非金屬夾雜物的鋼/渣界面行為研究

鋼液中夾雜物的去除對提高鋼材質量具有重要意義，作為夾雜物去除的最后一個環(huán)節(jié)-夾雜物穿越鋼渣界面進入渣層，不僅影響著夾雜物的去除效率，而且在某些情況下還會成為夾雜物去除的限制環(huán)節(jié)。本項目針對“夾雜物穿越鋼渣界面進入渣層”這一環(huán)節(jié)展開研究，基于夾雜物在鋼液中、鋼渣界面以及鋼渣中的運動和受力分析，成功建立了新的夾雜物界面運動數學模型，并通過物理模擬實驗驗證了模型的合理性和正確性。該模型打破了以往數學模型的雷諾數限制（Re<1）和運動區(qū)域限制（鋼渣界面），雷諾數適用范圍不受限制，運動區(qū)域擴大為鋼液、鋼渣界面以及鋼渣的連續(xù)區(qū)域。基于建立的數學模型，還系統(tǒng)地研究了各個因素（夾雜物特性、鋼液特性、鋼渣特性和界面特性）對夾雜物穿越鋼渣界面運動行為的影響。研究表明：夾雜物穿越鋼渣界面的能力，隨著夾雜物粒徑、夾雜物密度、夾雜物潤濕性增加而增加，隨著鋼渣粘度、鋼渣界面張力增加而減小，隨著鋼液密度、鋼液粘度和鋼渣密度的增加幾乎不變。 取得的主要進展有： 1）對夾雜物在鋼渣界面的運動狀態(tài)，以及夾雜物在鋼液中、鋼渣界面以及鋼渣中受力情況進行了詳細分析，并基于牛頓第二定律和前面受力分析，建立了鋼渣界面夾雜物運動數學模型，采用龍哥-庫塔四級四階算法，利用C語言編寫了數學模型的求解程序，計算得出夾雜物運動過程的速度、位移和時間的關系。 2）基于物理相似原理，利用氧化鋁空心球代替夾雜物、去離子水代替鋼液、硅油代替鋼渣，建立了夾雜物穿越鋼渣界面過程的物理模擬模型。物理模擬實驗結果表明本課題模型的計算結果與實驗結果更加吻合。 3）在完善夾雜物界面去除模型同時，探索該模型在實際的鋼的精煉過程中的應用場景。通過建立夾雜物界面去除模型與RH精煉爐CFD流場模型的耦合模型，并利用該耦合模型探索實際生產中技術參數對夾雜物去除過程的影響。； 4）在以往建立的夾雜物上浮和穿越界面模型的基礎上，繼續(xù)研究夾雜物進入渣相后的溶解過程，建立溶解動力學模型并采用超高溫激光共聚焦顯微鏡進行高溫溶解實驗驗證模型，并將該動力學模型與之前建立模型統(tǒng)一為夾雜物去除過程模型。

鋼水的潔凈化對提高鋼材的性能具有重要意義，鋼水中夾雜物的有效去除是鋼水潔凈化的前提。鋼中夾雜物去除過程主要由三個環(huán)節(jié)構成，分別為夾雜物的長大、上浮和分離。但是目前的研究對于夾雜物的去除僅局限在前兩個環(huán)節(jié)，而實際過程中第三個環(huán)節(jié)分離作為夾雜物行為的最后一步，很多情況下是整個夾雜物去除過程的限制性環(huán)節(jié)。本項目針對夾雜物去除的第三個環(huán)節(jié)展開研究，以鋼渣界面的不同類型夾雜物為研究對象，分別研究夾雜物在鋼渣界面的受力情況、潤濕性以及夾雜物在渣鋼界面的穿越過程、在渣層的融入過程和進入渣層后的聚合行為。建立系統(tǒng)完整的動力學過程定量表征模型，獲得不同種類夾雜物在渣鋼界面最小的去除時間，以及夾雜物形狀尺寸、鋼水溫度、渣層粘度等因素對其產生的影響規(guī)律，為進一步有效去除鋼液中不同種類的夾雜物提供新的思路，發(fā)展和完善純凈化冶煉的理論與方法。

基本上弄清了高鈦型高爐渣在高溫區(qū)焦炭層中的堵塞和液泛行為及其與熔渣表面粘度、表面張力、體相粘度、渣焦界面張力、渣焦界面層性質的關系。與普通高爐渣相比較，高鈦型爐渣在高溫焦炭層中的堵塞和液泛是異常蔽重的。渣中TiO2含量由30%降低到23%和15%，明顯減弱了熔渣的堵塞和液泛。研究發(fā)現(xiàn)，熔渣的堵塞和液泛與熔渣的表面張力和渣選界面張力無關，而與熔渣的表面粘度、體相粘度和渣焦界面層性質有關。降低熔渣的表面粘度、體相粘度以及抑制渣焦界面層TiC、TiN的生成，可以有效地抑制熔渣的堵塞和液泛行為，有效地抑制爐內熔渣泡沫化，從而強化釩鈦磁鐵礦高爐冶煉和實現(xiàn)金釩鈦磁鐵礦高爐冶煉。

利用鋼渣作細集料(砂)配制水泥砂漿、水泥混凝土用于一些特殊工程不僅具有潛在的優(yōu)勢，而且可提高鋼渣利用水平，又可在一定程度上緩解我國當前天然集料的供需矛盾。但鋼渣穩(wěn)定性差，目前又缺乏對鋼渣砂水泥基材料體積安定性的系統(tǒng)研究，使得其工程應用的安全性和使用壽命難以保證，因而限制了其應用。本項目擬在研究影響鋼渣砂安定性不良的關鍵組份與引發(fā)條件及安定性各檢測指標關聯(lián)性的基礎上，研究養(yǎng)護條件(溫度、濕度、齡期等)和材料組份(鋼渣砂特性、膠凝材料體系等)對砂漿的線膨脹率、強度、表觀特征和內部微結構等膨脹破壞行為變化的影響，探討鋼渣砂安定性與鋼渣砂砂漿體積安定性的內在關系，以揭示鋼渣砂砂漿膨脹破壞的作用機理，為建立水泥基材料用鋼渣砂的安定性評價方法和標準提供理論基礎與技術支撐。本項目的開展對于實現(xiàn)鋼渣砂及其水泥基材料的安全、有效、大量應用，提高和保證工程結構的耐久性，促進可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實際意義。