（钢铁冶金专业论文）120吨顶侧复吹aod不锈钢冶炼过程的数学模拟.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 1 2 0 吨顶侧复吹a o d 不锈钢冶炼过程的数学模拟 摘要 本文结合宝钢一钢不锈钢生产的流程，通过对一钢公司1 2 0 t a o d 顶侧复吹不 锈钢冶炼过程的数学模拟，探明了脱碳反应行为、钢液中铬氧化行为及炉气行为， 并且通过调整模型参数来模拟不同冶炼条件下的冶炼进程，确定了冶炼中各冶炼 阶段的界限，研究了不同顶吹氧量、不同阶段的喷吹氧氩比值的确定对a o d 顶侧 复吹脱碳过程的影响，得到如下结论： 1 ) 所建立的模型能预报和优化a o d 顶侧复吹冶炼不锈钢进程，实现了对冶 炼过程钢液中 c 、 c r 、 s i 、 m n 浓度变化与钢液温度变化及炉气成分与温度 变化的仿真。 2 ) 在高碳期( c o 6 ) ，脱碳速度较高，钢液内铬氧化速度较低，此期间脱 碳速度独立于钢液内碳含量，其大小主要决定于供氧强度：在低碳期( c 0 6 ) ，t h ed e c a r b u r i z a t i o nr a t e ，w h i c hi sm a i n l y d e t e r m i n e db yt h eo x y g e ns u p p l y i n gr a t ea n di n d e p e n d e n to nc a r b o nc o n t e n ti ns t e e li s r a p i d ，a n ds i m u l t a n e o u s l yt h er a t eo fc h r o m i u mo x i d a t i o ni ss l o w h o w e v e r , t h e d e c a r b u r i z a t i o nr a t ei sl o wa n dt h er a t eo fc h r o m i u mo x i d a t i o ni sh i g ha tt h el o w - c a r b o n s t a g e ( c o 6 ) ，w h e r et h ed e c a r b u r i z a t i o nr a t el o w e r s 、i mt h ec a r b o nc o n t e n t s d e c r e a s ea n di sc o n t r o l l e db yt h er a t eo f c a r b o nt r a n s f e r r i n gi ns t e e l 3 ) i n1 2 0 ta o dp r o c e s s ，t h ed e t e r m i n a t i o nr e f i n i n gs t a g e s ，a sw e l la st h er a d i oo f o x y g e na n da r g o nf l o w r a t eu n d e rd i f f e r e n ts t a g e sh a sab i gi n f l u e n c eo nr e f i n i n gp r o c e s s a n dt h e r e f o r et h er e a s o n a b l ec h o i c e so ft h e s et w oc r i t i c a lp a r a m e t e r sa r e c = 0 6 ，0 5 ， o 3 5a n d0 2 a r = 9 ：l ，4 ：1 ，1 ：1 4 ) i n1 2 0 ta o dp r o c e s s ，t h ei n f l u e n c eo nt h ed e c a r b u r i z a t i o nr a t ea n dt h er a t eo f c h r o m i u mo x i d a t i o no ft h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r ss u c ha st h eo x y g e ns u p p l y i n gr a t e ， t h ea r g o nf