铸钢过程中夹杂物的形核、生长、迁移和截留
铸钢过程中夹杂物的形核、生长、迁移和截留
本文简要介绍了铸钢过程中非金属夹杂物的形核、长大、迁移和截留。总结了该领域目前的主要研究成果和今后应重点研究的课题。
钢精炼铸造过程中的非金属夹杂物
在碱性氧气炉或电炉中生产的钢在铸造前被送入钢包进行合金化和精炼。如图1所示，第一个精炼步骤是在氩气搅拌容器中，有时在真空中，通过添加铝或硅或其他与铁合金形式的氧具有热力学亲和力的元素，使钢脱氧。根据元素反应的热力学稳定性及其形核能力，夹杂物是由元素与钢中的溶解氧反应形成的。如果形核发生在纯液体熔体中，则可以是均匀的；如果存在表面能有利于形核的固体颗粒，则可以是非均匀的。夹杂物的生长取决于与其他颗粒的碰撞、钢水中的沉淀以及其他机制。在连铸过程中，钢包中的钢水位于中间包上方，底部滑动门打开，开始钢流进入中间包。中间包中的钢通过陶瓷浸入式水口（SEN）向下出口，进入结晶器。在喷嘴转移操作过程中，可能会发生二次氧化，这取决于与喷嘴几何形状相关的流量、是否存在泄漏、部分喷嘴堵塞脱落以及其他因素。新的夹杂物，如氧化铝，会在空气中吸收的氧气与溶解元素（如溶解铝）之间的反应而形核和沉淀。在型腔中，钢水在凝固的钢壳内流动。结晶器区域的流动模式由喷嘴或浇口几何形状、铸造速度、结晶器几何形状和氩气注入速率控制。这种流动模式反过来控制夹杂物和其他决定钢质量的缺陷的夹带。流动模式既可以通过将流动带到顶部表面渣层，也可以通过使夹杂物更深地滞留在凝固前沿来鼓励夹杂物去除。[1-5]
图1. 炼钢、精炼和铸造工艺
连铸结晶器区夹杂物相关现象如图2所示，与夹杂物相关的现象如表1所示。本项目旨在利用宏观流体流动模型和纳米和微型夹杂物模型相结合的模型，量化这些现象对最终产品中夹杂物的贡献。
图2. 钢连铸中间包和钢绞线中的现象
表1. 连铸结晶器区夹杂物相关现象
钢水中的夹杂物控制着钢水的“清洁度”，并导致许多不同的质量问题。钢的清洁度不仅取决于夹杂物的数量，还取决于夹杂物的形态和尺寸分布。夹杂物的尺寸分布尤为重要，因为大的宏观夹杂物对力学性能的危害最大。包括团簇在内的大型夹杂物造成的损害最大。太多较小的夹杂物也有害，尤其是高合金钢中的离散尖晶石或氮化物夹杂物。坚硬的夹杂物比软的或易碎的夹杂物更具破坏性，后者在随后的工作操作中会变形或破裂。夹带的夹杂物会导致最终轧制产品中的内部裂纹、裂片和气泡[6]。例如，当包裹物包围的小氩气泡被凝固外壳夹住时，就会产生“铅笔管”[7]。在轧制过程中，夹杂物团会拉长，从而在最终产品中形成长条。这些间歇性缺陷的成本特别高，因为它们通常在完成零件喷漆后才被检测到。因此，了解夹杂物是如何产生的，并控制每个容器中的流动模式，以尽量减少颗粒夹带和相关的质量问题，这是一个很大的动机。减少夹杂物的方法取决于其来源。这些方法包括控制钢、炉渣和耐火材料的成分；控制每个容器中的流体流动模式；注入气泡；以及最大限度地减少暴露于空气中。相对有效性取决于对来源的正确识别，目前还没有很好的理解。人们怀疑大的夹杂物更容易去除，但给定粒度的连铸结晶器区域的有效性尚未得到很好的量化。只有对夹杂物的形成和去除机理进行适当的量化和比较，才能找到去除夹杂物的最佳策略。
关于夹杂物现象的相关报道
车间实验
