余彬等：FeVS0合金浇铸沉降理论的应用及其影响因素 ·1823· 到细晶强化和弥散强化的作用-).随着铁合金产业 贫渣及后期浇铸精渣进行成分分析，使用MLA系统进 及技术的发展，基于铝热还原钒铁合金制备工艺取得 行典型物相分析.通过重力沉降原理得到不同流体状 了长足的进步，在直筒炉钒铁治炼的基础上又开发出 态下合金沉降终速表达式，采用Factsage软件计算适 电铝热多期法钒铁治炼技术，该技术具有单炉治炼效 用于产业化的治炼熔渣特性@.工业试验中，按渣系 率、钒收率及自动化程度高等特点，应用前景广 组成要求的比例进行原料混配，通过治炼前期出渣过 阔-叼.其主要工艺技术是通过多期加料和出渣的方 程对浇铸渣量进行控制，出铁前通过改变给电功率对 式进行连续治炼，从而实现钒氧化物的多期还原，治炼 浇铸温度进行控制，并分析浇铸前后渣中钒含量. 结束后将渣铁同时浇铸于锭模进行渣金分离，待完全 冷却后破碎拆炉，得下层合金饼.与传统钒铁治炼 2结果与讨论 工艺不同的是，铝热还原多期法FeV50合金制备过程 2.1重力沉降原理 包含末期浇铸工艺，该工艺存在严重的渣金二次混融 重力场内，合金颗粒在近似无限大流体中自由沉 现象，从而导致冷却过程渣金分离不完全，进一步产生 降时，受重力、浮力和阻力的共同作用四.广义上其 因合金沉降受阻引起的渣中钒损增加及熔渣上浮受阻 沉降平衡如下式所示： 引起的产品夹渣等技术质量问题.为了改善钒铁治炼 (G-F)-f=ma. (1) 浇铸过程渣金分离效果，亟需了解浇铸过程合金沉降 式中，G、F、∫分别为颗粒沉降过程所受到的重力、浮力 理论及其主要影响因素，并结合工业试验进行验证. 和阻力，m为颗粒质量，a为颗粒的加速度 以直径为d的球形颗粒沉降为例，颗粒所受重力、 1实验 浮力及阻力分别如式(2)~(4)所示： 1.1原料 (2) 实验原料为某钒制品厂典型的铝热还原浇铸刚玉 G-dpg. 渣.工业试验V,0,纯度≥98.0%，V,0,全钒(TV,total F=ps, (3) vanadium)质量分数≥65.0%，铝粒纯度≥99.5%，铁 粒纯度≥99.0%.其主要化学成分见表1. =时些 (4) 表1实验原料的化学成分（质量分数） 式中，pm和p,分别为合金密度和熔渣密度，g为重力加 Table 1 Chemical composition of raw materials 速度，（为阻力系数，为沉降终速 夹杂/% 由于沉降阻力会随沉降速度的变化而变化，颗粒 原料 纯度/% Mn C P Si Fe 沉降过程逐渐加速直至受力平衡.由于加速段极短， V205 99.2 0.010.040.010.040.200.07 工程计算时近似认为沉降过程始终以沉降速度匀速下 V20365.1]0.010.050.030.050.180.05 沉，即a=0,将式(2)~(4)代入式(1)得： Al 99.8 0.020.010.010.030.030.09 ag=时答 πd (5) Fe 99.80.030.060.010.010.05 整理得沉降速度表达式如下式所示 1.2设备 Ad(p.-p.) (6) 工业可倾翻电弧炉1座：具有出渣出铁功能，最大 3p.5 输出功率6300kV·A,最大倾翻角度45°，二次电压135~ 式中，阻力系数（与雷诺数之间存在如下关系-： 190V;炉前快分系统：ZHM-1A型振动磨1套，MP-35 =fRe）, (7) 型制样机1套，Simultix 14型X射线荧光光谱仪 (8) (XRF,X-ray fluorescence)I套；mla650矿物解理分析 Res up 系统(MLA,mineral liberation analyzer):自带扫描电镜 Re。≥2×10的雷诺数区间在工业沉降过程中一 (SEM)、能谱分析(EDS):一次性钨铼热电偶若干. 般是达不到的.将不同区间的（值（如表2所示）逐个 1.3内容与方法 代入式(6)，分别得到层流区、过渡区及湍流区的沉降 进行三期治炼操作，各期钒氧化物质量比为4：3： 速度计算公式 1,配铝系数（理论配铝量的倍数）分别为1.20、0.95和 层流区：山。= d(p.-p.)g (9) 0.60,分批次加入到冶炼电炉中，第一期和第二期治炼 18μ 完成后分别进行一次出渣（贫渣）操作，第三期加料治 过渡区：u。=0.269 ld(p-p.)gRe" (10) 炼完成后进行浇铸出铁操作.采用XRF对前期治炼余 彬等: FeV50 合金浇铸沉降理论的应用及其影响因素 到细晶强化和弥散强化的作用［1--3］． 随着铁合金产业 及技术的发展，基于铝热还原钒铁合金制备工艺取得 了长足的进步，在直筒炉钒铁冶炼的基础上又开发出 电铝热多期法钒铁冶炼技术，该技术具有单炉冶炼效 率、钒 收 率 及 自 动 化 程 度 高 等 特 点，应 用 前 景 广 阔［4--7］． 