l o w r a t ei sd i f f e r e n td u r i n gt h ep e r i o d so fd e c a r b u r i z a t i o n o x y g e ns u p p l yh a s s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h er e f i n i n ge f f e c td u r i n gf o r m e rp e r i o do ft h er e f i n i n gp r o c e s s 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b u t d u r i n g “l a t t e r p e r i o d 4 t h e i n f l u e n c e i s l i t t l e h o w e v e r a r g o n s u p p l y h a s a c t i v e e f f e c t s o nt h er e f i n i n gp r o c e s si nl a t t e rp e r i o d b u t h i g ha r g o ns u p p l ya l s om e a n sh i g hc o s t 5 ) o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，t h eo f f - l i n es i m u l a t i o na n dt h e o n l i n ed y n a m i cc o n t r o lf o rt h er e f i n i n gp r o c e s sa r ec a r r i e do u tb yt h ei n t e r f a c eb e t w e e n m a na n dc o m p u t e r k e yw o r d sa o d ，t o po x y g e ni n j e c t i o n ， s t a i n l e s ss t e e l m a k i n g ， m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，k i n e t i cm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谓 意。 学位论文作者签名：豸佾强 日期：砸、，主7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 不锈钢简介 第一章绪论 通常所说的不锈钢一般系不锈钢和耐酸钢的总称，其中不锈钢是指耐大气、 蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢，而耐酸钢是指耐酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐 蚀的钢。不锈钢与耐酸钢在合金化程度上有较大的差异。不锈钢虽然具有不锈 性，但并不一定耐酸；而耐酸钢一般则均具有不锈性。但上述两类钢有一个共 同特点，即钢中铬含量一般均在1 2 以上才具有不锈和耐蚀性能。 自2 0 世纪初期不锈钢诞生以来，总共开发了大约1 0 0 多个不锈钢钢种，每 个钢种成分、组织与性能都不尽相同，常见的分类方法有： 按钢的组织结构分类，如马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和 双相不锈钢等。 按钢中主要化学成分或钢中一些特殊元素来分类，如铬不锈钢、铬镍不锈 钢、铬镍钼不锈钢以及超低碳不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等。 按钢的性能特点和用途分类，如耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不 锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、高强度不锈钢等。 按钢的功能特点分类，如低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢、超塑 性不锈钢等。 