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外场作用下强化钢液脱氮、脱氧的研究

作　者: 孙铭山
导　师: 丁伟中；鲁雄刚
学　校: 上海大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 直流辉光等离子体外加电场脱硫脱氮脱氧模型
分类号: TF701
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

随着社会的进步和科技的发展，人们对钢铁材料中的有害元素氮、氧含量的要求越来越高，而传统的钢液精炼方法已不能满足这一要求，这就需要冶金科技工作者在原有的精炼基础上提出新的钢液脱氮、脱氧方法。钢液脱氮一直是冶金界的一大难点。一个奇特的冶金现象引起了我们的注意；暴露在非分子态(离子态或原子态)气氛下的钢液具有明显的超常规脱氮倾向。在实验室规模的直流电弧炉内通过中空电极向钢液吹氩，钢液中的氮可以脱到较低的水平。这个实验结果也被钢厂15吨电炉中空电极吹氩的工业试验所证实。用电子束炉重熔钢和合金时脱氮效果非常明显，而在普通真空电弧炉内熔炼的合金中氮含量则变化不大。这些试验结果说明钢液中的氮在非分子态气氛下的反应和平衡具有与分子态气氛条件下完全不同的规律，这些规律至今尚未被人们认识清楚。因此，有必要研究在等离子体下钢液脱氮的行为，从而为钢液脱氮开辟一条新的途径。本研究针对这一现象，提出在直流辉光等离子体下进行钢液脱氮的研究。这样一方面真空本身可以把氮脱除，另一方面利用辉光等离子体可强化脱氮，而直流辉光等离子体有利于研究辉光等离子体脱氮的机理。为此，我们研究了如下关键性问题。根据直流辉光等离子体的放电特性，设计了脉冲电路控制熔体作为一极的直流辉光等离子体，并在低温熔体锡液和高温熔体钢液上进行了实验。实验证明利用脉冲控制电路可以克服熔体作为直流辉光等离子体一极易引起电流波动这一难点，为以后进行这一领域的研究提供了可靠的电路保证。从理论上对直流辉光等离子体进行了解析，为实验装置的设计和实验结果的分析提供理论依据。在低温条件下研究了直流辉光等离子体脱除熔体锡中硫的效果，结果表明：直流辉光等离子体对锡液中硫的脱除效果要比在常态下的好；非反应性气体氩直流辉光等离子体在高硫条件下对锡液中的硫有一定的脱除效果，而在低硫条件下没有去除作用；反应性气体氢直流辉光等离子体对锡液的脱硫效果是非常明显的，而4000Pa的氢直流辉光等离子体脱硫的效果明显好于400Pa的；氩氢混合气体直流辉光等离子体的脱硫效果介于这二者之间，但其脱硫效果优于对应的氢分压为400Pa的氢直流辉光等离子体；在极性相反(锡液为正极)时，氩直流辉光等离子体没有脱硫效果，而氢直流辉光等离子体有一定的脱除能力。根据直流辉光等离子体的理论对实验结果进行了机理分析和解释。在此基础上，在铝丝炉上进行了直流辉光等离子体钢液脱氮的实验，结果表明:在压力为400OPa条件下，直流辉光等离子体对钢液脱氮效果要比真空脱氮的好。氢直流辉光等离子体脱氮的效果最明显，可把钢液中的氮降到loppm左右，氢氢混合直流辉光等离子体次之，氢直流辉光等离子体最差。而在真空下钢液中的氮仅脱到25ppm左右。利用等离子体的理论对直流辉光等离子体脱氮的原理进行了阐述，并从热力学上对氢直流辉光等离子体钢液脱氮和脱氧的原理进行了理论上的分析和讨论。在真空感应炉上进行了钢液脱氮的放大实验。先对由炉衬材料产生的氧而影响真空钢液脱氮的实验现象进行了研究，结果表明炉衬材料产生的氧降低了真空钢液脱氮的速度。在这种条件下，钢液脱氮处于一级反应和二级反应的边缘区域。在与真空钢液脱氮的压力和温度相同的条件下进行的非反应性氨和反应性氢直流辉光等离子体钢液脱氮的实验结果表明:在这种条件下氢等离子体脱氮和氢等离子体脱氮效果显著，都可把钢液中的氮脱到gppm，基本处在同一水平级。通过对它们的脱氮过程进行动力学分析得出:氢等离子体钢液脱氮是界面化学反应控制，而氢等离子体钢液脱氮既不是一级反应控制，也不是典型的二级反应控制，但限制环节倾向于界面化学反应为主。在实验的基础上，对直流辉光等离子体脱除熔体杂质的机理进行了分析并建立了动力学模型。对于钢液脱氧，近年来在浓差电池短路脱氧的基础上发展了脱氧体法，尽管该方法存在无污染、脱氧速度快等优点，但存在成本高、固体电解质大型化等缺点。为了避免这些缺点，提出了用熔渣代替固体电解质，在渣金间外加电场来强化脱氧，这样就解决了上述问题，同时具有无需还原剂、无氧化错管炸裂、熔渣可起到防止熔体二次氧化的作用，设备简单、成本低、可连续作业等优点。因此，这是一种很有希望的无污染脱氧方法。为此，进行了下面的实验研究。选择氟铝酸钠十氧化铝渣外加电场进行了铜液脱氧的研究，实验结果表明铜液脱氧的速度随着外加电压的增加而明显加快，但是终氧含量没有明显的差别。当使用氧化钠+氧化硅渣进行实验时，终氧含量随电压的增加没有明显的变化。在铜液脱氧实验的基础上选择CaO十A12咙十510:熔渣外加电场进行了钢液脱氧的实验，结果表明钢液中氧含量到达soppm左右后再很难进一步脱除。这可能和渣中氧离子的迁移数小以及熔渣的电化学性质等因素有关。根据渣金间外加电场熔体脱氧的机理建立了模型并利用模型计算的数据和实验的结果进行了对比，两者基本上相吻合。研究表明，在直流辉光等离子体下强化钢液脱氮，可?

