电磁悬浮对Fe-0.22%...46%Mn钢精炼脱磷的影响_张培培.pdf

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.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%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 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 xI 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)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 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 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 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 dc 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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,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凝界面分压分别表示为Pei、Pbi、Pci。整个过程包括:1)杂质元素磷从熔体内部运动到熔体边界层;2)杂质元素磷从熔体边界层扩散到熔体表面;3)杂质元素磷在熔体表面发生界面化学反应,并挥发到惰性气氛或反应性气氛中;4)杂质元素磷在气相中扩散或与还原气体反应并扩散;5)杂质元素磷在悬浮仓表面凝固或被气体带走排出。图1 传统转炉炼钢脱磷过程F i g.1 D e p h o s p h o r i z a t i o np r o c e s so f t r a d i t i o n a lc o n v e r t e r s t e e l m a k i n g图2 电磁悬浮条件下精炼钢的脱磷过程F i g.2 D e p h o s p h o r i z a t i o np r o c e s so f s t e e l u n d e re l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o n在不同的试验条件下,磷的挥发过程一般由以上5个步骤中1个或多个步骤所控制。由于在本研究的电磁悬浮条件下,试样被高频电流加热至很高的温度而熔化,加热温度区间为18 0 023 0 0K,且熔体内部存在剧烈的搅拌现象,因此步骤1)不会是磷挥发的限制环节。另外,整个熔炼过程中,悬浮腔内始终保持着流动气体或真空状态,因此步骤5)也不会成为磷挥发过程的限制环节。综合考虑,限制磷挥发的步骤可能是步骤2)、步骤3)和步骤4)。由于试样受到电磁搅拌,溶解元素的分布被认为是均匀的,并且在步骤3)中,由于悬浮仓内气体流速相对较高,气态产物在熔体表面的扩散不会阻碍脱磷速率,因此仅有步骤2)与步骤4)被视为脱磷的限制步骤。蒸发 速 率 通 常 使 用H e r z-L a n g m u i r-K n u d s e n方程确定,因此在步骤2)中,当磷在熔融金属表面蒸发时,传质摩尔通量JSi可以表示为式(3)2 7。JSi=Pei2 R TMi(3)式中:Pei为 气液界面平衡分压,P a;Mi为磷的摩尔质量,k g/m o l;R为理想气体常数,取8.3 1 4J/(m o lK);为蒸发系数,由于金属液滴悬浮在氩气中,且与耐火材料或其他材料没有接触,因此表面不会受到污染,在该式中,可以假定为1;T为温度,K,T与吉布斯自由能相关,关系见式(4)2 2。2P=P2(g)G=1 3 90 0 0(20 0 0)-4 3.4(1 0.1T)(4)式中:P 为磷原子;P2(g)为气态磷单质;G为 反应的吉布斯自由能,k J/m o l。当反应处于平衡状态时,吉布斯自由能由式(5)表示。G=-l nK=-R Tl nPei/P0fiw(P)i(5)式中:P0为 标准状态下的磷气体压力;fi为F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢液中磷的活度系数;w(P)i为平衡状态下的磷质量分数,%。1.2 试验方法悬浮试样为F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢,主要成分为质量分数为0.2 2%的碳、0.5 4%的硅及1.4 6%的锰,杂质磷质量分数为0.0 2 3%,其余为铁。试验装置及试验过程如图3所示。其中,图3(a)所示为实际悬浮过程;图3(b)所示为电磁悬浮设备的结构,悬浮线圈为上二下三的方式缠绕,且上下线圈的电流方向相反,金属试样悬浮于石英管中,石英管上部通有氩气,蒸发的杂质磷随氩气气流排除;图3(c)所示为悬浮原理示意图,通过输入高频电流的线圈能够产生感生电磁场,置于线圈内部的金属导电试样在感生磁场中产生感应电流,进而产生洛伦兹力来抵消金属导体的重力;在高频磁场中的金属试样受集肤效应和涡流效应的影响,可以迅速产生焦耳热。通过式(6)描述金属试样的电磁力平衡重47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钢精炼脱磷的影响力,各部分力如图3(c)中所示。FL=JB=g(6)式中:FL为 金属试样所受洛伦兹力,N;J为由交变磁场B引起的涡流,N/(k gmT);B为磁感应强度,T;为悬浮试样的密度,k g/m3;g为万有引力常数,Nm2/k g2。(a)悬浮过程;(b)设备结构;(c)悬浮原理图3 试验装置及过程F i g.3 T e s td e v i c ea n dp r o c e s s 试验前,氩气通入反应室3m i n,以确保去除其他气体。试样悬浮后,进行不同电磁悬浮时间、不同电磁悬浮温度、电磁悬浮气氛流量对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷影响试验。精炼试验结束时,关闭电源并将样品滴入铜坩埚中,试验通过I C P-O E S分析测定样品中的磷质量分数。2 结果与讨论2.1 电磁悬浮时间对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷的影响试验过程中向悬浮室内通入纯氩气气体,悬浮气氛 流 量 为1.0L/m i n时,在 确 保F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢试样可以稳定悬浮精炼的前提下,对不同悬浮精炼条件下F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢中磷的脱除效果进行研究。