关键词：
废钢
熔化机理
铁碳熔体
传热
传质
摘要：
废钢的熔化行为是控制转炉炼钢过程温度变化和废钢比以及电弧炉炼钢能耗和产能的关键因素。研究废钢的熔化行为不仅对提高废钢在转炉和电弧炉等设备中的利用率具有重要意义,还可为转炉和电弧炉工艺建模提供理论指导与实验依据。前人虽已在废钢的熔化行为及机理方面进行了大量研究,但针对废钢熔化过程中的固液界面仍值得进一步探讨。同时,废钢熔化过程中的温度场、熔池速度场、熔体与废钢之间的传热系数、碳的传质系数、界面碳含量和废钢中心温度随时间的变化规律,以及吹气搅拌、废钢比、废钢形状、废钢尺寸和废钢密度等因素对废钢熔化行为的影响还值得进一步研究。本文通过数值计算与模拟、热模拟实验和水模型实验等方法探究了废钢在铁碳熔体中的熔化行为及机理,研究了熔池温度、熔池碳含量、废钢的形状与尺寸、废钢碳含量、废钢预热温度和吹气搅拌等因素对废钢熔化行为的影响。主要结论如下:（1）热模拟实验结果表明,废钢熔化主要包括固化层的形成、重熔与废钢本体的渗碳熔化等过程。当钢棒浸入熔池后,废钢外层形成固化层;且由于激冷效应,在固化层与废钢本体之间形成气隙。在废钢浸泡过程中,废钢的组织发生变化,由珠光体和铁素体转变为奥氏体。水淬后,渗碳层中生成针状马氏体,废钢内层形成板条马氏体。当废钢在熔池中浸泡时间过长时,废钢外层形成高温铁素体和液相。（2）数值计算与模拟、热模拟实验结果表明,随着熔池温度和熔池碳含量的升高,废钢初始半径的减小,固化层的最大厚度逐渐减小,固化层的形成与重熔时间缩短,废钢的熔化速度逐渐增大,完全熔化时间缩短。随着废钢碳含量的升高,固化层的最大厚度、固化层的形成与重熔时间基本不变,废钢最终稳定的熔化速度由-0.260×10-4m/s增大至-0.501×10-4m/s;完全熔化时间由400 s缩短到300s。（3）通过对基于移动边界层理论的废钢熔化模型计算可知,随着熔池温度的升高,最终稳定的传热系数和传质系数先增大后减小,其变化范围分别为1.04×10～5～2.86×10～5W/（m2·K）和0～2.89×10-4m/s,最终稳定的界面碳含量逐渐减小。随着熔池碳含量的增加,最终稳定的传热系数先增大后减小,其变化范围是7.59×10～4～1.01×10～5W/（m2·K）;最终稳定的传质系数由1.40×10-4m/s逐渐减小至5.21×10-5m/s,最终稳定的界面碳含量由0.69 wt%增大至0.73 wt%。随着废钢初始半径的减小和废钢预热温度的升高,最终稳定的传热系数、传质系数和界面碳含量基本不变,分别为8.40×10～4W/（m2·K）、1.40×10-4m/s和0.69 wt%。基于线性耗散热力学理论的废钢熔化模型可以预测废钢熔化过程中界面处碳含量、碳的活度和界面温度随时间的变化规律,进一步揭示废钢熔化的传热传质机理。（4）水模型实验研究表明,相对于正方体冰块而言,球体与圆柱体的比表面积较大,溶池向冰块的传热速率较快,冰块的完全熔化时间缩短;其中,球体冰块的完全熔化时间最短,为1227 s。随着冰块比的提高,溶池温度的降低速度逐渐加快且最终稳定的溶池温度逐渐降低,冰块的完全熔化时间与溶池的混匀时间逐渐延长。（5）根据数值模拟与水模型实验可知,相对于不吹气而言,通过吹气搅拌熔池,有利于改善熔池的温度分布,加强熔体向废钢的传热与传质过程,促进废钢的熔化与熔池的混匀。同时,氧枪枪位对溶池温度的影响较小,但随着氧枪枪位的升高,冰块的完全熔化时间与溶池的混匀时间分别由548 s和105 s延长至664s和142 s。随着顶吹气量与底吹气量的增加,熔池温度的降低速率有所增大,废钢的完全熔化时间与熔池的混匀时间逐渐缩短。但当吹气量过大即熔池搅拌能过大时,废钢完全熔化时间与熔池混匀时间的缩短程度减缓,此时继续增大吹气量不仅不能有效地搅拌熔池,还会造成能量的浪费。
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