全文目录

第一章前言  16-21
  参考文献  19-21
第二章钢液脱氮、脱氧研究的文献综述  21-55
  2.1 氮对钢的危害  21-22
  2.2 氮在钢中的溶解度  22-26
  2.3 钢液脱氮的方法  26-39
    2.3.1 熔渣脱氮  26-30
    2.3.2 真空脱氮  30-34
    2.3.3 气泡携带法脱氮  34-36
    2.3.4 等离子体脱氮  36-39
  2.4 氧对钢的危害  39-40
  2.5 钢液脱氧的方法  40-49
    2.5.1 沉淀脱氧  41-43
    2.5.2 真空脱氧  43
    2.5.3 扩散脱氧  43-44
    2.5.4 氧离子渗透膜脱氧  44-49
  2.6 小结  49-51
  参考文献  51-55
第三章直流辉光等离子体的特征及发生装置  55-66
  3.1 辉光等离子体的激发方式  55-56
  3.2 直流辉光等离子体的特性  56-60
    3.2.1 低压直流辉光放电的电压-电流特性  56-58
    3.2.2 直流辉光等离子体  58-60
  3.3 直流辉光等离子体在钢液熔体反应中应用的难点  60-61
  3.4 控制电路的提出  61-62
  3.5 脉冲电路设计的思路、原理及其电路图  62-63
  3.6 试验结果  63
  3.7 小结  63-65
  参考文献  65-66
第四章直流辉光等离子体的理论解析  66-77
  4.1 直流辉光等离子体  66-68
    4.1.1 直流辉光等离子体的概念  66
    4.1.2 维持放电过程的基元反应  66-68
    4.1.3 直流辉光等离子体中的平均电子能量  68
  4.2 直流辉光等离子体的理论解析  68-74
    4.2.1 汤生放电的理论解析  68-71
    4.2.2 击穿电压的理论解析  71-73
    4.2.3 直流辉光阴极区的汤生理论  73-74
  4.3 小结  74-76
  参考文献  76-77
第五章直流辉光等离子体脱除熔体锡中硫的机理研究  77-95
  5.1 实验  77-79
    5.1.1 实验原理  77
    5.1.2 实验体系  77-78
    5.1.3 实验装置、材料及分析  78-79
    5.1.4 实验步骤  79
  5.2 实验结果  79-87
    5.2.1 不加直流辉光等离子体锡液脱硫实验  79-81
    5.2.2 施加直流辉光等离子体锡液脱硫实验  81-87
  5.3 讨论及分析  87-92
    5.3.1 直流辉光等离子体锡液脱硫的机理  87-88
    5.3.2 氩直流辉光等离子体脱硫的机理分析  88-89
    5.3.3 氢直流辉光等离子体脱硫的机理分析  89-91
    5.3.4 熔体为阳极时的作用机理  91-92
    5.3.5 直流辉光等离子体脱硫的动力学分析  92
  5.4 实验得到的启发  92-93
  5.5 小结  93-94
  参考文献  94-95
第六章直流辉光等离子体钢液脱氮的研究  95-107
  6.1 实验  95-98
    6.1.1 实验材料  95-96
    6.1.2 实验装置  96-97
    6.1.3 实验参数  97
    6.1.4 实验过程  97-98
    6.1.5 化学分析  98
  6.2 实验结果  98-101
    6.2.1 氩直流辉光等离子钢液脱氮  98-99
    6.2.2 氢直流辉光等离子体钢液脱氮  99-100
