錳基熔體系統(tǒng)磷雜質凈化機理研究.pdf

1、錳基合金產業(yè)是我國鋼鐵行業(yè)重要分支之一,隨著我國鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展,目前我國已經成為世界第一錳基合金生產大國,但隨著世界金融危機影響的進一步加劇,鋼鐵行業(yè)出現(xiàn)嚴重產能過剩,面臨巨大困難,錳基合金產業(yè)長期以來的弊端暴露無遺:生產技術停滯不前,長期依靠進口高品位錳礦,生產成本受制于人;能耗居高不下,資源浪費嚴重;產品品質低下,磷等雜質元素含量高,無法滿足客戶需求,行業(yè)已經到了轉型升級的關鍵時刻。在這樣的背景下,本文開展了錳基熔體系統(tǒng)的基礎研

2、究,旨在闡述錳基熔體中各結構單元的熱力學行為,為錳基合金冶煉過程提供最佳工藝參數(shù),減少合金元素損失;為錳基合金磷雜質的去除提供理論依據(jù),有效降低錳基合金中雜質元素含量,提高產品品質;同時填補錳基多元熔體熱力學模型研究的空缺。本研究主要內容包括：
　?、倩诠泊胬碚摻⒘隋i基合金系統(tǒng)涉及的Mn-Fe-Si、Mn-Fe-P三元熔體系統(tǒng)、Mn-Fe-Si-P-C復雜多元熔體系統(tǒng)熱力學模型。并通過模型計算值與實驗值比較,證明了此類熔體中三

3、元締合物MnFeSi、MnFeP的存在,闡述了計算活度值與實驗測定值在P含量較高時出現(xiàn)偏差的原因,證明了基于共存理論建立的三元和多元錳基熔體數(shù)學模型能夠準確的描述熔體中各元素的熱力學行為和各元素在各結構單元中的分布情況。
　?、诨诠泊胬碚摻⒘薈aO-MnO-SiO2、BaO-MnO-SiO2兩種錳基合金冶煉中常見三元渣系熱力學模型,分析了BaO基三元熔體中 BaSiO3、Ba2SiO4鹽類原子團的存在;基于共存理論建立了CaO

4、-BaO-MnO-SiO2四元渣系熱力學模型,為錳基合金冶煉中CaO基渣系中添加BaO提供熱力學理論計算工具;基于共存理論建立了CaO-SiO2-MnO-FeO-Fe2O3多元渣系熱力學模型,為實際生產中錳礦冶煉中錳的還原與氧化損失提供理論計算工具。
　?、劾肕n-Fe-Si-P-C多元熔體模型,計算了1600K~2000K之間8種國標典型成分的錳基熔體中 Mn、Fe、Si、C、P元素的活度,以此計算了錳基熔體內部各元素氧化所需

5、的最低溶解氧活度,從而判斷4種錳硅合金內部理論上無法完成P的氧化去除,而在4種錳鐵合金中,雖然Mn先于Si氧化,但是P氧化臨界溶解氧活度仍大于Fe、C、Si、Mn四種元素,同樣無法完成P的氧化去除。
　?、芡ㄟ^將熔體熔渣系統(tǒng)模型進行耦合,分析了硅錳合金的氧化脫磷熱力學可行性,得出了與實驗結果一致的結論:硅錳合金無法完成氧化脫磷,并且給出的硅錳合金無法完成氧化脫磷的根本原因是硅錳合金中的Si含量大,具有極低的臨界氧化氧活度;理論模型

6、給出了錳鐵合金完成氧化脫磷的BaO基渣系中最多可以添加摩爾分數(shù)為0.1的CaO,SiO2濃度小于0.18適合錳鐵合金氧化脫磷保錳;C可以提高P的活度,降低Mn的活度,有利于脫磷保錳。
　?、莘治隽隋i基合金還原脫磷可能出現(xiàn)的三種情況,建立了熔體內部還原脫磷的Ca-Mn-Si-Fe-P-C多元熔體模型,計算表明:當Ca含量摩爾分數(shù)大于0.17后,脫磷率開始大于10％,當Ca含量達到0.32以后,脫磷率無限接近于1,再繼續(xù)添加更多的Ca

7、對脫磷無任何作用;建立了帶析出相的多元熔體模型,計算表明:當Ca小于0.148時,熔體內部不可能發(fā)生脫磷反應,對于熔體內部的還原脫磷反應, Ca的加入量在0.154~0.294之間,改變Ca的加入量具有實際的還原脫磷調控能力,當Ca加入量為0.36時,脫磷率接近1;建立了帶析出相的多元熔體熔渣耦合模型,對錳基還原脫磷過程進行了數(shù)學模擬,計算表明:當渣中Ca3P2摩爾分數(shù)從0.1~1.0變化,脫磷量(率)變化趨勢均一致,但是開始脫磷的Ca

8、加入量隨著Ca3P2摩爾分數(shù)的減小而減小,渣系達到極限脫磷率接近1時的Ca加入量也隨著l的減小而減小。
　?、迣嶒灧治隽隋i基多元合金系統(tǒng)結構失效粉化的過程,討論了磷雜質元素對錳基合金結構穩(wěn)定性的影響,表明Mn-Al-Fe-Si合金的徹底解體粉化是合金凝固時物相體積突變和磷化物等夾雜物水解反應兩個過程共同作用的結果,水解反應和微裂紋的生長是相輔相成的過程,后者為前者提供反應的動力學通道,前者為后者的進一步生長提供突變能壁所需能量,而