过去，通过在钢铁厂进行试验、收集样品、进行冶金分析和收集统计数据，人们对夹杂物夹带现象有了深刻的认识。本文综述了钢包、中间包和连铸机中夹杂物的检测方法和提高钢洁净度的操作规程[5.8-20]。夹杂物来源于多种来源，包括脱氧、再氧化、氮化物形成、夹渣、化学反应和其他外源性来源。从它们在最终产品中的组成和形状可以看出它们起源的机制。夹杂物的形态如图3所示。大的树枝状氧化铝是由富氧环境中的快速生长引起的，例如再氧化引起的（图3a）和铝镇静钢中较小颗粒之间的碰撞（图3b21）导致的氧化铝团簇生长。气泡会被截留在凝固的钢中，并且通常被附着的夹杂物覆盖（图3c22）。固体夹杂物可在具有良好表面张力效应的任何表面（包括耐火壁）上聚集。22喷嘴壁表面形成的堵塞物可改变流动模式或移位[22]，导致连续铸造Ti稳定不锈钢中的锡团等缺陷（图3d23）。当表面熔渣被夹带时，复合氧化物形成大球体，在钢凝固时保持液态（图3e21）。最后，从容器或喷嘴壁上脱落的破碎耐火材料产生了大的不规则外部夹杂物（图3f21）。随着夹杂物含量的稳步下降，通过测量检测夹杂物而获得的改进成本越来越高。考虑到如此多的变数，工业试验已经无法承受这种方法。
图3. 典型夹杂物的形态：（a）树枝状氧化铝，（b）氧化铝团簇，21（c）含附着夹杂物的气泡，24（d）SEN clog处的锡夹杂物，23（e）硅酸盐夹杂物，22和（f）不规则外来夹杂物
宏观流动模式和包裹体运移（10-3–10+1m）
了解容器中的基本流动是理解夹杂物夹带的关键步骤，因为夹杂物的去除主要由通过液体流场的传输控制。以前的研究，包括当前作者的研究，已经开发了计算模型来预测各种冶金容器的瞬时流体流动行为，包括钢包14、25、26中间包、27–39和连续铸造结晶器中的湍流、三维流动。11、24、28、30、34、35、39–52这些宏观模型中的一些已经被扩展到预测宏观流体中包裹体的迁移和去除。尽管令人鼓舞，但这些先前的模型研究需要进一步验证和扩展，以纳入纳米和微观尺度上的包合行为的最新基本模型，这些模型将在接下来讨论。
纳米和微尺度夹杂现象（10-9–10-3m）
许多控制夹杂物行为的非常重要的现象发生在非常小的尺寸和时间尺度上，并且发生在仅测量少数原子厚度的界面区域内。25-40年前，不同的研究人员对钢中夹杂物的形成和增长进行了广泛的研究，如Elliott和同事53,54 ，Flemings和同事，54 Turkdogan55,56，Olette及其同事57–59 ，Fruehan和同事60 ，Szekly和同事61–64 ，Cramb和同事65–68， Thomas和同事69，70，和Zhang3,4,24,25，27,71–73。如图4所示，在纳米尺度上，成核发生在时间和长度上，并受脱氧元素和氧的扩散71,72,75,76、布朗碰撞27,72,75,76、和奥斯特瓦尔德成熟的控制72,75–79。粒子生长发生在微尺度上，这取决于气泡附着、湍流碰撞等微观尺度现象27,72,75,76，界面反应、再氧化和局部热力学20,80–83。最后，熔渣处或通过气泡浮选24,26,84,85的夹杂物输送和去除以及凝固枝晶界面中的颗粒夹带3–5,73取决于流动输运以及流动模式和冶金容器形状的性质。不同的纳米和微尺度模型被用来预测重要的特定现象。目前作者认为气泡浮选是几种去除夹杂物的方法之一，他计算了夹杂物与气泡的附着概率，并进行了匹配的水模型实验，结果表明这种概率取决于气泡大小、粒度、湍流耗散和气体流速24,51,84–87。
未来的重点是研究钢中夹杂物的形核、生长、迁移和包埋
本文中总结的工作使改进的建模工具的开发成为可能，并导致对过程的基本见解得到改进。然而，之前的工作也有以下缺点：