由于不锈钢具有耐蚀、耐热、易洁、美观、高的强度和韧性、易加工、使 用寿命长的优良特性，因此已广泛应用于化工、石油、原子能、航空航天、能 源、交通、轻工、纺织等各个工业部门，成为这些领域建设和发展不可缺少的 重要材料。如建一座大型核电站约需1 0 0 0 多吨不锈钢产品；建设一座年产3 0 万吨合成氨和年产2 万吨尿素的大型化肥厂需耗用各种不锈钢材近千吨。在汽 车、火车、自行车及运输机械领域，由于能实现轻量化和免维护，以及生产和 维修成本的降低，对高强度不锈钢的需求量一直迅猛增加。然而最大的应用领 域还是民用领域，如家庭装饰、厨房设备和冷暖气装置，它们的用量会随经济 的增长而扩大。随着不锈钢应用领域的不断扩大和消费量的日趋增加，全世界 的不锈钢产量近年来一直呈持续增长的趋势，图1 1 列出了1 9 9 0 2 0 0 0 年世界 不锈钢产量【1 ，2 1 。世界不锈钢的生产国主要集中在日本、美国和欧洲一些国家， 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 他们的产量份额占世界总产量的8 5 以上。与国际不锈钢生产国相比，我国不 锈钢生产状况令人堪忧，上世纪9 0 年代我国不锈钢产量一直徘徊在2 5 4 0 万 吨【3 j 之间，2 0 0 0 年我国不锈钢产量达到6 7 万吨【4 j ，创造了历史最高水平。但这 样的生产能力是远远不能满足国内的消费需求。1 9 9 9 和2 0 0 0 年我国不锈钢消 费量已超过了2 0 0 5 年消费不锈钢1 5 0 万吨的预计水平。纵观国际国内的情况， 不锈钢的消费与国民经济的发展水平有着很强的正比关系，随着我国国民经济 的飞速发展和人民生活水平的不断提高，可以预见在今后的一段时间内我国不 锈钢的消费需求量仍会快速增长。因此，当前摆在我国冶金行业的一个重大而 又紧急的任务就是应尽快提高不锈钢的冶炼水平、改造和扩建不锈钢生产线， 短期内大幅度提高我国不锈钢的生产能力，从而基本满足国内的需求。 2 0 0 0 1 6 0 0 v1 2 0 0 删 亿8 0 0 露 蝼 长4 0 0 1 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 年份( 年) 图1 1 世界不锈钢产量 f i g 1 1 t h ew o r l dy i e l do fs t a i n l e s ss t e e l s 1 2 不锈钢冶炼技术的发展及现状 不锈钢的探索阶段或者早期研究阶段是在1 7 9 7 1 8 7 8 年，人们注意到了铬 可以提高钢产品的抗蚀性。但是对不锈钢研究有显著进展的阶段是在18 9 5 1 9 1 0 年，其主要标志是发表了许多很有价值的研究论文【5 j 。如2 0 世纪初法国 的吉耶( lb g u i n e t ) 、波特万( a m p o r t e v i n ) ，英国的吉森( w g i e e n ) 分别 发现了f e - c r 和f e c r - n i 合金的耐蚀性能。德国的蒙纳尔茨( p m o n n a r t z ) 提 出了不锈性和钝化理论的许多观点。据称，不锈钢真正诞生于1 9 1 0 1 9 1 4 年， 经过多年的研究，有好几个国家几乎同时研制成功了不锈钢。早期研制时只是 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用坩埚冶炼法进行少量生产。 1 9 2 6 年，炉顶旋开式电弧炉问世，随后用氧化还原法冶炼不锈钢。由于电 弧炉具有氧化损失少的特性，特别适合于生产高合金钢，因此，不锈钢的熔炼 逐渐转到电弧炉，而不用平炉或感应炉。当时氧化熔炼是以碳素废钢、纯铁以 及在还原期才加入的低碳铬铁为原料，而不使用废不锈钢，因为废不锈钢中所 含有的铬铁在熔炼时会妨碍脱碳。于是，无法利用的废不锈钢逐年增多。 1 9 3 1 年矿石氧化脱碳法进入了实用阶段，美国r u s t l e s s 钢厂采用该法，并 称为r u s t l e s s 法，用廉价的废不锈钢、高碳铬铁、铬矿石作炉料来代替昂贵的 低碳铬铁。在电弧炉中熔炼不锈钢时，将熔池部分内衬改用铬砖砌成，上面铺 一层铬矿石。但是，当不锈钢要求的含碳量愈低，则炉料中废不锈钢的配入量 应愈低，而且废不锈钢的分类管理十分困难，难以准确估计铬含量。 