其主要工艺技术是通过多期加料和出渣的方 式进行连续冶炼，从而实现钒氧化物的多期还原，冶炼 结束后将渣铁同时浇铸于锭模进行渣金分离，待完全 冷却后破碎拆炉，得下层合金饼［8--9］． 与传统钒铁冶炼 工艺不同的是，铝热还原多期法 FeV50 合金制备过程 包含末期浇铸工艺，该工艺存在严重的渣金二次混融 现象，从而导致冷却过程渣金分离不完全，进一步产生 因合金沉降受阻引起的渣中钒损增加及熔渣上浮受阻 引起的产品夹渣等技术质量问题． 为了改善钒铁冶炼 浇铸过程渣金分离效果，亟需了解浇铸过程合金沉降 理论及其主要影响因素，并结合工业试验进行验证． 1 实验 1. 1 原料 实验原料为某钒制品厂典型的铝热还原浇铸刚玉 渣． 工业试验 V2O5纯度≥98. 0% ，V2O3 全钒( TV，total vanadium) 质量分数≥65. 0% ，铝粒纯度≥99. 5% ，铁 粒纯度≥99. 0% ． 其主要化学成分见表 1． 表 1 实验原料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of raw materials % 原料 纯度/% 夹杂/% Mn C P S Si Fe V2O5 99. 2 0. 01 0. 04 0. 01 0. 04 0. 20 0. 07 V2O3 65. 1［V］ 0. 01 0. 05 0. 03 0. 05 0. 18 0. 05 Al 99. 8 0. 02 0. 01 0. 01 0. 03 0. 03 0. 09 Fe 99. 8 0. 03 0. 06 0. 01 0. 01 0. 05 ― 1. 2 设备 工业可倾翻电弧炉 1 座: 具有出渣出铁功能，最大 输出功率6300 kV·A，最大倾翻角度45°，二次电压135 ～ 190 V; 炉前快分系统: ZHM--1A 型振动磨 1 套，MP--35 型制 样 机 1 套，Simultix 14 型 X 射线荧光光谱仪 ( XＲF，X--ray fluorescence) 1 套; mla650 矿物解理分析 系统( MLA，mineral liberation analyzer) : 自带扫描电镜 ( SEM) 、能谱分析( EDS) ; 一次性钨铼热电偶若干． 1. 3 内容与方法 进行三期冶炼操作，各期钒氧化物质量比为 4∶ 3∶ 1，配铝系数( 理论配铝量的倍数) 分别为 1. 20、0. 95 和 0. 60，分批次加入到冶炼电炉中，第一期和第二期冶炼 完成后分别进行一次出渣( 贫渣) 操作，第三期加料冶 炼完成后进行浇铸出铁操作． 采用 XＲF 对前期冶炼 贫渣及后期浇铸精渣进行成分分析，使用 MLA 系统进 行典型物相分析． 通过重力沉降原理得到不同流体状 态下合金沉降终速表达式，采用 Factsage 软件计算适 用于产业化的冶炼熔渣特性［10］． 工业试验中，按渣系 组成要求的比例进行原料混配，通过冶炼前期出渣过 程对浇铸渣量进行控制，出铁前通过改变给电功率对 浇铸温度进行控制，并分析浇铸前后渣中钒含量． 2 结果与讨论 2. 1 重力沉降原理 重力场内，合金颗粒在近似无限大流体中自由沉 降时，受重力、浮力和阻力的共同作用［11］． 广义上其 沉降平衡如下式所示: ( G － F) － f = ma． ( 1) 式中，G、F、f 分别为颗粒沉降过程所受到的重力、浮力 和阻力，m 为颗粒质量，a 为颗粒的加速度． 以直径为 d 的球形颗粒沉降为例，颗粒所受重力、 浮力及阻力分别如式( 2) ～ ( 4) 所示: G = π 6 d3 ρm g， ( 2) F = π 6 d3 ρsg， ( 3) f = ζ πd2 4 ρsu2 0 2 ． ( 4) 式中，ρm和 ρs分别为合金密度和熔渣密度，g 为重力加 速度，ζ 为阻力系数，u0为沉降终速． 由于沉降阻力会随沉降速度的变化而变化，颗粒 沉降过程逐渐加速直至受力平衡． 由于加速段极短， 工程计算时近似认为沉降过程始终以沉降速度匀速下 沉，即 a = 0，将式( 2) ～ ( 4) 代入式( 1) 得: πd3 6 ( ρm － ρs) g = ζ πd2 4 u2 0 2 ． ( 5) 整理得沉降速度表达式如下式所示． u0 = 4d( ρm － ρs) 槡 3ρsζ ． ( 6) 式中，阻力系数 ζ 与雷诺数之间存在如下关系［12--13］: ζ = f( Ｒe0 ) ， ( 7) Ｒe0 = du0 ρs μ ． ( 8) Ｒe0≥2 × 105 的雷诺数区间在工业沉降过程中一 般是达不到的． 将不同区间的 ζ 值( 如表 2 所示) 逐个 代入式( 6) ，分别得到层流区、过渡区及湍流区的沉降 速度计算公式． 层流区: u0 = d2 ( ρm － ρs) g 18μ ， ( 9) 过渡区: u0 = 0. 269 d( ρm － ρs) gＲe0. 6 0 槡 ρs ， ( 10) · 3281 ·