基于煉鋼過程物相平衡模型的鋼液成分控制研究

摘 要：本文旨在研究基于煉鋼過程物相平衡模型的鋼液成分控制方法，以提高鋼材的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。煉鋼過程中，鋼液成分的精確控制對(duì)最終產(chǎn)品的性能至關(guān)重要。為了優(yōu)化這一過程，本文構(gòu)建了物相平衡模型，采用FactSage軟件對(duì)鐵（Fe）、碳（C）、鉻（Cr）和鎢（W）組成的典型合金系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果展示了不同溫度下的相變規(guī)律、液相和固相中的物質(zhì)分配系數(shù)及其活度系數(shù)。通過分析仿真結(jié)果，本文提出了高溫階段的碳去除策略、鉻碳化物生成的控制方法以及基于相圖的溫度精確控制策略。

關(guān)鍵詞：煉鋼過程；物相平衡模型；鋼液成分控制；熱力學(xué)計(jì)算；FactSage

中圖分類號(hào)：TF 701" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

煉鋼過程是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其成品的質(zhì)量直接影響最終產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)成本。鋼液成分的精確控制對(duì)確保鋼材質(zhì)量至關(guān)重要。郝帥等[1]研究了氟鋁摻雜對(duì)C2S晶型轉(zhuǎn)變及平衡物相組成的影響。于水清等[2]研究了CaO-Al2O3-Ce2O3渣系的相平衡關(guān)系。張?jiān)路f等[3]研究了Al-Ni-Ru合金中非平衡凝固組織結(jié)構(gòu)及物相形成特征。胡潔瓊等[4]研究了Pd-M（M=Pt，Co，Ni）二元系的物相。郝寧等[5]研究了CaO/SiO2對(duì)鋼渣平衡物相的影響。羅羊等[6]研究了含鉛固廢協(xié)同冶煉過程的相平衡。馬翠紅等[7]研究了激光誘導(dǎo)擊穿光譜鋼水成分在線檢測的自動(dòng)定位技術(shù)。

1 模型構(gòu)建

物相平衡模型（Phase Equilibrium Model）基于鋼液在不同溫度和成分下的熱力學(xué)平衡，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測鋼液中各元素的分配情況。模型的核心是基于鋼液在高溫下的熱力學(xué)計(jì)算，通常采用相圖分析方法（相圖是描述物質(zhì)在不同溫度和成分下的相變規(guī)律的圖示），通過深入分析物相平衡，可以制定更精確的控制策略，從而提高鋼液成分的控制水平。

1.1 熱力學(xué)計(jì)算

熱力學(xué)計(jì)算是物相平衡模型的核心，主要用于確定鋼液中各元素在不同相（液相和固相）中的濃度。分配系數(shù)（Distribution Coefficient）是描述元素在固相和液相中濃度分布的一個(gè)重要參數(shù)，如公式（1）所示。

式中：Ki為元素在固相和液相之間的分配系數(shù)；Csi為元素i在固相中的濃度；Cli為元素i在液相中的濃度。

相圖構(gòu)造中，分配系數(shù)用于描述不同溫度和成分下，元素在相變過程中如何在固相和液相中分布。例如，在凝固過程中，某一元素可能更多地集中在固相或液相中，影響最終固化后的鋼材成分。通過熱力學(xué)計(jì)算，可以預(yù)測不同元素在固液相變過程中的分配，從而控制冶金過程中不同元素的含量。實(shí)際操作中，分配系數(shù)有助于指導(dǎo)調(diào)整合金元素的添加量，保證鋼液的成分均勻性。

活度ai是描述物質(zhì)在特定條件下化學(xué)勢的一個(gè)量度，反映了物質(zhì)在某相中的有效濃度，模型相應(yīng)考慮活度系數(shù)評(píng)價(jià)其參與反應(yīng)的趨勢和能力?；诖?，活度系數(shù)如公式（2）所示。

式中：γi為元素i的活度系數(shù)；ai為元素i的活度；Ci為元素i在物質(zhì)中的實(shí)際濃度；p0i為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的分壓，通常取為理想狀態(tài)下的飽和蒸汽壓；pi為其具體分壓。

