錳基熔體系統(tǒng)磷雜質(zhì)凈化機(jī)理研究.pdf

1、錳基合金產(chǎn)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(jīng)成為世界第一錳基合金生產(chǎn)大國,但隨著世界金融危機(jī)影響的進(jìn)一步加劇,鋼鐵行業(yè)出現(xiàn)嚴(yán)重產(chǎn)能過剩,面臨巨大困難,錳基合金產(chǎn)業(yè)長期以來的弊端暴露無遺:生產(chǎn)技術(shù)停滯不前,長期依靠進(jìn)口高品位錳礦,生產(chǎn)成本受制于人;能耗居高不下,資源浪費(fèi)嚴(yán)重;產(chǎn)品品質(zhì)低下,磷等雜質(zhì)元素含量高,無法滿足客戶需求,行業(yè)已經(jīng)到了轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)刻。在這樣的背景下,本文開展了錳基熔體系統(tǒng)的基礎(chǔ)研

2、究,旨在闡述錳基熔體中各結(jié)構(gòu)單元的熱力學(xué)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?fù)p失;為錳基合金磷雜質(zhì)的去除提供理論依據(jù),有效降低錳基合金中雜質(zhì)元素含量,提高產(chǎn)品品質(zhì);同時(shí)填補(bǔ)錳基多元熔體熱力學(xué)模型研究的空缺。本研究主要內(nèi)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(fù)雜多元熔體系統(tǒng)熱力學(xué)模型。并通過模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)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(jì)算活度值與實(shí)驗(yàn)測定值在P含量較高時(shí)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(xué)模型能夠準(zhǔn)確的描述熔體中各元素的熱力學(xué)行為和各元素在各結(jié)構(gòu)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(xué)模型,分析了BaO基三元熔體中 BaSiO3、Ba2SiO4鹽類原子團(tuán)的存在;基于共存理論建立了CaO

4、-BaO-MnO-SiO2四元渣系熱力學(xué)模型,為錳基合金冶煉中CaO基渣系中添加BaO提供熱力學(xué)理論計(jì)算工具;基于共存理論建立了CaO-SiO2-MnO-FeO-Fe2O3多元渣系熱力學(xué)模型,為實(shí)際生產(chǎn)中錳礦冶煉中錳的還原與氧化損失提供理論計(jì)算工具。
　?、劾肕n-Fe-Si-P-C多元熔體模型,計(jì)算了1600K~2000K之間8種國標(biāo)典型成分的錳基熔體中 Mn、Fe、Si、C、P元素的活度,以此計(jì)算了錳基熔體內(nèi)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(nèi)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(jìn)行耦合,分析了硅錳合金的氧化脫磷熱力學(xué)可行性,得出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的結(jié)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?jǐn)?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(nèi)部還原脫磷的Ca-Mn-Si-Fe-P-C多元熔體模型,計(jì)算表明:當(dāng)Ca含量摩爾分?jǐn)?shù)大于0.17后,脫磷率開始大于10％,當(dāng)Ca含量達(dá)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(duì)脫磷無任何作用;建立了帶析出相的多元熔體模型,計(jì)算表明:當(dāng)Ca小于0.148時(shí),熔體內(nèi)部不可能發(fā)生脫磷反應(yīng),對(duì)于熔體內(nèi)部的還原脫磷反應(yīng), Ca的加入量在0.154~0.294之間,改變Ca的加入量具有實(shí)際的還原脫磷調(diào)控能力,當(dāng)Ca加入量為0.36時(shí),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(duì)錳基還原脫磷過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬,計(jì)算表明:當(dāng)渣中Ca3P2摩爾分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的減小而減小,渣系達(dá)到極限脫磷率接近1時(shí)的Ca加入量也隨著l的減小而減小。
　　⑥實(shí)驗(yàn)分析了錳基多元合金系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效粉化的過程,討論了磷雜質(zhì)元素對(duì)錳基合金結(jié)構(gòu)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(shí)物相體積突變和磷化物等夾雜物水解反應(yīng)兩個(gè)過程共同作用的結(jié)果,水解反應(yīng)和微裂紋的生長是相輔相成的過程,后者為前者提供反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)通道,前者為后者的進(jìn)一步生長提供突變能壁所需能量,而