四十年代氧气在炼钢中得到工业规模的应用，吹氧炼不锈钢的方法逐渐普 及，电弧炉内吹氧，就能高速脱碳，并可大量利用废不锈钢。例如，在冶炼含 碳量少于0 1 2 的不锈钢时，废不锈钢配比可达7 5 8 5 。这样，原先堆积 成山的废不锈钢，一下子变成了“宝藏”。但同时带来的问题是常压下为减少铬 的烧损必须提高冶炼温度，结果是极大地降低了炉衬的使用寿命。以上所述的 即是不锈钢冶炼技术发展历程中最初的一步法工艺，其特点是在电弧炉内完成 所有的冶金任务( 熔化、精炼、还原和合金化) 。 为了解决单步工艺的弊端：常压下冶炼不锈钢时，冶炼温度提高，耐火材 料烧损严重。6 0 年代出现了二步法工艺：1 台电炉加1 台v o d 脱气装置或1 台a o d 转炉，单步法生产工艺逐渐走出历史舞台，到1 9 9 1 年用电弧炉单炼的 不锈钢只占不锈钢总产量的0 5 。由于降低c o 分压，利于降碳保铬，人们开 始研究真空下吹氧冶炼不锈钢工艺，德国维滕特殊钢厂于1 9 6 5 年开发了世界上 第一台真空吹氧脱碳炉- - v o d 。a o d 工艺也是在6 0 年代中期发展起来的，自 从第一座a o d 装置在1 9 6 8 年4 月投产以后，由于其具有其它炉型无可比拟的 优点，发展速度很快，成为了精炼不锈钢的主要工艺。目前世界上大多数不锈 钢厂采用电炉- - a o d 二步法冶炼不锈钢，其年产量总计已突破1 0 0 0 万吨【6 j 。 随着吹氧法的发展和废不锈钢的用尽，6 0 年代就开始研究以廉价的高碳铬 铁和铁水作为不锈钢冶炼原料，并提出用脱碳速度快的氧气转炉冶炼不锈钢。 例如，美国琼斯一劳林钢铁公司首先在大型转炉( 容量7 3 t ) 上做过吹炼试验。 但是单独用转炉冶炼不锈钢是不经济的，其原因一是脱磷问题。由于不锈钢的 冶炼特点是高温、低碱度、低氧化性，不利于脱磷，因此在铁水预处理尚未发 1 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 展之前只能采用双渣法冶炼。此外，单独转炉冶炼，其脱碳任务重，冶炼时间 长，不仅难以同连铸匹配，而且铬的收得率也很低。所以转炉用铁水冶炼不锈 钢技术还需不断探索和完善。 进入8 0 年代，不锈钢精炼出现了多种方法，如k o b m s 、m r p l 、c l u 、 r h o b k t b 等。之后开发出了转炉真空装置三步法工艺：e a f 电弧炉- - a o d 炉- - v o d 真空装置，电弧炉仅作为熔化装置，第三步真空装置除v o d 外，亦 可用钢包炉或k a w a s a k i 顶吹装置。此三步法工艺将不锈钢的冶炼引入了新阶 段，它把各工艺的优点综合起来，克服了e a f a o d 的较高的氩气消耗和炉 衬消耗，缩短了e a f v o d 所需要较长处理时间，采用此三步法工艺可以实 现高速脱碳，从而优化炼钢工艺，提高质量，降低成本，获得最佳的冶金效果。 1 3 不锈钢炉外精炼技术的特点 七十年代中期以来，石油危机引起西方世界经济萧条，钢铁工业普遍开工 不足。世界钢铁生产平均年增长率已由六十年代的5 左右下降为1 5 左右【4 j 。 然而不锈钢生产却因为精炼技术的变革仍保持了较高的增长率，年增长率超过 5 。 在此期间，不锈钢精炼技术发展的特点是：通过炉外精炼，创造高铬钢液 中碳优先氧化的条件，通过强烈的搅拌及强制脱氧，加速渣中氧化铬的还原， 而电炉则逐渐变成一个合金及返回料的熔化器。目前，在欧美及日本，不锈钢 生产中用电弧炉冶炼的比重已降到9 ，a o d 法则高达6 4 3 ，v o d 法为1 6 8 ， 其他炉外精炼法为9 7 【4 j 。 采用炉外精炼技术生产不锈钢，其显著的技术、经济效果表现为： ( 1 ) 生产率大大提高。采用风口吹稀释气体( a o d 、c l u ) ，或真空下氧 枪吹氧( v o d ，r h o b ，a s e a s k f 等) ，使电炉从高铬钢液脱碳的重负中解 脱出来。同时，炉外精炼法还原时渣钢反应动力学条件也远较电炉内优越。采 用电炉a o d 或电炉一v o d 生产方式时，电炉生产率可提高5 0 1 0 0 。 ( 2 ) 降碳保铬过程合理化。