在相圖中，活度系數(shù)能夠反映鋼液中各元素間的相互作用。不同元素的相互作用影響每個(gè)元素的活度，使元素偏離理想行為。通過計(jì)算活度系數(shù)，可以預(yù)測元素在不同條件下的化學(xué)勢，從而影響相變行為。例如，在鋼鐵生產(chǎn)中，合金元素的加入會(huì)改變主元素鐵和其他元素的活度，進(jìn)而影響合金的凝固過程和微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用中，鋼液中的元素活度不僅受到濃度的影響，還受到鋼液中其他成分的相互作用影響。模擬相圖時(shí)，活度系數(shù)用于修正實(shí)際系統(tǒng)中的偏差，保證模型更貼近實(shí)際工業(yè)條件下的鋼液行為。活度系數(shù)ai描述了偏離理想狀態(tài)的程度，從而修正了模型。本文也基于分配系數(shù)和活度進(jìn)行物相模擬，而在構(gòu)造相圖的過程中還需要考慮內(nèi)能的變化。

1.2 平衡方程

鋼液的熱力學(xué)平衡基于吉布斯自由能的最小化，假設(shè)系統(tǒng)的總吉布斯自由能為G，如公式（3）所示。

式中：G為自由能；H為焓；T為溫度；S為熵。

伴隨鋼液的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)和熱平衡，在鋼液和固相的平衡狀態(tài)下，吉布斯自由能G在2個(gè)相中應(yīng)相等，并且達(dá)到最小值，以獲得穩(wěn)定狀態(tài)而不再發(fā)生顯著偏離，環(huán)境參數(shù)限制下的鋼液有保持當(dāng)前狀態(tài)的趨勢，仿真也即基于此進(jìn)行模擬。通過最小化系統(tǒng)的總吉布斯自由能，可以計(jì)算各相的成分濃度。在鋼液中，吉布斯自由能的變化ΔG如公式（4）所示。

式中：ΔG為自由能的變化；ΔH為焓變；ΔS為熵變。

在相圖構(gòu)建中，不同相的吉布斯自由能是決定相變的關(guān)鍵。當(dāng)2個(gè)相的吉布斯自由能相等時(shí)，系統(tǒng)處于相變點(diǎn)。這就是相圖中不同相區(qū)分界線的物理意義，這些線表明在某溫度和成分下，液相和固相的自由能相等，從而可以發(fā)生相變。因此，通過計(jì)算不同溫度、成分下吉布斯自由能的變化，能夠構(gòu)建不同相的穩(wěn)定區(qū)域。

在鋼液成分控制中，質(zhì)量守恒方程是描述液相和固相之間成分分布的基礎(chǔ)。假設(shè)鋼液中某元素i的質(zhì)量為Mi，那么元素i在液相和固相中的質(zhì)量守恒方程如公式（5）所示。

式中：Msi和Mli分別為固相和液相的質(zhì)量。

通過將質(zhì)量守恒方程代入分配系數(shù)公式，可以得到公式（6）。

通過這些方程，可以計(jì)算鋼液的成分分布，并調(diào)整合金添加量。

相圖分析中，質(zhì)量守恒與分配系數(shù)結(jié)合，能夠精確計(jì)算在相變過程中各相中的元素濃度。例如，利用質(zhì)量守恒可以計(jì)算在凝固過程中的各元素在固液相之間的重新分配情況。這對(duì)控制鋼材的微觀結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵，特別是在冷卻速率和合金元素添加量的調(diào)整上具有重要應(yīng)用。

