【摘要】：氧是鋼在凝固過程中偏析傾向最嚴重的元素之一,鋼中氧的增加會影響到鋼的性能,如降低鋼材的延展性、沖擊韌性和抗疲勞破壞性能,降低鋼材的耐腐蝕性能等。目前最普遍使用的脫氧方法是沉淀脫氧,也就是在鋼液中加入與氧結(jié)合能力比鐵大的元素,使之與鋼液中的溶解氧結(jié)合形成不溶于鋼液的氧化物而析出。沉淀脫氧反應速度快,但會在鋼液內(nèi)部形成大量的氧化物夾雜物,如果這些夾雜物在鋼液凝固前仍未去除的話,將會極大地影響鋼材的使用性能,如疲勞壽命等。當鋼液進行預脫氧后,需要對鋼液進行合金化操作,合金元素的加入可以顯著改變鋼材的性能。目前主要是通過礦熱爐冶煉硅鐵合金,然后在煉鋼過程中將鐵合金加入到鋼液中完成合金化操作。鐵合金生產(chǎn)過程能耗高,環(huán)境污染嚴重。由于冶金反應具有電化學本質(zhì),理論上可以通過熔渣電解完成鋼液的脫氧和合金化操作,因此關(guān)于氧化物熔渣電解相關(guān)基礎(chǔ)研究是十分必要的。本文研究了各種因素如電化學參數(shù)、熔渣成分、溫度等對熔渣脫氧和利用熔渣電解對鋼液Si的合金化的影響。利用四電極法測量了CaO-SiO2-Al2O3和FexO-CaO-SiO2-Al2O3渣系在不同溫度、不同氧分壓下的電導率。此外,本文建立了一種關(guān)于MgO-CaO-Al2O3-SiO2-'FexO'熔渣中Fe3+/Fe2+比與氧分壓、溫度和熔渣成分的簡單模型。得到如下結(jié)論：1)對于CaO-SiO2-Al2O3體系,其電導率隨著CaO/Al2O3比增加先降低后增加,且在CaO/Al2O3比為1附近呈現(xiàn)出極小值,這是Ca2+對A13+電荷補償作用所引起的。當固定A1203成分的含量且CaO的含量多于A1203時,隨著SiO2被CaO替代,CaO-SiO2-Al2O3體系的電導率逐漸增加,因為此時已經(jīng)有足夠的Ca2+參與電荷補償,新增加的Ca2+主要起到電荷傳導的作用。2)對于FexO-CaO-SiO2-AI2O3體系,在1823K下,氣氛為CO/CO2=0.2,固定FeO和SiO2成分時,隨著CaO/Al2O3比增加,總電導率和離子電導率開始減小隨后增加,而電子電導率開始保持不變隨后在CaO/Al2O3=1開始增加�？傠妼屎碗x子電導率的最小值出現(xiàn)在CaO/Al2O3=1處,這是Ca2+對A13+電荷補償作用所導致的。母渣分別為CaO-SiO2-Al2O3=40:40:20和CaO-SiO2-Al2O3=60:10:30(摩爾比)的FexO-CaO-SiO2-Al2O3體系不同鐵氧化含量的電導率測量結(jié)果顯示：在1823K下,當FexO百分比和熔渣堿度一定時,隨著CO/CO2比的增加,總電導率和電子電導率單調(diào)遞減,而離子電導率單調(diào)遞增。隨著CO/CO2比的增加,越來越多的鐵離子轉(zhuǎn)化為亞鐵離子,導致離子電導率增加。在本實驗中,亞鐵離子與全鐵之比y都是高于0.5,隨著CO/CO2比的增加,y值增大,進而使得y×(1-y)值降低,由于電子電導率正比于y×(1-y),所以電子電導率單調(diào)減小。當FexO含量一定時,熔渣的堿度越高,熔渣的總電導率、離子電導率和電子電導率都是增加的。當熔渣的堿度越高時,將會有更多的Ca2+參與到電荷傳導,從而使得熔渣的離子電導率越大。自由氧的增加會降低二價鐵的含量而增加三價鐵的含量,這將會使得二價鐵與三價鐵濃度之積增加,因此在一定成分范圍內(nèi)堿度更高的熔渣的電子電導率越高。3)用恒電流電解法研究了含鐵氧化物的熔渣脫氧情況,研究發(fā)現(xiàn)：實驗所選FexO-CaO-SiO2-Al2O3渣系脫氧效果明顯,在鉬棒陰極得到電解產(chǎn)物(Fe),而陽極端的產(chǎn)物只有CO。選用高堿度熔渣,實驗溫度適當提高,加大所施加電流都有利于提高電流效率。當其他條件相同時,熔渣中鐵氧化物無論是以FeO還是以Fe2O3形式加入對電流效率影響不大。在實驗條件下,熔渣堿度高、施加恒電流值大、實驗溫度高都將有利于提高電解速率。4)利用熔渣電解對鋼液進行了Si合金化實驗。對電解過程中的一些因素(渣系、電流等)對鋼液Si合金化的影響進行了研究,結(jié)論如下：在使用熔渣CaO-SiO2-Al2O3并施加2.5A-4.5A電流的情況下電解兩個小時,可將鋼液中Si含量提高到2%以上。隨著電極兩端施加電流的增加,鋼液中的Si含量和Si的合金化速率都在增加,這是由于大電流的情況下,會提供更多的電子,得電子的Si離子會越多,Si離子得電子的速率也會越快。相比于熔渣CaO:SiO2:Al2O3=57.33:15:27.67,使用熔渣CaO:SiO2:Al2O3=40:40:20時鋼液中的Si含量略高一些,因為此時的熔渣中SiO2的含量更高,使得熔渣中含有的Si離子更多,從而導致了鋼液中合金化的Si含量更高。在對鋼液Si合金化過程中,鋼液中Al和Ca含量略微增加,但增加量較小,約為5-30ppm。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TF703
【圖文】：

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本文編號：2733000