无论是在真空或稀释气体条件下，由于p c o i 3 ) ，并用氩气进行强烈搅拌，可以 使反应( c r 3 0 4 ) + 2 s i 】= 3 【c r + 2 ( s i 0 2 ) 向右进行的比较完全，从而使铬的回收率 大于9 8 。 还原炉渣后，要进行测温取样操作，如果需要成分微调，则补加适当的合 金料。如果钢水温度还不合适，可以用吹氩( 冷却) 或脱硅( 升温) 来调整， 后一措施并不理想，但在实际中可能别无选择。 还原精炼结束后，进行出钢操作，采用钢渣混出的方法，目的是为了进一 步还原渣中的铬，提高铬的回收率。 2 4 宝钢一钢公司的a o d 顶侧复吹冶炼工艺 a o d 转炉由于适用于各种不同的初炼钢水条件和原材料条件，就生产的管 理和组织而言，其非常富有灵活性。而且，无论走三步法工艺路线还是二步法 工艺路线，a o d 转炉均可用于冶炼不锈钢。上海一钢a o d 顶侧复吹转炉的冶 炼工艺主要分为四类：三步法、二步法、a o d 直接冶炼和冶炼超纯铁素体不锈 1 4 查! ! 垄兰塑主堂堡垒查 簦三主垒旦里兰鉴三堇墨竺壅堡查 钢。具体流程分别为： 三步法工艺流程：e a f 一一a o d 一一v o d 。 二步法工艺流程：e a f 一一a o d 一l 1 1 s ( 在v o d 工位仅进行吹氩、成分 微调) 。 a o d 直接冶炼工艺流程：a o d ( 入炉原料脱磷铁水、铬铁水、固体合金 等直接加入a o d ) 一一v o d ( l t s ) 。 冶炼超纯铁素体不锈钢工艺流程：e a f 一一a o d 一一v 0 d 。 从上述四类冶炼工艺流程来看，a o d 精炼在不锈钢冶炼过程中都是一个必 不可少的环节。 2 4 1 三步法a o d 冶炼工艺1 3 1 先将电弧炉初炼母液在扒渣站经扒渣、测温取样后装入a o d ，接下来把转 炉倾动到垂直位置开始处理工程。 a o d 转炉的处理过程主要包括两个步骤：脱碳和还原。 e a f 废钢 高碳铬铁 高碳锰铁 镍 渣料 还原剂 还原剂成分微调 图2 3 宝钢一钢公司不锈钢三步法冶炼工艺 f i g 2 3 p r o c e s sf l o wd i a g r a mo fr e f i n i n gs t a i n l e s ss t e e la tb a o s h a nn o 1 s t e e lc o m p a n y 脱碳过程：在转炉顶部吹氧的同时，通过底部的风口向转炉吹入氧气和氮 气或者氧气和氩气的混合气体。通常，在吹炼过程中，刚开始的氧气含量比较 高，其后随着过程的进行，应使氧气与惰性气体的比例不断变小。这种方法一 方面可以尽可能的减少铬的氧化，另一方面也可以确保钢水拥有较低的碳含量 1 5 东北大学硕士学位论文 第二章a o d ) 0 炼工艺及研究评述 ( 作为初始条件以适应后步v o d 处理的要求) 。 开始吹炼时，顶枪吹氧量与底枪吹氧量之比应近似为2 ：1 。顶枪最大氧流 速为1 5 0 n m 3 m i n ，风口最大氧流速为1 0 0 n m 3 m i n 。风1 3 吹入惰性气体( 氩气 或者氮气) 最大氧流速为1 0 0 n m 3 m i n ，混合气体最大氧流速为1 5 0 n m 3 m i n 。 表2 3 三步法a o d 一般处理周期表 t a b l e 23 t i m ec o s to f t h ep e r i o d si na o d 3 - p a c er e f i n i n gp r o c e s s 项目时间( 分钟) 装料 3 测温 1 吹氧 4 0 脱碳结束时取样测温 2 等待取样结果 5 还原 8 取样测温去渣 2 出钢 3 其它 l 总计 6 5 界限碳含量为o 6 。旦实际碳含量小于该数值，则在减少氧气吹入量的 同时增加惰性气体的吹入量。氮气可以代替氩气做稀释氧气之用。要根据不同 钢种对氮含量的不同要求，来确定将氮气转换成氩气的时机。如果碳含量已符 合目标要求，停止吹氧。般进入v o d 处理的钢水碳含量控制在0 2 5 。 脱碳结束后开始还原过程。其目的是将吹炼过程中被氧化到渣中的铬和锰 还原到钢液中。还原过程中，通过料仓系统将还原渣料( 石灰、c a f 2 、a 1 和 f e s i ) 加入a o d 转炉。通过计算石灰使用量，使形成的炉渣碱度达到1 5 - 1 8 。 还原渣料加入炉子后，通入流速7 0 n m 3 m i n 左右的惰性气体对炉子进行约8 分 钟的强烈搅拌。 