可行的。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF703

【参考文献】