电磁悬浮对Fe-0.22%...46%Mn钢精炼脱磷的影响_张培培.pdf
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1、 第5 8卷 第7期 2 0 2 3年7月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.7,p 7 2-7 9 J u l y2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 3 0 0 3 3电磁悬浮对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼脱磷的影响张培培1,张桂芳1.2,姜 琦1,陈 亮3(1.昆明理工大学冶金与能源工程学院,云南 昆明6 5 0 0 9 3;2.云南省高校复杂铁资源清洁冶金重点实验室,云南 昆明6 5 0 0 9 3;3
2、.攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司,四川 攀枝花6 1 7 0 0 0)摘 要:为了探讨电磁悬浮精炼对钢中磷杂质去除的影响,以HR B 6 0 0钢为研究对象,在电磁悬浮精炼条件下,研究了其对钢中磷杂质的去除效果。这种钢的基本化学成分为F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n。相对于传统方法,电磁悬浮精炼技术采用超高频交变电流产生交变电磁场,依靠电磁场和感应电流之间相互作用形成的电磁力使金属熔体悬浮,具有避免坩埚污染、使材料内部成分均匀、高温快速熔炼等特点。采用电磁悬浮技术探索了电磁悬浮时间、温度及悬浮气氛对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢
3、精炼过程中磷杂质去除及传质系数影响。研究表明,悬浮时间、悬浮温度及气氛流量对磷的脱除以及磷传质系数有影响,磷从熔体中挥发并被流动气体排出的过程为杂质元素磷从熔体边界层扩散到熔体表面。悬浮温度提高以及气氛流量增加有利于磷的脱除及磷的传质系数提高。悬浮时间延长,磷的脱除率提高,但磷的传质系数降低。当悬浮时间为4 5m i n、悬浮温度为21 2 3K、悬浮气氛流量为1.5L/m i n时脱磷率最高,为4 0.5 6 1%;当悬浮时间为1 5m i n、悬浮温度为19 2 3K、悬浮气氛流量为1.0L/m i n时,磷传质系数最高,为1.0 91 0-6m/s。关键词:电磁悬浮;F e-0.2 2%
4、C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢;脱磷;传质系数;精炼文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 7-0 0 7 2-0 8E f f e c t o f e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o no nd e p h o s p h o r i z a t i o no fF e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M ns t e e l d u r i n gr e f i n i n gZ HANGP e i p e i1,Z HANGG u i f a n g1,2,J
5、I ANGQ i1,CHE NL i a n g3(1.F a c u l t yo fM e t a l l u r g i c a l a n dE n e r g yE n g i n e e r i n g,K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,K u n m i n g6 5 0 0 9 3,Y u n n a n,C h i n a;2.Y u n n a nP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fC o m p l e x
6、I r o nR e s o u r c e s f o rC l e a nM e t a l l u r g y,K u n m i n g6 5 0 0 9 3,Y u n n a n,C h i n a;3.P a n z h i h u aI r o na n dS t e e lR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L t d.,P a n g a n gG r o u p,P a n z h i h u a6 1 7 0 0 0,S i c h u a n,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 0 7 4 1 4 0)
7、作者简介:张培培(1 9 9 7),男,硕士生;E-m a i l:3 7 6 1 5 2 6 8 3q q.c o m;收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 9通信作者:张桂芳(1 9 6 5),女,博士,教授;E-m a i l:g u i f a n g z h a n g 6 51 6 3.c o mA b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h e e f f e c t o f e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o nr e f i n i n go n t h e r e
8、 m o v a l o f p h o s p h o r u s i m p u r i t i e si ns t e e l,HR B 6 0 0s t e e lw a s t a k e na s t h er e s e a r c ho b j e c t,u n d e r t h ec o n d i t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o nr e f i n i n g,t h e e f f e c t o fr e m o v i n gp h o s p h o r u si m p u
