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軟件對鐵（Fe）、碳（C）、鉻（Cr）和鎢（W）組成的典型合金系統(tǒng)進行仿真。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；熱力學計算；FactSage

中圖分類號：TF 701" " 文獻標志碼：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確保鋼材質(zhì)量至關(guān)重要。郝帥等[1]研究了氟鋁摻雜對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。張月穎等[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]研究了激光誘導擊穿光譜鋼水成分在線檢測的自動定位技術(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平衡，能夠較準確地預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計算，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 熱力學計算

熱力學計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。通過熱力學計算，可以預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。實際操作中，分配系數(shù)有助于指導調(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)在特定條件下化學勢的一個量度，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)評價其參與反應(yīng)的趨勢和能力?；诖耍疃认禂?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)中的實際濃度；p0i為標準狀態(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元素的活度，使元素偏離理想行為。通過計算活度系數(shù)，可以預測元素在不同條件下的化學勢，從而影響相變行為。例如，在鋼鐵生產(chǎn)中，合金元素的加入會改變主元素鐵和其他元素的活度，進而影響合金的凝固過程和微觀結(jié)構(gòu)。實際應(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，活度系數(shù)用于修正實際系統(tǒng)中的偏差，保證模型更貼近實際工業(yè)條件下的鋼液行為?；疃认禂?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)部運動和熱平衡，在鋼液和固相的平衡狀態(tài)下，吉布斯自由能G在2個相中應(yīng)相等，并且達到最小值，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前狀態(tài)的趨勢，仿真也即基于此進行模擬。通過最小化系統(tǒng)的總吉布斯自由能，可以計算各相的成分濃度。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2個相的吉布斯自由能相等時，系統(tǒng)處于相變點。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，并利用仿真分析驗證其有效性?；谝陨系臒崃W計算，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械性能。FactSage軟件是一個廣泛應(yīng)用于冶金和材料科學領(lǐng)域的熱力學計算工具，為了模擬煉鋼過程中鋼液的成分變化，選取一個典型的合金系統(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，能夠預測相圖中的相邊界和相變溫度。考慮工業(yè)實際應(yīng)用中的鋼液成分，設(shè)定碳的質(zhì)量分數(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，導致成分的不均勻分布。針對1520℃左右的溫度水平，其進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)量分數(shù)下的凹點，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，確保最終鋼材的質(zhì)量和性能。基于此，整理其溫度變化背景下的能量調(diào)整，對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)象在實際生產(chǎn)中會影響鋼材的耐腐蝕性和機械性能。為了優(yōu)化鋼材性能，實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，可以更精確地預測鋼液中各元素的分布情況，從而實現(xiàn)高效控制鋼液成分的目標。仿真分析結(jié)果表明，物相平衡模型在實際生產(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，以免導致形成碳化物，從而影響鋼材的機械性能。通過控制冷卻速率，保持鋼液在適當?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。總體來說，仿真結(jié)果為煉鋼工藝的精細化設(shè)計提供了詳細的指導。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。未來的研究可以進一步優(yōu)化模型的參數(shù)，提高模型的計算效率，并結(jié)合更多的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行驗證。

參考文獻

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[7]馬翠紅，趙月華，孟凡偉.激光誘導擊穿光譜鋼水成分在線檢測靶點的自動定位[J].冶金分析，2017，37（12）：1-6.