在还原期，铬和锰将从渣中被还原出来，同时钢水温度也会降到1 6 8 0 。c 左 右。还原期过后，倒掉部分炉渣并进行取样和测温。a o d 处理过程之后，转炉 中的钢水将与部分炉渣混出到钢包。出钢过程之后，如果后道工序要求进行 v o d 处理，则将钢包吊运至扒渣站将钢包中的渣子全部扒除。 若已积累了一定的实际经验，则可以不必进行脱碳过程之后的测温和取样 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章a o d 冶炼工艺及研究评述 工作。这时，由于节省了取样、测温以及相应的等待测温结果的时间，出钢周 期将会缩短。因此，在采用三步法工艺的情况下，a o d 出钢周期最多为6 0 分 钟。 表2 4 三步法工艺a o d 一般配料量 t a b l e 2 4d i s t r i b u t i o no f a o d3 - p a c er e f i n i n gp r o c e s s 钢种原辅材料a o d 配料量t 初炼钢水 1 1 6 f e c r h c6 01 3 6 n i f e n i 4 3 0 f e m n h c0 4 废钢 5 4 石灰 7 5 t 对于每吨铁水而言应向炉子中装入15 - 2 0 k g 的硅铁做还原剂用。 2 4 2 两步法a o d 冶炼工艺【1 3 先将电弧炉初炼母液在扒渣站经扒渣、测温取样后装入a o d ，接下来把转 炉倾动到垂直位置开始处理过程。 转炉工艺过程分为三个主要步骤：脱碳、还原和脱硫。 脱碳过程：在顶部吹氧的同时，通过底侧部风口向转炉吹入氧气和惰性气 体( 氩气或者氮气) 的混合气体。在吹炼过程中，通常氧气与惰性气体之间的 比例是变化的。刚开始，混合气体中氧气的含量较高，其后进行变化，到吹炼 结束则是氩气含量比较高。这个方法在尽可能减少铬氧化的同时，也能够确保 钢水中碳含量处于一个比较低的水平。 开始吹炼时，顶枪吹氧量与底枪吹氧量之比应近似为2 ：1 。顶枪最大氧流 速为1 5 0 n m 3 m i n ，风口最大氧流速为1 0 0 n m 3 m i n 。风口吹入的惰性气体( 氩 气或者氮气) 最大流速为1 0 0n m 3 m i n ，混合气体最大流速为1 5 0n m 3 m i n 。 界限碳含量为o 6 ，若实际碳含量小于该数值，应在减少氧气吹入量的同 时增加惰性气体的吹入量。氮气可以代替氩气做稀释氧气之用。要根据不同钢 种对氮含量的不同要求来确定将氮气转换成氩气的时机。当钢水碳含量达到某 一数值时，要停止氧枪吹氧以避免铬过多氧化。随着冶炼的进行，应逐渐降低 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章a o d 冶炼工艺及研究评述 氧气与氩气的比例。在氧气吹炼的第三个阶段结束后，要在转炉中取样。当终 点碳含量符合要求时停止吹氧。 如果钢中碳含量符合目标要求则可以开始还原过程。其目的在于还原吹炼 过程中被氧化掉的铬和锰。脱碳过程结束之后，通过料仓系统将还原渣料( 石 灰、c a f 2 、a 1 、和f e s i ) 加入a o d 转炉。通过石灰用量的计算，使炉渣碱度 达到1 2 1 5 。还原渣料加入炉子之后，通入流速约8 0 n m 3 m i n 左右的惰性气体 对转炉进行约4 分钟的强烈搅拌。在还原期铬和锰将被从渣中还原出来；同时 钢水温度也会相对降低。 表2 5 二步法a o d 一般处理周期表 t a b l e25t i m ec o s to f t h ep e r i o d si na o d2 - p a c er e f i n i n gp r o c e s s 项目时间( 分钟) 装料 3 测温 1 氧气吹炼阶段1 和2 3 5 氧气吹炼阶段3 1 0 取样和测温 2 氧气吹炼阶段4 8 氧气吹炼阶段5 6 还原 4 取样测温去渣 3 脱硫 4 终点调整 3 出钢 3 总计 8 2 若冶炼的是超低硫钢种，在此之后应进行一个独立的脱硫过程。还原期过 后，倒掉转炉中的渣子，向转炉中加入石灰、萤石和硅铁或者铝。同时通过吹 氩对转炉进行约4 分钟的强烈搅拌。一个独立的脱硫过程可以确保钢水的终点 碳含量低于o 0 3 。这种处理方法称为双渣法a o d 操作。 a o d 转炉处理过后钢水和渣子混出钢包。