1.包裹体的纳米和微观形核与长大与局部宏观流体流动没有真正的耦合，其尺寸分布的演化规律也很少被研究。夹杂物的形核和长大模型大多是解析的，而不是数值求解。
2.由于宏观流动模式、纳米和微观尺度夹杂现象之间复杂的基本关系，以及夹杂物形成和包裹体形成的不同机制的相对重要性，上述模型难以应用于工业实践。
3.计算模型是针对特定过程或特定现象而开发的，但迄今为止，还没有将足够多的现象和过程结合起来，以用于整个过程设计和控制。那个关于夹杂物形核和生长的未来工作应包括以下创新项目：
将纳米和微尺度现象（夹杂物的形核和长大，以及夹杂物对凝固壳、熔渣和气泡表面的截留）与钢液中的宏观流体流动相结合。
以伪分子为出发点，数值而非解析地求解包裹体的形核、碰撞和生长。
预测铸钢过程中夹杂物的组成、数量和尺寸分布演变，预测夹杂物在铸件中的最终分布位置。
考虑到空气吸收、钢水与炉渣和炉衬耐火材料之间的反应以及冷却过程中析出物产生的新夹杂物。
应用所提出的模型对精炼和铸造操作进行优化，以提高夹杂物去除率，实现高清洁度钢铁。有开发了模型来捕捉对包裹体行为重要的微观尺度现象，下一步是将它们纳入宏观流体流动模型中。该模型将被纳入宏流模型。通过精确地添加具有连续倍增特性的尺寸组，该模型可以跨越所遇到的夹杂物尺寸的完整范围，并在宏观流动模型中跟踪尺寸分布的演变，而不会成为计算上的障碍。将局部伪分子浓度和包合物粒径分布作为状态变量在模型尺度之间进行通信。
将纳米和微尺度包裹体模型与宏观流体流动模型相结合的方法如图5所示。在计算了大尺度三维流体流动后，通过求解拉格朗日输运方程作为后处理步骤，计算出气泡和夹杂物的运动轨迹。通过轨迹计算，计算夹杂物与气泡的附着概率。然后计算不同尺寸夹杂物的宏观三维浓度，回顾夹杂物的纳米和微观形核和长大模型，并将微尺度气泡-夹杂物相互作用作为源项加入夹杂物浓度。每种尺寸的夹杂物都有一个浓度场。夹杂物在凝固壳、炉衬和渣层上的微观附着模型是计算夹杂物浓度和计算夹杂物轨迹的边界条件。
流动中不同尺寸夹杂物的浓度方程为
式中，Nj为i，Vt为夹杂物的最终上升速度，Deffis为有效扩散系数。右侧的源项包括扩散、布朗碰撞和湍流碰撞导致的包裹体增长。
当前的金属杂志主题
当前的金属杂志主题是关于金属中粒子形核和生长的模拟。本课程主要研究金属中第二相粒子的形核、生长（通过扩散、碰撞等）、运动和去除，如金属中的非金属夹杂物、金属在冷却、凝固和热处理过程中的沉淀物以及金属中的气泡。为这个主题收集了四篇文章。B、 Rheingans和E.J.Mittemeijer提出了相变动力学的广义模块化模型，并研究了Fe-Ni-B金属玻璃的晶化、钴中的同素异形hcp-fcc转变以及过饱和CuCo合金的沉淀动力学。H、 采用数学模型对连铸中间包内非金属夹杂物的生长和去除进行了研究。J、 P.Bellot等人采用数值模拟方法研究了金属中夹杂物的扩散和碰撞生长，重点研究了Ti-VAR重熔过程中的夹杂物、马氏体时效钢熔体中的TiN夹杂物和气体搅拌钢包的钢液中的夹杂物。W、 Yang等人。对钢中氧化铝夹杂物的形核进行了热力学计算，观察了钢中氧化铝夹杂物的聚集形态。
图4. 夹杂物形核、生长和去除过程中的尺度和控制机制。
图5. 将纳米尺度和微观尺度的包裹体模型与宏观尺度的流体流动模型相结合。
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