当试样初始磷质量分数为0.0 2 3%,悬浮温度为19 2 3K,悬浮时间分别为1 5、2 5、3 5、4 5m i n时,不同试验条件下脱磷效果见表1。由表1可知,随着精炼时间的延长,F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢的脱磷率增大,但是增长幅度比较小。在精炼时间由1 5m i n延长 到4 5 m i n过程中,F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢 的 脱磷率仅升高了5.4 3%,磷质量分数由0.0 1 86 1%降低到0.0 1 73 6%。在精炼温度为19 2 3K条件下,悬 浮 精 炼4 5 m i n时 脱 磷 率 达 到 最 大 值,为2 4.5 1 7%。表1 电磁悬浮时间对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷影响试验结果T a b l e1 E x p e r i m e n t a l r e s u l t so fd 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 a f f e c t e db ye 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试验条件精炼温度/K精炼时间/m i n初始磷质量分数/%悬浮后磷质量分数/%脱磷率/%19 2 31 50.0 2 30.0 1 86 11 9.0 8 719 2 32 50.0 2 30.0 1 80 52 1.5 2 819 2 33 50.0 2 30.0 1 79 72 1.8 1 219 2 34 50.0 2 30.0 1 73 62 4.5 1 7 2.2 电磁悬浮温度对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷的影响试验条件为:试样初始磷质量分数为0.0 2 3%,悬浮时间为4 5m i n,悬浮气氛流量为1.0L/m i n,悬浮温度分别为18 2 3、19 2 3、20 2 3、21 2 3K。电磁悬浮温度对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷影响试验结果见表2。由表2可知,当精炼时间为4 5m i n时,精炼温度的变化对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷有影响。精炼温度的升高有利于F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢 中 磷 的 脱 除。当 温 度 为18 2 3、19 2 3、20 2 3K时,F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-57钢 铁第5 8卷表2 电磁悬浮温度对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷影响试验结果T a b l e2 E x p e r i m e n t a l r e s u l t so fd 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 la f f e c t e db ye l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o nt e m p e r a t u r e试验条件精炼温度/K精炼时间/m i n初始磷质量分数/%悬浮后的磷质量分数/%脱磷率/%18 2 34 50.0 2 30.0 1 76 02 3.4 5 819 2 34 50.0 2 30.0 1 73 62 4.5 1 720 2 34 50.0 2 30.0 1 70 42 5.9 0 821 2 34 50.0 2 30.0 1 60 53 0.2 3 31.4 6%M n钢的脱磷率分别为2 3.4 5 8%、2 4.5 1 7%、2 5.9 0 8%。当温度从20 2 3K升高到21 2 3K时,脱 磷 率 上 升 了4.3 2 5%,由2 5.9 0 8%升 高 到3 0.2 3 3%,在原F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢中磷质量分数 达到标准 的基础 上 进 一 步 脱 除 了3 0.2 3 3%的磷,磷质量分数为0.0 1 60 5%。所以,精炼时间一定时,精炼温度升高有利于F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢中磷的脱除,且当精炼时间为4 5m i n、精炼温度为21 2 3K时,脱磷率达到最大值,为3 0.2 3 3%。2.3 电磁悬浮气氛流量对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷的影响试验条件为:试样初始磷质量分数为0.0 2 3%,悬浮时间为4 5m i n,悬浮气氛流量分别为0.5、1.0、1.5L/m i n,悬浮温度值分别为19 2 3、20 2 3、21 2 3、22 2 3 K。悬 浮 前 向 悬 浮 室 内 通 入 纯 氩 气 气 体3m i n,在确保F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢试样可以稳定悬浮精炼的前提下,对不同精炼气氛流量下F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢中磷的脱除进行试验研究。不同电磁悬浮气氛流量对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼脱磷效果的影响试验如图4所示。其中,w(P)t/w(P)0为试样内剩余的磷质量分数与初始磷质量分数的比值;w(P)t为悬浮时间为t(单位为s)时F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢中的磷质量分数;w(P)0为初始磷质量分数。w(P)t/w(P)0的值越低,表示脱磷效果越显著。由图4可知,在相同悬浮温度下,随着气氛流量的增大,w(P)t/w(P)0的值越小,脱磷效果越好;在相 同 气 氛 流 量 下,随 着 悬 浮 温 度 的 升 高,w(P)t/w(P)0的值越小,脱磷效果越好。