铁合金是炼钢过程中必不可少的添加剂,常用作合金剂、脱氧剂等,被称为钢铁工业的“味精”。目前炼钢厂对加入到转炉中的铁合金要求成分均匀、粒度适中(10mm左右)、形状规则(球形)、纯净度高(氧化率低、杂质少)等,然而传统铁合金粒化技术采用了破碎制粒工艺,得到的颗粒存在粒度不均匀、成分偏析严重、形状不规则等问题;此外,传统工艺会产生大量的粉尘,不仅污染环境,而且危害工作人员身体健康,处理这些粉尘也会增加成本。针对上述问题,国际上已开发了解决和部分解决上述问题的铁合金粒化技术,并且部分工艺已实现工业化生产,但对于这些工艺而言,仍然存在两大共性问题:1)大多数的粒化技术依然是破碎制粒,只是破碎的方式发生了改变,带来的问题还是未能解决;2)高温粒化工艺几乎都采用水冷的方式,虽然水的冷却强度高,但随之带来的合金氧化、环境污染、安全保障、余热利用等问题也不能有效解决。针对目前铁合金粒化存在的问题,本文提出了一种新的高温粒化工艺,并设计出了相应的粒化装置,通过实验研究与理论分析相结合的方法,对提出的新工艺粒化机制、颗粒形貌、粒度分布及其表面氧化状态进行了系统研究。在此基础上,建立了粒化合金熔滴的尺寸预测模型、飞行轨迹模型及其冷却过程模型,并将模型计算结果与实验结果进行了对比分析。此外,通过铁合金与不同材质的转杯进行粒化实验,对比分析了润湿性对铁合金粒化行为的影响规律。得到的主要结论如下:(1)在实验室条件下,采用多孔转杯作为粒化器的新型铁合金高温粒化工艺,得到的颗粒球形度好、粒度均匀,弥补了传统铁合金粒化工艺存在的不足,能避免粒径小于1mm的细小颗粒产生。(2)转杯转速和开孔孔径是影响铁合金颗粒形貌、粒度组成的重要工艺参数。采用石墨转杯,开孔孔径为10mm和12mm,转速在150~200rpm时,得到的合金颗粒平均粒径均在10mm左右,且粒径低于4mm的颗粒所占比例不超过10%,在本研究的实验条件下为最佳的粒化条件。(3)粒化合金颗粒的表面氧化程度与颗粒粒度及冷却介质有关。水冷条件下,随着合金颗粒粒度的增加,其氧化程度呈逐渐降低的趋势,表面氧化层厚度也呈减小的趋势;其中粒度范围在10~13mm的合金颗粒,吸氧仅为0.05%,氧化层厚度为16μm,符合炼钢厂对入炉铁合金粒度大、纯净度高的要求。同一粒度范围内,风冷得到的颗粒氧化程度低于水冷;粒度小于4mm的合金颗粒风冷吸氧0.07%,而水冷达到了0.13%;此外,风冷对于后续的余热回收具有方便快捷、效率更高等优点。(4)与硅铁合金原料相比,粒化后的硅铁合金显微组织更加精细,物相也相对均匀,说明本研究所提出的铁合金高温粒化新工艺可有效的改善硅铁合金铸块中的成分偏析问题。(5)通过实验观察和理论计算发现,硅铁合金多孔转杯粒化过程主要以线状分裂模式为主;通过Rayleigh扰流理论构建了粒化合金熔滴的尺寸预测模型:(?),模型计算结果与实验结果吻合较好;通过牛顿运动定律,构建了粒化熔滴的飞行轨迹模型:(?)和(?),得到了合金颗粒的分布特性;通过牛顿冷却定律,构建了粒化合金熔滴的冷却过程模型:(?),得到熔滴在飞行过程中温度随时间、风量的变化规律以及冷却时间与风量的关系。模型的建立对于粒化装置的工业化生产以及后续余热回收方法的选择具有一定的指导意义。(6)FeSi75合金与转杯的界面张力是影响铁合金粒化行为的重要因素之一,界面张力越大,则合金液在旋转粒化过程中越容易脱离转杯。FeSi75合金与石墨的润湿性很好,表观接触角仅在7.5°左右,而与氧化铝的润湿性较差,表观接触角在45°左右。在同一转速和开孔孔径条件下,与石墨转杯相比,氧化铝转杯得到的颗粒球形度更好、粒度更均匀,但平均粒径较小。因此,要获得球形度好的颗粒需选择润湿性差的材质转杯作粒化器,而要获得粒度大的合金颗粒需选择润湿性好的材质转杯作粒化器;考虑到氧化铝转杯的成本、易碎等问题,综合分析,目前采用石墨质的转杯进行铁合金粒化是经济、有效的选择。