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不锈钢中非金属夹杂物成分的动力学预报模型

作　者: 李明
导　师: 姜周华
学　校: 东北大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 不锈钢非金属夹杂物成分动力学模型
分类号: TF764.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

夹杂物成分及形态控制技术是现代洁净钢研究的主要方向之一。目前,国内外学者对铁素体不锈钢夹杂物形成的变化规律开展了相关的研究,但是很少有文献致力于铁素体不锈钢非金属夹杂物成分预报的动力学模型研究工作。因此本研究结合前人的研究工作,基于冶金热力学、动力学的基本原理和研究方法,以430铁素体不锈钢中CaO-Al2O3-SiO2复合夹杂物为研究对象,开展不锈钢中非金属夹杂物生成热力学、夹杂物行为的数学模拟,开发铁素体不锈钢中非金属夹杂物成分动力学预报模型。基于已有的冶金反应热力学数据、钢液组元活度计算模型、炉渣组元活度模型(高阶亚正规模型)以及GA-BP训练学习法,为430不锈钢中CaO-Al2O3-SiO2复合夹杂物生成动力学模型提供相关热力学数据。利用Matlab2011b将430不锈钢动力学预报模型建立成可视化操作界面,分别运用双膜理论建立渣金之间反应模型,未反应核模型建立钢液与夹杂物之间的反应模型,通过参考文献得到传质系数与搅拌强度的经验公式,在合理的假设基础上建立了430不锈钢中CaO-Al2O3-SiO2复合夹杂物动力学预报模型,为该类夹杂物的成分控制提供了理论依据。在动力学模型建立的基础上,在实验室条件下对430不锈钢生产中的AOD工位进行了热态模拟实验,考察冶炼过程中夹杂物的成分变化情况,对已开发不锈钢夹杂物动力学预报模型进行修正和验证。通过作图法得到实验中不同搅拌强度下的Si元素钢液侧传质系数,比较得到修正公式kx=(14DxV8/dc2)0.5,计算得到km,Si=0.003000m/s,0.004000m/s,0.00480m/s与实际所得传质系数有较好的吻合度,对模型中传质系数进行了修正。检测得到的终钢成分与动力学模型所设定钢种成分吻合,初始设定条件基本一致。从夹杂物形貌以及尺寸可以看出,夹杂物尺寸为球形,直径在1.05～1.35μm之间,没有发现较大尺寸夹杂物,说明在实验所设搅拌强度下,没有发生剧烈搅拌,使夹杂物碰撞剧烈与模型所假设条件相符。通过对夹杂物成分的统计分析可知,实验室条件下不同搅拌强度下各炉次测定的不同时刻CaO-Al2O3-SiO2夹杂物的成分与动力学模型计算值大体趋于一致,除个别炉次夹杂物成分有一定波动外,复合夹杂物中CaO、Al2O3和SiO2成分含量的实测值基本围绕着模型计算值波动,证明了研究中建立的动力学模型具有一定的可靠性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章绪论  12-14
  1.1 课题的背景  12-13
  1.2 课题的研究意义  13-14
第2章文献综述  14-38
  2.1 钢中非金属夹杂物的控制  14
  2.2 不锈钢中的夹杂物控制  14-18
    2.2.1 不锈钢中夹杂物的产生  14-15
    2.2.2 铁素体不锈钢中的夹杂物  15
    2.2.3 典型夹杂物对不锈钢性能的影响  15
    2.2.4 不锈钢AOD精炼工艺中夹杂物的控制  15-18
  2.3 组元活度的计算  18-24
    2.3.1 铁基合金中组元活度计算  18-22
    2.3.2 熔渣组元活度的计算  22-24
  2.4 GA-BP神经网络  24-29
    2.4.1 BP网络简介  24-25
    2.4.2 BP网络的结构  25-27
    2.4.3 传统BP算法的不足  27-28
    2.4.4 遗传算法(GA)的基本原理  28
    2.4.5 遗传算法和BP神经网络的结合  28-29
  2.5 传质与传质系数  29-35
    2.5.1 菲克定律  29-30
    2.5.2 传质系数  30-35
  2.6 非金属夹杂物动力学模型  35-37
    2.6.1 双膜理论  35-36
    2.6.2 未反应核模型  36-37
  2.7 文献评述  37
  2.8 研究内容  37-38
第3章不锈钢中CaO-Al_2O_3-SiO_2夹杂物成分动力学模型建立  38-50
  3.1 模型建立的基本依据与假设  38-39
    3.1.1 模型建立基本依据  38
    3.1.2 模型建立的基本假设  38-39
  3.2 基本热力学数据计算  39-43
    3.2.1 钢中组元活度计算  39-41
    3.2.2 炉渣组元活度计算  41-43
  3.3 动力学模型建立  43-49
    3.3.1 渣-金反应模型  44-46
    3.3.2 钢液-夹杂物反应模型  46-48
    3.3.3 传质系数  48-49
  3.4 本章小结  49-50
第4章动力学模型的界面实现  50-58
  4.1 启动界面  50
  4.2 模型主窗体  50-51
  4.3 钢液组元活度计算  51-52
  4.4 炉渣组元活度计算窗体  52-54
  4.5 传质系数计算  54
  4.6 Ca-Al-Si夹杂物成分预报  54-57
    4.6.1 渣-金界面反应  56
    4.6.2 钢液-夹杂物反应计算窗体  56-57
    4.6.3 总反应  57
  4.7 本章小结  57-58
第5章实验室条件热模拟实验修正及模型验证  58-74
  5.1 实验方案  58-62
    5.1.1 实验目的  58
    5.1.2 实验设备与装置  58
    5.1.3 实验材料  58-59
    5.1.4 实验材料的加入量  59-61
    5.1.5 具体实验方案  61
    5.1.6 实验步骤与检测方法  61-62
  5.2 实验室条件下计算传质系数  62-66
    5.2.1 传质系数计算方法  62-63
    5.2.2 实验结果及分析  63-66
  5.3 动力学模型验证  66-72
    5.3.1 430铁素体不锈钢终点成分  66-67
    5.3.2 夹杂物分析统计  67-72
  5.4 本章小结  72-74
第6章结论  74-76
参考文献  76-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-86
致谢  86-88
作者简介  88-90
论文包含图、表、公式及文献  90

不锈钢中非金属夹杂物成分的动力学预报模型

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