2 仿真模擬

2.1 模擬環(huán)境

本文旨在探討基于物相平衡模型的鋼液成分控制方法，通過建立煉鋼過程中的物相平衡模型，并利用仿真分析驗(yàn)證其有效性?；谝陨系臒崃W(xué)計(jì)算，可以通過模擬軟件（例如Factsage）構(gòu)建相圖。相圖顯示了鋼液在不同溫度和合金成分下的相變行為，通過分析相圖，可以理解不同工藝參數(shù)如何影響鋼材的相組成和機(jī)械性能。FactSage軟件是一個(gè)廣泛應(yīng)用于冶金和材料科學(xué)領(lǐng)域的熱力學(xué)計(jì)算工具，為了模擬煉鋼過程中鋼液的成分變化，選取一個(gè)典型的合金系統(tǒng)，主要成分包括鐵（Fe）、碳（C）、鉻（Cr）和鎢（W）。鐵-碳合金系統(tǒng)中，隨溫度升高或降低，吉布斯自由能的最小化過程決定了不同相之間的轉(zhuǎn)變，通過最小化鋼液和固相的吉布斯自由能，能夠預(yù)測相圖中的相邊界和相變溫度?？紤]工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的鋼液成分，設(shè)定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)massC/（Fe+C+Cr+W）=0.005。這一設(shè)定能夠反映鋼液中碳含量較低的情況，常見于高強(qiáng)度低合金鋼的生產(chǎn)過程中，溫度則設(shè)置為500℃～2200℃，以涵蓋廣泛的溫度區(qū)間，從而構(gòu)造相圖，見表1。

由表1可知，1400℃ 左右，固相開始析出，這表明在此溫度范圍內(nèi)，煉鋼工藝應(yīng)特別注意溫度的控制，以避免不必要的相變，導(dǎo)致成分的不均勻分布。針對(duì)1520℃左右的溫度水平，其進(jìn)一步升溫能夠顯著改變組分物相，使其逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。這一過程中，不同元素的相變溫度界限有一定差異，勾勒形成了位于較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的凹點(diǎn)，相應(yīng)形成物相平衡的邊界區(qū)域。

2.2 物質(zhì)分配

熱力學(xué)模型不僅可以用于相圖構(gòu)建，還可以用于控制鋼液中的成分分布，優(yōu)化合金設(shè)計(jì)，確保最終鋼材的質(zhì)量和性能?；诖?，整理其溫度變化背景下的能量調(diào)整，對(duì)比分析不同物相中的組分含量和活度系數(shù)表現(xiàn)如圖1、圖2所示。

針對(duì)液相，其分布如圖1所示。由圖1可知，液相中已基本不存在碳成分，鐵和鉻構(gòu)成為主要物質(zhì)成分，其中鉻的活度系數(shù)相對(duì)較高。

由圖2可知，固相中不存在鐵、鉻、碳等成分，但存在鐵和鉻的碳化物，其中鉻的碳化物的組分含量較高，其活度系數(shù)也較高。這意味在固化過程中，鉻傾向于與碳結(jié)合形成碳化鉻，這一現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)影響鋼材的耐腐蝕性和機(jī)械性能。為了優(yōu)化鋼材性能，實(shí)際操作中可以通過調(diào)整鉻含量或控制碳的含量來減少碳化鉻的生成量。

3 結(jié)語

通過建立和應(yīng)用物相平衡模型，可以更精確地預(yù)測鋼液中各元素的分布情況，從而實(shí)現(xiàn)高效控制鋼液成分的目標(biāo)。仿真分析結(jié)果表明，物相平衡模型在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果良好，能夠顯著提高鋼液成分的穩(wěn)定性和精確性。特定溫度范圍內(nèi)，碳的活度系數(shù)隨著溫度降低逐漸增加，這意味碳在低溫下更傾向于以自由狀態(tài)存在。因此，在冷卻階段應(yīng)避免快速降溫，以免導(dǎo)致形成碳化物，從而影響鋼材的機(jī)械性能。通過控制冷卻速率，保持鋼液在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，可以減少碳化物的析出，提高鋼材的韌性和延展性?？傮w來說，仿真結(jié)果為煉鋼工藝的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。通過分析仿真相圖和分配系數(shù)，可以優(yōu)化鋼液的冷卻曲線、合金元素的加入順序以及不同工藝參數(shù)的設(shè)定，確保在實(shí)際生產(chǎn)中獲得高質(zhì)量的鋼材產(chǎn)品。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化模型的參數(shù)，提高模型的計(jì)算效率，并結(jié)合更多的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

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