[发明专利]用于去除镁铝尖晶石夹杂物的精炼渣系的设计方法

权利要求书

1.一种用于去除镁铝尖晶石夹杂物的精炼渣系的设计方法，其特征在于，包括：

根据镁铝尖晶石夹杂物受到的上浮驱动力、流体曳力、附加质量力、界面阻力以及牛顿第二定律，计算得到镁铝尖晶石夹杂物位移与时间的关系；

所述上浮驱动力的表达式为：

（1）

其中，为夹杂物受到的驱动力，N；R为夹杂物的半径，m；G为重力加速度，9.81 m/s²；为流体密度，kg/m³；为夹杂物密度，kg/m³；

所述流体曳力的表达式为：

（2）

其中，为流体的特征粘度，Pa•s；为夹杂物的上浮速度，m/s；F_d为夹杂物的上浮所受流体曳力，N；Re为夹杂物的上浮雷诺数；

所述附加质量力的表达式为：

（3）

其中，F_m为附加质量力，N；为夹杂物运动过程中的加速度，m/s²；

所述界面阻力的表达式为：

（4）

其中，为夹杂物所受到的界面阻力，N；为界面能，J；Z为夹杂物位移；

所述夹杂物运动过程中的加速度为位移对时间的二次导数，其表达式为：

（5）

其中，为夹杂物运动过程中的无量纲加速度；为无量纲时间；t采用如下表达式无量纲化：

（6）；

所述界面能由三相间界面张力系数乘以面积可得，其表达式为：

（7）

其中，为夹杂物与钢液间界面张力系数，N/m；为夹杂物与渣间界面张力系数，N/m；为钢与渣间界面张力系数，N/m；

依据牛顿第二定律得到式（8）：

（8）；

根据式（8）计算得到镁铝尖晶石夹杂物位移与时间的关系；

界面特性条件采用三相间润湿角余弦值cosθ代表；

所述三相间润湿角余弦值cosθ的表达式为：

（9）；

两相间的界面张力系数计算方法为：

（10）

（11）

（12）

其中，为钢液的表面张力系数，1600℃下取值1.606N/m；为精炼渣的表面张力系数，N/m；为镁铝尖晶石夹杂物的表面张力系数，1600℃下取值为1.335N/m；

1600℃下的Al₂O₃-CaO-SiO₂三元渣系，采用Butler公式计算，或者采用简化后的多元渣系表面张力等值线分布图进行估算；Al₂O₃-CaO二元渣系，采用式（13）和（14）计算得到：

（13）

（14）

其中，为渣中该氧化物摩尔质量分数，为高温下纯氧化物表面张力系数，T为温度，为表面张力系数修正值，为二元成分间相互作用系数；

计算不同尺寸夹杂物去除应满足的精炼渣系的粘度和界面特性条件；

使用镁铝尖晶石夹杂物所处状态、精炼渣系的粘度和界面特性条件绘制去除优势区图；

根据钢种要求获得钢材中未去除夹杂物最大尺寸，并根据所述去除优势区图选取目标渣粘度及表面张力系数；

根据所述目标渣粘度和所述表面张力系数分别计算得到第一精炼渣系成分组成和第二精炼渣系成分组成；然后根据所述第一精炼渣系成分组成和所述第二精炼渣系成分组成的交集确定目标精炼渣系成分组成。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于， “判断镁铝尖晶石夹杂物所处状态”包括：

根据镁铝尖晶石夹杂物位移判断镁铝尖晶石夹杂物是否穿过钢-渣界面；

当夹杂物的位移超过水平界面以上2倍夹杂物半径时，判定夹杂物已完全穿过钢-渣界面被去除；当夹杂物在界面处震荡但最大位移未超过2倍半径时，判定为夹杂物的动能被界面消耗未能去除。