废钢界面碳扩散过程的数值模拟研究

摘要

针对废钢在转炉或电弧炉内熔化过程中表面渗碳可有效降低其熔点、进而促进整体熔化和熔池增碳的关键作用，本文基于非稳态扩散传质理论建立铁碳扩散模型，采用数值模拟方法研究碳在铁基体表面的扩散行为及渗碳部位熔点的变化规律，并探究渗碳时间、温度、碳粒度以及铁基表面锈层等因素对渗碳效果的影响。结果显示：在较低温度区间(500～900℃)内，界面渗碳反应较弱，碳原子迁移能力有限；当温度升高至1 200℃时，渗碳深度较1 100℃条件下的结果显著增加67%。碳粒度对渗碳效果影响显著，粒度越小越有利于渗碳，但当粒度细化至100μm以下后，继续减小粒度对渗碳深度的提升作用逐渐趋于平缓。此外，表面锈层能明显促进界面碳迁移，当铁基表面存在锈层时，其渗碳深度较无锈层条件可提高3倍以上。本研究为开发高效的废钢预热增碳及速熔打包块工艺提供了理论依据，通过提升废钢熔炼效率，可直接降低冶炼能耗与碳排放，对推动钢铁行业绿色转型具有重要的指导意义。

关键词

废钢 / 渗碳 / 锈层 / 数值模拟 / 电弧炉 / 转炉 / 界面反应 / 高温扩散