9、r i t i e sw a ss t u d i e d.T h eb a s i cc h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h i ss t e e l i sF e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n.C o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s,e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nr e f i n i n gt e c h n o l o g yu s e su l t r a-h i g hf
10、r e q u e n c ya l t e r n a t i n gc u r r e n tt og e n e r a t ea l t e r n a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d,a n dr e l i e so nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e f o r m e db yt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n di n d u c e d
11、c u r r e n tt ol e v i t a t et h em e t a lm e l t,w h i c hh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa v o i d i n gc r u c i b l ep o l l u t i o n,m a k i n gt h ei n t e r n a lc o m p o s i t i o no ft h em a t e r i a lu n i f o r m,a n dh i g ht e m p e r a t u r ea n dr a p i dm e l t i n
12、 ga n ds oo n,t h ee f f e c t so f e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o nt i m e,t e m p e r a t u r ea n d l e v i t a-t i o na t m o s p h e r eo nt h er e m o v a lo fp h o s p h o r u si m p u r i t i e sa n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n td u r i n gt h er e f i n i n go
13、 fF e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M ns t e e lw e r e e x p l o r e du s i n ge l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o n t e c h n o l o g y.T h e r e s u l t s s h o wt h a tl e v i t a t i o nt i m e,l e v i t a t i o nt e m p e r a t u r ea n da t m o s p h e r e f l o wr a t eh a v ee f f e c
14、 t so np h o s p h o r u s r e m o v a l a n dm a s s t r a n s-f e rc o e f f i c i e n t.T h ep r o c e s so fp h o s p h o r u sv o l a t i l i z a t i o nf r o m m e l ta n dd i s c h a r g eb yf l o w i n gg a s i st h a t i m p u r i t yPd i f f u s e s f r o mm e l tb o u n d a r y l a y e r
15、t om e l t s u r f a c e.T h e i n c r e a s eo f l e v i t a t i o nt e m p e r a t u r ea n da i r f l o wr a t e i sb e n e f i-c i a l t op h o s p h o r u s r e m o v a l a n dm a s s t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o f p h o s p h o r u s.W i t h t h e e x t e n s i o no f l e v i t a t
16、i o n t i m e,t h e r e-m o v a l r a t eo fp h o s p h o r u s i n c r e a s e s,b u t t h em a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fp h o s p h o r u sd e c r e a s e s.T h eh i g h e s td e p h o s-p h o r i z a t i o nr a t ew a s4 0.5 6 1%a t 4 5m i n s l e v i t a t i o nt i m e,21 2 3Kl
17、 e v i t a t i o nt e m p e r a t u r e,a n d1.5L/m i n,l e v i t a t i o n第7期张培培,等:电磁悬浮对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼脱磷的影响a t m o s p h e r e f l o wr a t e.T h eh i g h e s tm a s s t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o f p h o s p h o r u sw a s 1.0 91 0-6m/s a t 1 5m i n s l e v i t a t i
