高錳汽車用鋼冶金熱力學行為及過程數學模擬研究

《高錳汽車用鋼冶金熱力學行為及過程數學模擬研究》是依託上海套用技術大學，由陳建斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高錳汽車用鋼冶金熱力學行為及過程數學模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳建斌
• 依託單位：上海套用技術大學

項目摘要

以汽車用高錳TWIP鋼的工業生產工藝開發為套用背景，用化學平衡法研究高錳TWIP鋼冶金體系中高濃度組分對Mn、C等元素的一階和二階活度相互作用係數，以及熔渣中MnO活度，建立高錳體系的基本熱力學數據及準確的去碳保錳的Mn-C熱力學平衡關係，為制定高錳TWIP鋼冶煉時的冶煉工藝流程及各工序步驟的關鍵工藝參數奠定堅實的理論基礎；用多組分體系同時反應動力學理論建立高錳TWIP鋼精煉過程數學模型，用實驗驗證並獲取關鍵的動力學參數，探索多組分體系選擇性競爭氧化還原規律，揭示多組分體系同時反應的動力學特徵及渣－金－氣體系同時反應的本質；在此基礎上建立AOD精煉高錳TWIP鋼數學模型，經模擬計算揭示AOD精煉高錳TWIP鋼的冶金學本質，為確定AOD精煉高錳TWIP鋼的關鍵工藝參數及精煉實踐提供理論指導。本項目對推動高錳TWIP鋼的生產套用，制定冶煉工藝流程及關鍵工藝參數具有重要的戰略和現實意義。

結題摘要

汽車輕量化是實現油耗低、排放少的“環境友好型汽車”的主要措施。高錳孿晶誘導塑性( TWIP) 鋼是當前的熱點研究領域。TWIP鋼中含錳18～30%，其大規模低成本冶煉是重要技術難題。 本項目圍繞汽車用TWIP鋼大規模低成本冶煉中將涉及的“去碳保錳”問題，從實驗研究、數學模擬及理論分析三方面展開研究。 （1）根據感應爐內熔煉結果，研究多組分體系及高錳鋼熔煉體系中元素競爭氧化反應本質，熔煉中都存在幾種元素同時燒損現象，在無渣覆蓋時錳的揮發損失不可忽略。在外加直流正接直流電流流過渣/金和渣/氣界面後，存在電解反應，導致鋼水中合金元素的燒損加劇，造成鋼水增氧，不利於脫硫。電解引起的鉻和錳的損失量占總損失的46％和25～46％。扣除了純化學反應引起的元素損失後，鉻和錳的陽極電流效率分別為50％和5％。鉻和錳的交換電流密度分別為48～50 mA/cm2和127～146 mA/cm2。 （2）基於冶金過程熱力學和動力學原理建立了多組分體系反應動力學模型和TWIP鋼熔煉過程數學模型，碳和錳等組分的計算結果和實驗結果吻合，揭示了高錳TWIP鋼熔煉過程的本質和特徵。經TWIP鋼AOD精煉數學模擬結果表明，用現有AOD設備和工藝冶煉高錳TWIP鋼是可行的，但有進一步改進和完善的空間。 （3）用化學平衡法研究了鐵液內C和Mn的一階和二階自身活度相互作用係數、Mn對C的一階和二階活度相互作用係數，提出了CaO-SiO2-MnO-FeO-MgO系熔渣中MnO和FeO活度係數與xMnO、xFeO和鹼度(B=(xCaO＋xSiO2)/SiO2)間關係。 （4）針對車用高錳TWIP鋼的冶金體系，構建了“去碳保錳”時的C-Mn平衡關係圖，提出TWIP鋼的大規模生產應優先選擇“電弧爐＋AOD”和“電弧爐＋AOD＋VOD”工藝路線，並提出了各工序的具體工藝參數。 （5）Fe-C、Fe-Mn、Fe-Mn-C及Fe-Mn-Al熔體與CO-CO2混合氣體反應體系平衡時間分別為612 min，421 min，899 min和844 min。其中反應[Mn]+CO2(g)=CO(g)+MnO(l)的反應級數為1.5級，得出了反應速率常數和平均表觀活化能。 （6）鋼液吸氮反應為-1.5～-2級反應。鋼液吸氮反應為一個複雜的多步反應。攪拌對吸氮反應有明顯影響。 （7）對稱單純形試驗設計方法可用於冶金領域的配方設計。