    6.2.3 不同气氛直流辉光等离子体钢液脱氮  100
    6.2.4 钢液脱氮过程中氧含量的变化  100-101
  6.3 讨论及分析  101-105
    6.3.1 直流辉光等离子体钢液脱氮的原理  101-102
    6.3.2 氢直流辉光等离子体钢液脱氮的原理  102-104
    6.3.3 氢直流辉光等离子体钢液脱氮过程氧含量降低的原理  104-105
  6.4 小结  105-106
  参考文献  106-107
第七章直流辉光等离子感应炉上钢液脱氮的研究  107-123
  7.1 实验  107-109
    7.1.1 实验材料  107
    7.1.2 实验装置  107-108
    7.1.3 实验步骤  108-109
  7.2 真空钢液脱氮  109-116
    7.2.1 实验结果  109-110
    7.2.2 真空钢液脱氮的动力学分析  110-112
    7.2.3 真空钢液脱氮机理的分析  112-116
  7.3 氩直流辉光等离子体钢液脱氮  116-119
    7.3.1 氩直流辉光等离子体钢液脱氮的实验结果  116-117
    7.3.2 极性相反氩直流辉光等离子体钢液脱氮的效果  117-118
    7.3.3 氩直流辉光等离子体钢液脱氮的动力学分析  118-119
  7.4 氢直流辉光等离子体钢液脱氮  119-120
    7.4.1 氢直流辉光等离子体钢液脱氮的实验结果  119
    7.4.2 氢直流辉光等离子体钢液脱氮的动力学分析  119-120
  7.5 小结  120-122
  参考文献  122-123
第八章直流辉光等离子体脱除熔体杂质元素机理的分析及动力学模型的建立  123-130
  8.1 直流辉光等离子体脱除熔体杂质的机理  123-125
  8.2 模型的建立  125-128
    8.2.1 非反应气氛下直流辉光等离子体脱除熔体杂质元素的动力学模型  125-127
    8.2.2 反应气氛下直流辉光等离子体脱除熔体杂质元素的动力学模型  127-128
  8.3 小结  128-130
第九章渣金间外加电场脱氧的研究  130-152
  9.1 渣金间外加电场脱氧的原理  130-131
  9.2 渣金间外加电场铜液脱氧  131-141
    9.2.1 渣型的选择  131-132
    9.2.2 实验  132-134
    9.2.3 实验结果讨论及分析  134-139
    9.2.4 渣和铜液中铝含量的分析  139-140
    9.2.5 实验过程中铜液夹杂物的对比  140-141
  9.3 渣金间外加电场钢液脱氧  141-144
    9.3.1 实验  141-142
    9.3.2 实验结果分析及讨论  142-144
  9.4 渣金间外加电场脱氧过程的动力学模型  144-149
    9.4.1 模型原理  145-147
    9.4.2 模型的讨论  147
    9.4.3 熔渣外加电场脱氧实验结果和模型计算的对比  147-149
  9.5 小节  149-151
  参考文献  151-152
第十章结论  152-154
致谢  154-155
作者在攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利  155

外场作用下强化钢液脱氮、脱氧的研究

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