在经过后道工序一一钢包处理站 ( v o d 工位) ，校正成份并进行温度调整后，钢水进入连铸区域。 二步法工艺的一般a o d 处理周期如表2 5 所示。若钢种要求终点硫含量在 5 0 1 0 0 p p m 这个较高的范围之内，则在a o d 处理过程中可以取消单独的脱硫 18 东北大学硕士学位论文 第二章a o d 冶炼工艺及研究评述 过程。因为在这种情况下，还原渣中铬的同时就可以使钢水达到要求的硫含量。 所以这种处理方法称之为单渣法工艺。单渣法a o d 工艺出钢一出钢时间一 般为7 5 分钟。 表2 6 二步法工艺a o d 一般配料量 t a b l e 2 6d i s t r i b u t i o no f a o d2 - p a c er e f i n i n gp r o c e s s 钢种原辅材料a o d 配料量t 初炼钢水 1 15 f e c r h c6 01 3 2 n i f e n i 4 3 0 f e m n h co 4 废钢 2 o 石灰 1 0 + 对于每吨铁水而言应向炉子中装入1 5 - 2 0 k g 的硅铁做还原剂用。 2 5a o d 脱碳过程的数学模型 关于高铬钢液的脱碳过程的数学模型的研究虽然取得了一些成果，但多半 是经验或半经验模型，要应用到实际生产中还有定的局限性。此外，冶炼设 备的不同带来的供氧方式的差别必然影响到脱碳速度。因此，脱碳过程数学模 型的建立与不锈钢的冶炼设备有关。 a o d 精炼过程的数学模拟的工作也做了不少，提出了不少模型，试图通过 数学模拟来实现过程的优化和控制。所有这些模型或通过热力学和动力学以及 质量衡算或者基于质量和热量平衡计算。这些研究都为了解冶炼过程本质和改 善实际操作提供了很多有用的信息。 从6 0 年代起开始开发， 由于当时的技术和计算机水平。模型相当粗浅， 根本无法应用于实际生产中，随着科学的进步，相对完善的模型逐渐被提出： 1 f r u e h a r t 模型f 1 6 l 该模型在侧吹模型的建立，侧吹反应表面积的估计及碳在钢液中传质系数 的确定中有所建树。在模型中作者假想：反应最初产物为c r 2 0 3 。它作为氧的 传递者使熔池中碳在气泡表面氧化：碳的氧化为液体金属中碳向气泡表面的扩 散控制；熔池中铁的氧化量为铬氧化量的十分之；硅优先氧化而不考虑锰的 氧化。同时，在吹炼第一期，采用过程的平均温度来计算脱碳曲线，完全忽略 1 9 蔓圭查兰! ! 主堂堡笙墨 簦三主垒竺里堡鉴三堇墨堑窒堡兰 了碳和铬的相对氧化速度与温度强烈的依赖关系。 图2 4a o d 的f r u e h a n 脱碳模型 f i g 2 4 t h ef r u e h a n sd e c a r b u r i z a t i o nm o d e li nt h ea o d 2 d e br o y 模型【1 7 1 该模型计算不同熔池深度下元素的传质以及气泡中气相的阻力效应，得到 气泡组分随熔池深度的变化，从而计算a o d 过程中元素的氧化。但是，在同 一工作的第二部分，作者又假定，在风眼区附近，熔池中c r , m n ，s i 的氧化速 率实际取决于吹入的氧的分配，而且认为氧的分配与各元素的摩尔浓度成正比。 这两种处理似乎前后不一致。 3 a s i a 和s z e k e l y 模型【1 8 】 该模型对高碳和低碳下脱碳速率的确定的理论精辟。它基于一组化学平衡 及热平衡方程。由熔池中c ，c r ，s i ，m n ，0 等元素实际含量之差，得出一组速度 方程。模型中假定c ，c r , 0 在金属液中的传质速度系数相等，目前还没有足够 的实验依据。p i n o t e a u 等应用此模型进行离线研究，详情不知。 4 魏季和模型【” 魏季和模型是至今为止相对全面，且较新的模型。他认为吹入的氧气使钢 中c ，c r ，s i ，m n ，和f e 同时氧化，生成f e o 亦是氧化剂；各氧化还原反应在钢 液熔渣气泡界面上同时进行，并在竞争中达到平衡；高碳和低碳条件下脱碳 速率分别基本与供氧速率有关和主要决定于钢中碳的传质；未反应的氧气不积 聚于钢液而逸出熔池进入炉气；整个精炼过程中熔池成分和温度连续变化，在任 何瞬刻呈均匀分布。 在这些a o d 脱碳过程的数学模型中，比较典型的是f r u e h a n 模型2 3 1 和魏 2 0 东北大学硕士学位论文 第二章a o d 冶炼工艺及研究评述 季和模型挎1 。