电磁场下铝镁质耐火材料与熔渣的界面行为研究

摘要

电磁场在冶金领域广泛存在，其热、力效应等更是冶炼新钢种和提高钢品质的重要途径。耐火材料是保证冶金工业生产运行及其技术发展不可缺少的基础材料，参与整个钢铁冶炼过程，其损毁不仅关系到高温窑炉的安全高效运行，也会严重影响钢的质量。铝镁质耐火材料作为钢冶炼过程中的重要炉衬材料，渣蚀是其主要损毁形式之一。而冶金熔渣在高温下为熔融态，其中存在大量可自由移动的离子与离子团，具有导电性，电磁场会影响耐火材料与熔渣之间的界面行为。因此，本文针对钢精炼用铝镁浇注料，采用数值模拟与实验结合的方法，首先开展了交变磁场下铝镁浇注料的渣蚀研究，探讨了铁氧化物的影响，分析了渣蚀机理;然后，基于静磁场的可控性，研究了熔渣的高温性质及其对铝镁浇注料的侵蚀行为;最后，考虑耐火材料-熔渣-空气三相界面的Marangoni对流侵蚀，修正和构建了其局部侵蚀模型并探讨了影响因素，进而探究了静磁场的作用。通过上述实验与机理分析，主要结论如下:
　　(1)交变磁场会加剧熔渣对铝镁浇注料的侵蚀，尤其是Fe、Mn元素受到交变磁场的显著影响而快速向耐火材料内部迁移，同时交变磁场因产生电润湿现象减小了熔渣与铝镁浇注料之间的润湿角，加速熔渣的渗透侵蚀。
　　(2)施加静磁场能增大熔渣的粘度，增加熔渣与刚玉材料的润湿角，并形成电磁阻尼抑制熔渣对铝镁浇注料的渗透侵蚀，且磁感应强度越高熔渣的渗透深度越小;模拟结果与实测量验结果的较为匹配，表明所建立的侵蚀模型可以预测熔渣对铝镁浇注料的的侵蚀行为。
　　(3)修正建立的三相界面蚀损模型与实验结果具有较高的拟合度，侵蚀深度误差小于4.8％;侵蚀速度误差小于6.8％;大量气泡在熔渣滞留形成的气液固三相界面会加速耐火材料的侵蚀，且气泡会对熔渣增加一个附加压强，加速熔渣的渗透，导致渣蚀更加严重;对于水平渣蚀三相界面，横向磁场降低了Marangoni对流的速度，同时可抑制熔渣内部的运动。纵向磁场对Marangoni对流的影响较小，且会略微增大三相界面处熔渣最大速度，但仍可抑制熔渣内部的运动。

目录

声明

摘要

1．1 前言

1．2 电磁场在冶金领域的应用

1．2．1 钢包电磁搅拌

1．2．2 真空感应熔炼

1．2．3 电磁连铸技术

1．3 电磁场对冶金熔体的影响

1．3．1 电磁场对流动特性的影响

1．3．2 电磁场对物理性质的影响

1．4 电磁场对流体物理性质的影响

1．4．1 电磁流变效应

1．4．2 电场对流体表面张力的影响

1．5 耐火材料渣蚀界面行为的研究

1．5．2 耐火材料-熔渣-空气／钢水三相界面侵蚀行为

1．5．3 电磁场对耐火材料渣蚀行为的影响

1．6 论文的目的、意义及主要内容

1．6．1 研究目的及意义

1．6．2 研究的主要内容

第二章 交变磁场下铝镁浇注料与熔渣的界面行为

2．1 实验

2．1．1 试样制备

2．1．2 实验过程与方案

2．1．3 测试与表征

2．2 交变磁场的数学模型与计算方法

2．2．1 控制方程

2．2．2 网格划分与计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 交变磁场的磁感应强度分布

2．3．2 交变磁场下低铁熔渣对铝镁浇注料渣蚀界面行为的影响

2．3．3 交变磁场下铁含量对铝镁浇注料渣蚀界面行为的影响

2．3．4 交变磁场下铝镁浇注料的渣蚀机理分析

2．4 本章小结

第三章 静磁场下铝镁浇注料与熔渣的界面行为

3．1 实验

3．1．1 实验原料与试样制备

3．1．2 实验装置

3．1．3 实验过程

3．2 数学模型与计算方法

3．2．1 几何模型

3．2．2 渗透模型

3．2．3 电磁场模型

3．2．4 模拟条件及假设

3．3 结果与讨论

3．3．1 实验结果

3．3．2 模拟验证与分析

3．4 本章小结

第四章 静磁场对三相界面渣蚀行为的影响

4．1 实验

4．1．1 三相界面渣蚀实验

4．1．2 模拟验证实验

4．2 数值模拟

4．2．1 数学模型

4．2．2 计算条件与参数

4．3 结果与分析

4．3．1 耐火材料-熔渣-空气三相界面

4．3．2 耐火材料-熔渣-气泡三相界面

4．3．3 静磁场对Marangoni对流的影响

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望与后续工作

参考文献

附录

致谢