非金属夹杂物的钢/渣界面行为研究

钢液中夹杂物的去除对提高钢材质量具有重要意义，作为夹杂物去除的最后一个环节-夹杂物穿越钢渣界面进入渣层，不仅影响着夹杂物的去除效率，而且在某些情况下还会成为夹杂物去除的限制环节。本项目针对“夹杂物穿越钢渣界面进入渣层”这一环节展开研究，基于夹杂物在钢液中、钢渣界面以及钢渣中的运动和受力分析，成功建立了新的夹杂物界面运动数学模型，并通过物理模拟实验验证了模型的合理性和正确性。该模型打破了以往数学模型的雷诺数限制（Re<1）和运动区域限制（钢渣界面），雷诺数适用范围不受限制，运动区域扩大为钢液、钢渣界面以及钢渣的连续区域。基于建立的数学模型，还系统地研究了各个因素（夹杂物特性、钢液特性、钢渣特性和界面特性）对夹杂物穿越钢渣界面运动行为的影响。研究表明：夹杂物穿越钢渣界面的能力，随着夹杂物粒径、夹杂物密度、夹杂物润湿性增加而增加，随着钢渣粘度、钢渣界面张力增加而减小，随着钢液密度、钢液粘度和钢渣密度的增加几乎不变。 取得的主要进展有： 1）对夹杂物在钢渣界面的运动状态，以及夹杂物在钢液中、钢渣界面以及钢渣中受力情况进行了详细分析，并基于牛顿第二定律和前面受力分析，建立了钢渣界面夹杂物运动数学模型，采用龙哥-库塔四级四阶算法，利用C语言编写了数学模型的求解程序，计算得出夹杂物运动过程的速度、位移和时间的关系。 2）基于物理相似原理，利用氧化铝空心球代替夹杂物、去离子水代替钢液、硅油代替钢渣，建立了夹杂物穿越钢渣界面过程的物理模拟模型。物理模拟实验结果表明本课题模型的计算结果与实验结果更加吻合。 3）在完善夹杂物界面去除模型同时，探索该模型在实际的钢的精炼过程中的应用场景。通过建立夹杂物界面去除模型与RH精炼炉CFD流场模型的耦合模型，并利用该耦合模型探索实际生产中技术参数对夹杂物去除过程的影响。； 4）在以往建立的夹杂物上浮和穿越界面模型的基础上，继续研究夹杂物进入渣相后的溶解过程，建立溶解动力学模型并采用超高温激光共聚焦显微镜进行高温溶解实验验证模型，并将该动力学模型与之前建立模型统一为夹杂物去除过程模型。

钢水的洁净化对提高钢材的性能具有重要意义，钢水中夹杂物的有效去除是钢水洁净化的前提。钢中夹杂物去除过程主要由三个环节构成，分别为夹杂物的长大、上浮和分离。但是目前的研究对于夹杂物的去除仅局限在前两个环节，而实际过程中第三个环节分离作为夹杂物行为的最后一步，很多情况下是整个夹杂物去除过程的限制性环节。本项目针对夹杂物去除的第三个环节展开研究，以钢渣界面的不同类型夹杂物为研究对象，分别研究夹杂物在钢渣界面的受力情况、润湿性以及夹杂物在渣钢界面的穿越过程、在渣层的融入过程和进入渣层后的聚合行为。建立系统完整的动力学过程定量表征模型，获得不同种类夹杂物在渣钢界面最小的去除时间，以及夹杂物形状尺寸、钢水温度、渣层粘度等因素对其产生的影响规律，为进一步有效去除钢液中不同种类的夹杂物提供新的思路，发展和完善纯净化冶炼的理论与方法。

基本上弄清了高钛型高炉渣在高温区焦炭层中的堵塞和液泛行为及其与熔渣表面粘度、表面张力、体相粘度、渣焦界面张力、渣焦界面层性质的关系。与普通高炉渣相比较，高钛型炉渣在高温焦炭层中的堵塞和液泛是异常蔽重的。渣中TiO2含量由30%降低到23%和15%，明显减弱了熔渣的堵塞和液泛。研究发现，熔渣的堵塞和液泛与熔渣的表面张力和渣选界面张力无关，而与熔渣的表面粘度、体相粘度和渣焦界面层性质有关。降低熔渣的表面粘度、体相粘度以及抑制渣焦界面层TiC、TiN的生成，可以有效地抑制熔渣的堵塞和液泛行为，有效地抑制炉内熔渣泡沫化，从而强化钒钛磁铁矿高炉冶炼和实现金钒钛磁铁矿高炉冶炼。

利用钢渣作细集料(砂)配制水泥砂浆、水泥混凝土用于一些特殊工程不仅具有潜在的优势，而且可提高钢渣利用水平，又可在一定程度上缓解我国当前天然集料的供需矛盾。但钢渣稳定性差，目前又缺乏对钢渣砂水泥基材料体积安定性的系统研究，使得其工程应用的安全性和使用寿命难以保证，因而限制了其应用。本项目拟在研究影响钢渣砂安定性不良的关键组份与引发条件及安定性各检测指标关联性的基础上，研究养护条件(温度、湿度、龄期等)和材料组份(钢渣砂特性、胶凝材料体系等)对砂浆的线膨胀率、强度、表观特征和内部微结构等膨胀破坏行为变化的影响，探讨钢渣砂安定性与钢渣砂砂浆体积安定性的内在关系，以揭示钢渣砂砂浆膨胀破坏的作用机理，为建立水泥基材料用钢渣砂的安定性评价方法和标准提供理论基础与技术支撑。本项目的开展对于实现钢渣砂及其水泥基材料的安全、有效、大量应用，提高和保证工程结构的耐久性，促进可持续发展具有重要的理论和实际意义。