当温度为19 2 3K、气氛流量为0.5L/m i n时,w(P)t/w(P)0的值最高,为0.9 3 88,脱磷效果 最差;当 温 度 为22 2 3K、气氛流量为1.5L/m i n时,w(P)t/w(P)0图4 电磁悬浮气氛流量对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼脱磷的影响F i g.4 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 na t m o s p h e r e f l o wo 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的值最低,为0.4 4 48,脱磷效果最好,参见图4中虚线框中所示。2.4 脱磷传质系数分析不同电磁悬浮条件对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼过程中的磷去除效果及传质系数影响不同,假设脱磷过程以单原子磷为主,则脱磷的反应速率满足式(7)2 7。l nw(P)tw(P)0=-k AVt(7)式中:wPt为 悬 浮 时 间t后 试 样 中 磷 质 量 分数,%;wP0为悬浮试样初始磷质量分数,%;k 为悬浮试样内磷的传质系数,m/s;A为悬浮试样的蒸发表面积,m2;V为熔体的体积,m3;t为悬浮时间,s。研究选用悬浮时间为4 5m i n,对不同悬浮温度下气氛流量分别为0.5、1.0、1.5L/m i n时的电磁悬浮F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢脱磷效果进行了对比研究,采用式(7)计算得到总的传质系数k,结果如图5所示。由图5可知,悬浮时间固定为4 5m i n,悬浮温度 从19 2 3K增 加 到22 2 3K,悬 浮 气 氛 流 量 从67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)1.5L/m i n;(b)1.0L/m i n;(c)0.5L/m i n图5 电磁悬浮气氛流量对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢中磷传质系数的影响F i g.5 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 na t m o s p h e r e f l o wo nm a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n t o fp h o s p h o r u s i nF e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M ns t e e l0.5L/m i n增加到1.5L/m i n过程中,温度越高,气氛流 量 越 大,越 有 利 于F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢内磷的脱除。在恒定的气氛流量下,悬浮温度的增加能促进脱磷速率的提升;同时,在恒定温度下,增加悬浮气氛流量能提高脱磷的传质系数。当悬浮温度为22 2 3K、气氛流量为1.5L/m i n时,磷的传质系数最高,达到9.6 81 0-7m/s。根据不同电磁悬浮条件对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢除磷影响试验结果,采用式(7)计算得到总的传质系数k,其计算结果见表3。不同的悬浮温度、悬浮时间以及不同悬浮气氛流量对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢电磁悬浮精炼过程中的磷杂质脱除效果及总传质系数的影响见 表3。在 精 炼 过 程 中,试 样 温 度 被 控 制 在18 2 321 2 3K的范围内,悬浮时间控制在1 54 5m i n,悬浮气体流量控制在0.51.5L/m i n。由表3可知,悬浮时间与气氛流量恒定时,悬浮温度升高,脱磷率升高,脱磷的总传质系数增大,悬浮温度从18 2 3K提高到21 2 3K时,脱磷率与总传质系数分别从2 3.4 5 8%、4.6 31 0-7m/s提高到3 0.2 3 3%、6.2 21 0-7m/s。悬浮温度的增加能够提高整个过程总传质系数。这是因为温度升高,分子的热运动变得剧烈,扩散变得剧烈,如图2中步骤2)所示,温度升高加快了杂质元素磷在熔体内部的表3 悬浮条件对F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢精炼脱磷效果及总传质系数的影响T a b l e3 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 nc o n d i t i o n so nd e p h o s p h o r i z a t i o na n dt o t a lm a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n t o 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 g试验条件精炼温度/K精炼时间/m i n气氛流量/(Lm i n-1)脱磷率/%总传质系数k/(ms-1)18 2 34 51.02 3.4 5 84.6 31 0-719 2 31 51.01 9.0 8 71.0 91 0-619 2 32 51.02 1.5 2 87.5 41 0-719 2 33 51.02 1.8 1 25.4 81 0-719 2 34 51.02 4.5 1 74.8 61 0-720 2 34 51.02 5.9 0 85.1 81 0-721 2 34 50.53 0.0 8 16.1 91 0-721 2 34 51.03 0.2 3 36.2 21 0-721 2 34 51.54 0.5 6 19.0 01 0-7扩散速率,从而加快了单位时间内磷的传递。在其他悬浮条件不变时,随着电磁悬浮时间的增加,F e-0.2 2%C-0.5 4%S i-1.4 6%M n钢的脱磷率提高,从悬浮1 5m i n时的1 9.0 8 7%增加到悬浮4 5m i n时的2 4.5 1 7%,脱磷的总传质系数则相应从1.0 9 1 0-6m/s减小到4.8 61 0-7m/s。这是因为随着悬浮时间的延长,试样内部不断进行图2中步骤2)过程,杂质元素磷不断扩散到熔体表面,导致其在熔体内部的浓度梯度逐渐下降,扩散速率与浓度梯度呈正比,单位时间内磷的传递速率降低,并且随着悬浮过程的进行,运动到熔体表面的杂质元素磷会扩散到气相中,使试样内部磷质量分数不断减小,如图2步骤77钢 铁第5 8卷4)的描述。这说明脱磷率与