冶金熔体题目：钢液夹杂物的行为及去除 姓名： 王接喜 学号： 103511050 序号： 20 学院： 冶金科学与工程学院 专业： 有色金属冶金 完成时间： 2010- 12- 29Central South University钢液夹杂物的行为及去除王接喜（中南大学冶金科学与工程学院，长沙，410083）摘要：钢液中夹杂物的行为涉及的内容很广，其基本的物理过程大致包括：形核、生长、聚合、传递等，夹杂物去除可以视为传递过程的结果。

钢中夹杂物去除的主要环节为夹杂物的长大、上浮和分离。

钢中夹杂物去除技术有：气体搅拌-钢包吹氩、中间包气幕挡墙和RH-NK-RERM法；电磁净化-钢包电磁搅拌、中间包离心分离和结晶器电磁制动；渣洗技术；过滤器技术。

关键词：钢液；夹杂物；生长；去除；中间包；电磁场Behavior and removal of inclusions in molten steelWANG Jiexi, ZHOU Yongmao(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha, China410083)Abstract：The behavior of inclusions in molten steel includes physical processes such as nucleation, growth, polymerization and transmission. The removal of inclusions can be seen as the result of transmission, which involves inclusion growth, floating and separating. The key progress on technique for removal of inclusions in steel is gas stirring-ladle argon blowing, gas shielding weir and dam in tundish, RH-NK-RERM method, electromagnetic cleaning-ladle electromagnetic stirring, tundish centrifugal separating and mold electromagnetic braking, slag washing and filter technique.Key words：molten steel, inclusions, growth, removal, tundish, electromagnetic field引言钢中非金属夹杂物事氧化物、硫化物、氮化物、硅酸盐等以及由它们组成的各种复杂化合物的统称[1]。

根据国家标准，金属夹杂物分为五类，分别为以硫化物为主的A类、以氧化铝为主的B类、以硅酸盐为主的C类、以球形氧化物为主的D类和以单颗粒球为主的Ds类。

夹杂物的主要来源为内生夹杂和外来夹杂。

内生夹杂包括四个方面：脱氧时的脱氧产物；钢液温度下降时S、O、N等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的生成物；凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；固态钢镶边溶解度变化生成的产物[2]。

钢的内在质量与钢液的纯净度有很大的关系。

钢液中的非金属夹杂物可导致产品性能的恶化、内在品质的下降，同时非金属夹杂物有助于气孔的形成，降低铸件的致密度[3]；夹杂物的存在破坏了基体的连续性，造成金属组织的不均匀，使金属的力学性能变差，对材料的加工(拉拔和深冲)性能、疲劳性能、表面质量和耐腐蚀性能等产生不利影响[4-5]；另外还使钢的冷热加工性能变坏。

夹杂物还容易在壁面沉积，造成结晶器水口、RH上升和下降管堵塞，不仅降低冶金容器的寿命，而且直接危及生产的连续性和稳定性[6]。

由于非金属夹杂对钢的性能影响严重，因此在炼钢、精炼和连铸过程中，应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量，控制其形状和尺寸。

减少钢中夹杂物，提高钢的洁净度可以显著改善钢材的延展性、韧性、抗腐蚀性等。

1 钢液夹杂物的行为夹杂物浸出钢液的行为主要包括行核、长大、扩散传递、沉积等过程[7]。

1.1 夹杂物行核夹杂物形成，起源于脱氧、脱硫、脱磷等原始的冶金反应。

以典型的脱氧反应为例，脱氧产物首先出现在金属熔体中的溶解[O]与弥散于熔体中的脱氧元素[M]的反应界面，然后以新相析出于金属液中，即形核。

根据均相形核理论，脱氧产物的形核自由能变化为：32443V G r G r ππγ∆=∆+ （1） 对上式求导，倒数为零时得临界行核半径：22ln P V P M r G T Sγγρ*-==∆ （2） 把γ*值代入式（1），得临界行核吉布斯自由能：3222163ln P P M G T S πγρ*∆= （3） 因此，均质形核必须要有一定的过饱和度S ，S 越大，所需产生临界晶核的吉布斯自由能越小，并且临界半径也越小。

对于一些强氧化剂，如Al 、Ti 等而言，获得较高的过饱和度并不困难，而在使用弱氧化剂如Si 、Mn 的情况下，均质形核则比较困难。

但由于在液相的个别微观体积内，组分的浓度核能量常有起伏，当浓度和能量高过其平衡值时，仍可导致新相的形成，称异相起伏。

这种情况很可能出现在加入钢液的合金颗粒附近。

1.2 夹杂物的长大钢液中，夹杂物的生长包括三种方式，即扩散-反应-析出、奥斯瓦尔德催熟(熟化)和碰撞聚合。

1.2.1 扩散-反应-析出扩散-反应-析出是指夹杂物形核之后，参加反应的元素，以化学计量数，扩散到夹杂物核表面，在那里反应并以产物形式析出。

扩散长大一般出现在早期冶炼环节，化学反应是它的显著特征，因此它属于化学生长。

坂上六郎研究了硅的脱氧，发现脱氧产物SiO 2的生长速度明显慢于扩散-反应-析出理论的预测结果，因此，他认为硅脱氧产物生长的控制性环节不是扩散，而是表面化学反应。

