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氢气和天然气用于钢液脱氧的研究

作　者: 幸伟
导　师: 倪红卫
学　校: 武汉科技大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 氢气天然气脱氧夹杂物洁净度 RH工艺
分类号: TF704.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在炼钢生产中,氧及其在钢中的存在形式对钢的性能有很大的影响。随着社会的进步和科技的发展,对钢的性能要求日益提高,现代炼钢对脱氧工艺提出了新的要求。如何降低钢中的氧含量,提高钢的洁净度,越来越为冶金工作者关注。因此,长期以来人们在不断地改进脱氧方法,探索新的脱氧工艺。传统的脱氧方法主要还是使用脱氧剂直接脱氧。这种脱氧法的缺点是,脱氧产物残留在钢液中造成了对钢液的污染。而钢液中的夹杂物,尤其是脱氧生成的氧化物夹杂直接影响到钢材的质量。尽管采取了多种工艺手段去除夹杂物,仍无法彻底避免脱氧产物对钢液的污染。因此,如何减少脱氧对钢液污染的脱氧方法成为炼钢脱氧工艺的发展方向之一。氢气具有较强的脱氧能力。而且生成的脱氧产物为H2O,不会残留在钢中形成氧化物夹杂。将氢气用于钢液的脱氧,可以避免脱氧产物对钢材质量的不利影响。因此,开发用氢气的脱氧工艺,对提高钢的洁净度具有重要意义。然而,在氢气用于钢液脱氧的脱氧效果,脱氧机理及动力学规律等方面还需要系统的研究。本文首先对氢气和天然气的脱氧能力进行热力学计算。同时,对其脱氧机理及影响脱氧效果的因素进行了探讨。在本计算条件下,氢脱氧反应以氢气泡中的氢分子与钢液中的氧之间的反应为主。天然气脱氧过程中,CH4发生分解产生C和H2,C和H2均会与钢中的氧反应使氧含量降低,同时C会溶解于钢液中使碳含量增大。在热力学计算的基础上,进行了钢液吹H2、CH4的脱氧效果及动力学规律的实验研究。考察了吹气量、气相组成及吹气管孔径对脱氧速率的影响。实验结果表明,钢液用H2脱氧可以得到较低氧含量。同时,H2可以减小了钢中表面活性元素[O]对钢液脱氮的阻碍,在高氧含量条件下,仍会使得钢中[N]含量降低。本实验中,在常压下吹H2脱氧基本满足一级反应规律,反应由[O]在钢液侧边界层的传质控制,脱氧反应总的速率常数约在0.0363～0.0494s^-1之间。通过理论和实验研究,提出了在转炉吹炼结束后,通过透气砖向转炉中通入氢气,对不同碳含量的钢液脱氧生产低碳、高纯净度钢的脱氧工艺。钢液吹CH4脱氧过程中,碳脱氧为脱氧的主要反应,在15min的吹气过程中,脱氧量约为总量的60%以上,氧含量可以降低到较低水平。而且,脱氧以及增碳速度随气相中CH4含量的增大而增大。[%O]=0.01%～0.02%为脱氧和增碳平均速度的转折点,钢中氧含量降低至此值时,往钢液中吹CH4生成的碳主要溶解于钢液中使碳含量增加。综合对CH4脱氧的研究,提出了在UHP电弧炉吹氧助熔后,通过喷枪或透气砖向钢液中通入天然气,生产中高碳、高纯净度、低氮钢的脱氧工艺。为将氢脱氧工艺应用于实际生产,针对吹氢脱氧后钢液氢含量增加的问题。在实验室条件下进行吹氩脱氢的动力学实验研究。结果表明,脱氢的反应由氢原子[H]穿过钢液侧液相边界层向液-气表面的传质所控制。总的反应速度常数约在0.0022～0.0052s^-1之间。加强搅拌,增大液-气反应面积可提高吹氩脱氢速度。进行了不同初始氧含量的氢脱氧后钢液加铝脱氧的实验,探讨氢脱氧对钢液洁净度的影响。通过光学显微镜观察金相试样上的夹杂物,进行不同初始氧含量加铝脱氧后钢中氧化物夹杂数量和尺寸关系的研究。结果表明,钢中夹杂物颗粒大小、数量受钢中氧含量与脱氧合金的浓度支配。将氢气用于钢液的初脱氧来降低钢中的氧含量,可以减小脱氧合金加入量降低过饱和度而减小生成氧化物夹杂的数量和尺寸,提高钢的洁净度。最后,提出在RH精炼过程中进行吹氢脱氧,并对其进行可行性及精炼效果分析。RH吹氢精炼过程的数学模型研究表明,吹氢可以有效脱除钢中溶解的氧,随着吹氢精炼时间的延长,氧含量可以降低到接近产品最终要求。RH吹氢精炼过程,脱碳速度要快于常规的吹Ar真空精炼。同时,可以将氮含量降低到较低水平。可以用于高纯净度、超低碳,低氮钢的冶炼。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章文献综述  13-33
  1.1 钢中的氧及其危害  13
  1.2 炼钢常用脱氧方式  13-15
  1.3 非金属夹杂物及其对钢性能的影响  15-19
    1.3.1 非金属夹杂物的分类  15-16
    1.3.2 氧化物夹杂对钢性能的影响  16-17
    1.3.3 钢液的脱氧与氧化物夹杂  17-19
  1.4 钢液脱氧工艺的发展状况  19-23
    1.4.1 沉淀脱氧  19-20
    1.4.2 扩散脱氧  20-21
    1.4.3 真空脱氧  21-22
    1.4.4 固体电解质脱氧  22-23
  1.5 钢中夹杂物的去除  23-29
    1.5.1 气体搅拌  24-26
    1.5.2 电磁净化  26-28
    1.5.3 渣洗  28
    1.5.4 过滤法  28-29
  1.6 氢气、天然气脱氧  29-31
    1.6.1 氢气、天然气脱氧的研究现状  29-31
    1.6.2 目前研究存在的主要问题  31
  1.7 本课题研究的意义及主要研究内容  31-33
