1025-特殊钢精炼渣系设计模型及应用

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GCr15TheModelofDesigningofSpecialSteelrefiningslagandApplicationMengXiaoling1ChengGuoguang1(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedMetallurgy,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing,100083,China)Abstract:Themodelofmetal-slagequilibriumcalculationisestablishedbasedonstructureunitsextractedfromFactSagesoftwareFSsteeldatebaseandcoexistencetheoryofslagfordesigningofspecialsteelrefiningslag.Themodelisproposedbyassumingthatthetotaldissolvedoxygencontainselementaloxygenandassociatedoxygen(M*O、M2*O).Themodelisprovedtobereasonablebycomparingwiththeformerexperimentresults.TheequilibriumbetweenCaO-Al2O3-SiO2ternaryslagandGCr15metalunderdifferentcontentofCaOandtemperatureareobtained.Keywords:FactSagespecialsteel,refiningslag,metal-slagequilibrium,coexistencetheory,GCr151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：MOMO*lnMOMOGRTK（1）22MOMO22**lnMOMOGRTK（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：MOMOMONKNN（3）22*2MOMOMONKNN（4）上述平衡常数表达式中，iN为作用浓度，可用摩尔分数表示，即：iinNn（5）另外，根据质量守恒：2**_2MMMOMOTnnnn（6）2**_OOMOMOTnnnn（7）其中，in表示组元i的摩尔数，_MTn、_OTn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：[][]()xyxMyOMOlnxyxyMOMOGRTK（8）根据质量作用定律，其平衡常数可以写为：xyxyMOMOxyMONKNN（9）其中，xyMO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*MOK、2*MOK、xyMOK已知，xyMO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11600℃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2CaO-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3CaO-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%CSiMnCrAlO10.20.31.5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：232[]3[]()AlOAlO232323AlOAlOAlONKNN（10）2[]2[]()SiOSiO222SiOSiOSiONKNN（11）其中，Al2O3、SiO2的作用浓度23AlON、2SiON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，CaObn，231AlOan，22SiOan。平衡后各结构单元的作用浓度分别为1CaONN，232AlONN，23SiONN，24CaOSiONN，252CaOSiONN，263CaOSiONN，237CaOAlONN，2382CaOAlONN，2396CaOAlONN，23103CaOAlONN，2311127CaOAlONN，232122CaOAlOSiONN，232132CaOAlOSiONN，2321432AlOSiONN，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：1411iiN(12)根据物料平衡：127891011121314(NN2N6NN7NNN3N)an(13)23456121314(NNNNN2N2N)an(14)145678910111213(0.5233122)bnNNNNNNNNNNN(15)121026056100aab(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41600℃，不同CaO含量下的钢渣平衡关系图5CaO=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含量的要求，可以确定与其平衡的炉渣组成及钢液中溶解氧含量，从而作为精炼渣设计的理论基础。当然，实际生产中钢液及炉渣组成更为复杂，钢渣反应也不一定能够达到完全平衡，因此精炼渣的设计也不能直接依靠热力学计算数据，还应考虑钢渣反应的动力学条件以及实际的生产情况等。但总的来说，本模型作为精炼渣设计的理论依据还是有很重要的意义。参考文献[1]W.D.ChoandP.Fan.DiffusionalDissolutionofAluminainVariousSteelmakingSlags[J].ISIJInt.,2004,44(2):229-234.[2]S.H.Chen,M.Jiang,X.F.He,andX.H.Wang.Top