18、 o nt i m e,19 2 3Kl e v i t a t i o nt e m p e r a t u r e,a n d1.0L/m i n l e v i t a t i o na t m o s p h e r e f l o wr a t e.K e yw o r d s:e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o n;F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M ns t e e l;d e p h o s p h o r i z a t i o n;m a s s t r a n s f e r c o-e
19、f f i c i e n t;r e f i n i n g 影响钢性能的一个关键因素是钢材强度,包括屈服强度和抗拉强度1。目前研究学者关注开发HR B 6 0 0钢2-3,这种钢的成分主要为C-S i-M n,要求磷质量分数低,因为钢中磷杂质的存在会导致F e3P的形成,这会对钢材的塑性和韧性产生不利影响,增加了钢的脆性,降低了冷成形性,并对钢的焊接性产生负面影响4-5。当前对钢材脱磷的研究主要在铁水预处理脱磷和炼钢炉内脱磷等方面6-1 0,随着市场对超低磷钢要求的不断提升,单纯依靠控制冶炼终点时磷质量分数的工艺方法已不能满足超洁净钢中对磷含量的要求,例如一些低温用钢、海洋用 钢、汽 车
20、外 板 甚 至 要 求 磷 质 量 分 数 低 于0.0 1 0%1 1-1 2。通常,磷杂质通过铁水预处理或在炼钢炉中精炼来去除。例如,小型出钢槽已用于铁水的脱磷以及钢包中的预处理1 3-1 4。磷的去除也可以通过顶吹氧气转炉中钢精炼过程中的氧化反应来实现1 5。D I A ZM等1 6研究已经表明,当使用转炉底吹氧气时,磷的氧化反应会更加强烈。在使用L B E的方法后,包括顶部和底部联合吹炼,能进一步提高钢水脱磷效果1 7。宝钢集团自主开发了用于生产低磷钢的转炉精炼工艺(B R P),该工艺属于转炉双联工艺技术,能够同时进行转炉脱磷和转炉脱碳1 4。上述大多数技术都可以实现脱磷,但脱磷过程
21、也受到一些因素的影响,如磷还原到钢中、过度飞溅和不良耐火反应1 9-2 0。与传统的精炼脱磷方法相比,电磁悬浮(EML)是一种无容器精炼技术,其中熔融金属不与耐火材料接触,能避免飞溅问题2 1。利用电磁悬浮技术,可以将液态金属置于不同的气体环境中,能够在非常高的温度下反应。因此,电磁悬浮技术不仅为研究高温精炼反应的动力学方面提供了一种新的思路,它也有可能为精炼高强度钢脱磷提供一种新方法。WU P等2 2研究了在电磁悬浮条件下热扩散对雷诺数在21 0 0范围内的镍基合金脱碳动力学的影响。GAOL等2 3使用基于电磁悬浮试验条件的计算流体动力学(C F D)模型研 究 了F e-C r-C液 滴
22、脱 碳 的 动 力 学。李 想等2 4通过电磁悬浮方法对不锈钢脱碳的试验进行了研究。L EK等2 5研究了在电磁悬浮条件下通过化学反应从冶金级硅中去脱磷的动力学。S H IBH等2 6研究了温度 对硅铁 脱 磷 的 影 响。J I ANG Q等2 7报道了在电磁悬浮条件下通过蒸发从冶金级硅中去脱磷的动力学研究。还有一些学者运用电磁悬浮技术对不同气氛、不同电流强度等对硅铁与冶金级硅中脱磷的影响进行了研究2 8-2 9。此外,近年来电磁悬浮熔炼金属合金技术受到了研究者们极大的关注。研究者们已经利用电磁悬浮技术定量测量了多元合金的比热容、密度、黏度、表面张力等性质3 0-3 2;通过观测过冷悬浮熔滴
23、,结合振荡液滴法、落滴式量热法、样品耦合电子法等可以测量较大温度范围内多元合金的热物理性质3 3-3 5。然而,电磁悬浮对钢精炼脱磷的影响相关研究报道仍然比较有限。因此,本研究采用电磁悬浮技术,探索电磁悬浮时间、悬浮温度及悬浮气氛对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼过程中磷杂质去除的影响,研究结果为实现清洁冶金去除HR B 6 0 0钢中的磷杂质提供理论参考。1 原理与方法1.1 电磁悬浮下脱磷原理与传统的脱磷方法相比,电磁悬浮技术中熔融金属不与耐火材料接触,可以将液态金属置于不同的气体环境中,并且能够在高温度下反应,为研究高温精炼反应的动力学方面提供了一种新
24、的思路。传统转炉炼钢脱磷原理如图1所示。磷在钢中是以F e3P 或F e2P 形式存在,通常用P 表示。高炉不具备脱磷条件,脱磷依靠炼钢来完成3 6。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行,首先是P 被氧化成(P2O5),而后与(C a O)结合成稳定的磷酸钙,其反应式可表示为式(1)和式(2)3 7。2P+5(F e O)+4(C a O)=(4 C a OP2O5)+5F e(1)2P+5(F e O)+3(C a O)=(3 C a OP2O5)+5F e(2)通常,3 C a OP2O5最稳定,4 C a OP2O5次之,可以认为存在于碱性渣中的应为3 C a OP2O53 8。由
25、于3 C a OP2O5和4 C a OP2O5的反应生成自由能值很相近,在热力学分析时,有2种磷酸盐得出的结论基本一致。液态渣中多为3 C a OP2O5,固态渣中有4 C a OP2O5存在。在实验室条件下,达到37钢 铁第5 8卷平衡时的反应产物通常为4 C a OP2O53 9。图2所 示 为 电 磁 悬 浮 条 件 下F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼磷传质过程。电磁悬浮条件下,磷从熔体中挥发并被流动气体排出的过程分为5个步骤,其传质过程如图2所示,其中,元素i的熔融态、气态及固态分别表示为i、i(g)、i(s),气液界面平衡分压、气相边界层分压及冷
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