由此可见，该理论不具有一般性。

1.2.2 溶解-析出长大溶解-析出长大是指较小的颗粒溶解并在较大颗粒表面析出的生长模式。

其热力学依据为：颗粒越小表面自由能越大，从而溶解度越大。

由于是Oswalds1900年在研究合金烧结时最早发现这一现象，所以又叫奥斯瓦尔德熟化。

Wagner 等[8]对受溶解控制和扩散控制的颗粒熟化进行了研究，并分别确定了颗粒平均半径的表达式。

受溶解控制时： 222064()(0)81T m K C V R t R t RT γ-= （4） 受扩散控制时： 23308()(0)9m DC V R t R t RT γ-= （5） 坂上六郎根据该理论计算估计了SiO 2夹杂物的长大，得到的结果说明奥斯瓦尔德熟化非常缓慢，可忽略。

1.2.3 碰撞聚合通过机械碰撞使夹杂物聚结，然后烧结或融合的过程，称为碰撞聚合。

碰撞聚合是偶然、间断进行的，属于物理生长。

夹杂物间的碰撞有三种方式[9](如图l 所示)：布朗碰撞，斯托克斯碰撞和湍流碰撞。

布朗碰撞是指夹杂物在钢液中进行布朗运动时发生的碰撞；斯托克斯碰撞指在钢液中大颗粒夹杂物上浮速度大，追赶上小颗粒夹杂物并与其发生的碰撞；湍流碰撞指湍流漩涡运动引起的夹杂物间发生的碰撞。

图1夹杂物间的不同碰撞方式Fig.1 Different modes of collision between inclusions1917年，Smoluchowski 基于碰撞聚合对颗粒数量的影响，建立了离散型的颗粒碰撞速率公式[10]：112k ij i j ik i k i j k i dn n n n n dt ββ∞+===-∑∑ （6） 此类模型能方便地研究多种碰撞聚合方式对夹杂物生长的影响，并已被应用于描述精炼反应器RH 和连铸中间包内夹杂物碰撞聚合。

其最大的缺陷在于一旦较大粒径的夹杂物与较小粒径的夹杂物进行碰撞聚合，小粒径的夹杂物就会在计算中消失[11]。

1.3 夹杂物的传递传递是夹杂物最重要的行为之一，夹杂物的碰撞、上浮和去除都是通过传递进行的。

夹杂物的传递以钢液为载体，了解夹杂物的传递，离不开钢液本身。

钢液的传递规律，又与具体冶金反应器的几何特征和操作条件有关，因此，研究夹杂物在特定流动条件下的传递规律，是优化反应器设计和改善操作工艺的基础。

由于钢液．夹杂物体系属于稀疏悬浮流，可把夹杂物当作连续相处理，这样就可以从Fick 扩散定律出发，建立夹杂物扩散的质量守恒方程-浓度场模型：[()],,,,1,2...f j f i P j i j i n n U n D S i x y z j m t x ρν∂∂++-===∂∂ （7）其中i U 表示流体时均速度；P ν表示场力引起的迁移速度；j S 表示源项；m 表示夹杂物的最大分组数；t D 称为颗粒的湍流扩散系数。

浓度场模型物理概念简洁，善于处理夹杂物的宏观扩散，并且容易与流场匹配。

存在的问题是，颗粒湍流扩散系数t D 本身是模型化的结果，目前针对t D 提出了若干形式，尚无定论。

其次，对于沉积性表面，给出合理的边界条件比较困难。

1.4 夹杂物的沉积作为传递过程的结果之一，夹杂物被输送到容器表面被吸附和沉积。

为了弄清夹杂物在壁面的传质规律，一个基础工作是研究传质系数。

大量工作者对其进行了研究，Engh 等[12]在研究感应炉中脱氧产物的壁面传质时得到了传质系数β的表达式：3220.0058u r βν*= （8）Engh 的处理基本反映了物理机制，并且有一定的严格性。

但一些假设有待推敲，关于颗粒完全吸附的假设不符合实际，对外场力引起的传质也没考虑，在层流液体中，场力是引起壁面传质的主要动力。

2 钢液夹杂物的去除方法从钢液中分离夹杂物的主要途径包括两种[13]：(1)被表面的渣层吸附；(2)被壁面耐火材料吸附。

中间包技术和电磁分离技术是钢液夹杂物分离的主要手段。

2.1中间包去除夹杂物中间包是连铸的重要环节，其在工艺设计上的最初用意是充当批处理容器-钢包与连续容器-结晶器之间的分流器和缓冲器，以确保连铸操作的平稳进行。

自上世纪70年代以来，围绕中间包开发和应用了一大批新技术，从而形成了冶金学的一个分支——中间包冶金学[14]。

目前，在中间包中实际应用的技术主要围绕两个方面展开：(1)最大限度地去除夹杂物，保证钢水纯净度；(2)保持合适的温度和过热度，满足连铸要求。

2.1.1 钢包吹氩吹氩搅拌是钢包炉重要的精炼手段之一，钢中夹杂物被气泡俘获去除的效率决定于吹入钢液中气泡数量和气泡尺寸。

为了去除钢中细小的夹杂物颗粒，必须钢液中制造直径更小的气泡。