第二章钢液吹氢脱氧的理论与实验研究  33-56
  2.1 氢气的物理化学性质  33
  2.2 氢与钢液中氧反应的机理分析  33-39
    2.2.1 氢在钢液中的热力学行为  33-34
    2.2.2 氢在钢液中脱氧热力学  34-36
    2.2.3 钢液吹氢脱氧的反应机理及影响因素  36-39
  2.3 钢液吹氢脱氧的实验研究  39-54
    2.3.1 实验设备  39
    2.3.2 实验材料  39
    2.3.3 实验方法  39-44
    2.3.4 实验结果讨论  44-54
  2.4 吹氢脱氧在炼钢工艺中应用的探讨  54
  2.5 本章小结  54-56
第三章钢液吹氢脱氧的动力学研究  56-68
  3.1 实验材料与设备  56-57
  3.2 实验方法  57-58
    3.2.1 钢样的制备  57
    3.2.2 实验过程  57
    3.2.3 试样加工及分析  57
    3.2.4 实验方案  57-58
  3.3 实验结果与理论分析  58-67
    3.3.1 吹氢脱氧反应动力学  58-60
    3.3.2 吹气量对脱氧速度的影响  60-61
    3.3.3 吹气管管径对脱氧速度的影响  61-64
    3.3.4 气相组成对脱氧速度的影响  64-65
    3.3.5 吹H_2 对钢液脱氮的动力学分析  65-67
  3.4 本章小结  67-68
第四章钢液吹天然气脱氧的理论与实验研究  68-87
  4.1 天然气的物理化学性质  68
  4.2 天然气与钢中氧反应的机理分析  68-72
    4.2.1 天然气在钢液中的热力学行为  68-69
    4.2.2 天然气在钢液中脱氧热力学  69-72
  4.3 钢液吹甲烷脱氧效果的实验研究  72-74
    4.3.1 实验材料与设备  72
    4.3.2 实验方法  72-73
    4.3.3 实验方案  73-74
  4.4 实验结果  74-77
    4.4.1 氧、碳含量在不同温度下的变化情况  74-76
    4.4.2 氧、碳含量在不同气相组成下的变化情况  76-77
  4.5 讨论与分析  77-84
    4.5.1 CH4 渗碳动力学分析  77-79
    4.5.2 CH4 脱氧动力学分析  79-83
    4.5.3 实验结果分析  83-84
  4.6 天然气脱氧在炼钢工艺中应用的探讨  84-86
    4.6.1 天然气在钢液中的脱氧特性  84-85
    4.6.2 UHP 电弧炉炼钢工艺  85
    4.6.3 天然气脱氧在UHP 应用中分析  85-86
  4.7 本章小结  86-87
第五章氢脱氧后钢中氢含量控制的研究  87-98
  5.1 钢中的氢  87-90
    5.1.1 氢在钢中的危害  87
    5.1.2 钢液脱氢的方法  87-89
    5.1.3 钢中氢的检测方法  89
    5.1.4 钢中氧、硫含量对脱氢率的影响  89-90
  5.2 钢液吹氩脱氢的实验研究  90-97
    5.2.1 实验材料与设备  90-91
    5.2.2 实验方法  91
    5.2.3 实验结果讨论  91-97
  5.3 本章小结  97-98
第六章氢脱氧对提高钢液洁净度的研究  98-109
  6.1 钢中夹杂物的基本行为  98-101
    6.1.1 夹杂物的形核  98-99
    6.1.2 夹杂物的长大  99-100
    6.1.3 夹杂物的上浮  100
    6.1.4 夹杂物的分离  100-101
  6.2 氢脱氧对提高钢液洁净度的实验研究  101-107
    6.2.1 实验材料与设备  101
    6.2.2 实验方法  101-102
    6.2.3 实验结果分析  102-107
  6.3 本章小结  107-109
第七章氢脱氧在RH 工艺中应用的探讨  109-125
  7.1 RH 真空精炼技术概述  109-112
    7.1.1 RH 工作原理  109-110
    7.1.2 RH 精炼技术的冶金功能  110
    7.1.3 RH 处理超低碳钢技术  110-112
  7.2 吹氢脱氧在RH 工艺中应用的探讨  112-114
    7.2.1 可行性分析  112-113
    7.2.2 精炼效果分析  113
    7.2.3 RH 吹氢精炼工艺流程的探讨  113-114
  7.3 RH 真空精炼过程的的数学模型研究  114-115
    7.3.1 脱碳过程的模型研究  114-115
    7.3.2 脱氮过程的模型研究  115
  7.4 RH 吹氢真空精炼过程的数学模拟  115-124
    7.4.1 RH 动态精炼模型的建立  116-120
    7.4.2 微分方程的求解  120-121
    7.4.3 结果与讨论  121-124
  7.5 本章小结  124-125
第八章全文总结  125-127
论文的主要创新点  127-128
参考文献  128-136
致谢  136-137
攻读博士期间发表论文  137

氢气和天然气用于钢液脱氧的研究

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