f r u e h a n 认为脱碳时吹入的氧气在风口附近首先将铬氧化成 c r 2 0 3 ，在c r y 0 3 随气泡上浮的过程中使碳氧化，同时铬得到还原。其示意图如 图2 7 【2 7 1 所式。此外，他还认为在高碳区的脱碳速率由供氧量控制，在低碳区 的脱碳速率由碳向气泡表面的扩散控制。即： 高碳区d c l d t 一2 1 0 一m 。n o ， ( 2 1 ) 低碳区d v o c j a t = 口( c 一 c 。) ( 2 2 ) 式中， c 】：熔池中的碳浓度，； n ：供氧速率，n m 3 m i n ； m c ：碳的原子量； 既：钢水的质量，k g ； c k 气泡界面上平衡时的碳浓度，； 口：表观脱碳反应速度常数，其值由下式给出： 口= f k c p ( 2 3 ) 式中，f ：反应界面积，m 2 ； k c ：脱碳反应速率常数，m s ； p ：钢液密度，k g n 1 3 。 当【c 0 15 时， c 。 o 叭，积分式( 2 2 ) ， c l 。可不考虑。把式( 2 2 ) 对时间积分，于是有： l g 【c c o = 一仅f ( 2 4 ) 式中 c l o 为熔池内初始碳浓度。f r u e h a n 将此关系式应用到9 0 t a o d 炉上， 取得了十分满意的结果。尽管如此，f r u e h a n 模型也有某些局限性，他忽略了 c 。的影响及p c o 随熔池高度而变化。 魏季和模型1 9 1 较合理地综合考虑了元素间的竞争性氧化( 认为吹入熔池的 氧气在各元素间的分配率与各元素在反应界面发生的氧化反应的吉布斯自由能 成正比，据此计算了氧在各元素间的分配率) ；熔池不等温特性；高碳和低碳时 不同的脱碳控速环节；f e o 的生成；钢液初始成分和温度，添加渣料、废钢和 合金料，钢液和渣量的变化等操作因素的影响，可为不锈钢a o d 精炼过程的 优化和实时控制提供有用的信息和可靠的基础。 应用魏季和模型【1 9 1 于1 8 t a o d 炉上1 c r l 8 n i 9 不锈钢的冶炼过程，得到了 2 1 东北大学硕士学位论文 第二章a o d 冶炼工艺及研究评述 很好的结果。利用该模型可以精确估计不锈钢精炼过程中熔池成分和温度随时 间的变化。对氧气在各元素间的分配率的确定和在高碳含量下，c 和c r 的竞争 氧化中平均脱碳率的计算较为正确。但是对于在低碳含量下，c 和c r 的竞争氧 化中平均脱铬率的计算存在问题，同时在体系热量平衡方程的建立中缺少对惰 性气体携热项的考虑。 不论是f r u e h a n 模型还是魏季和模型都只考虑了侧吹氧氮氩，而在 a o d 冶炼工艺由原来单纯的侧吹逐渐发展为顶吹氧侧吹氧、氮、氩工艺后却 没有相应的一套数学模型与之对应，鉴于这种情况本文的a o d 模型综合了各种 a o d 数学模型，主要建立在魏季和a o d 数学模型和f r u e h a n 模型例基础 上，且结合了转炉顶吹氧的数学模型，并将其应用于宝钢一钢1 2 0 吨a o d 顶 侧复吹转炉冶炼中，因而具有一定的实际意义。 2 2 东北大学硕士学位论文第三章a o d 顶侧复吹冶炼过程数学模型的建立与解析 第三章a o d 顶侧复吹冶炼过程数学模型的 建立与解析 3 1 过程数学模型 本模型是根据过程热力学和动力学的知识，利用质量平衡和热量平衡的计算， 并对a o d 顶侧复吹转炉熔池中各种问题，如：过程速率方程，在高、低碳含量下， 各种物质的反应速率，体系的质量衡算和热量衡算，氧在各元素间的分配率，活 度系数，各反应的平衡常数的选择，碳在钢液内的传质系数的确定和反应表面积 的估算等问题的仔细研究的基础上开发出来的。 o x y g e al l 啊t 霉 飘a 鐾i a y e i - 黼z o n e 氨置- g z d 瓤e m e i t b 翻敝 0 2 图3 1 吹氧时气一液和渣一金反应区域及乳化示意图 f i g 3 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f v a r i o u sr e a c t i o nz o n e si nc o m b i n e d b l o w nc o n v e r t e r 3 1 1 基本假设 本模型的建立是基于以下假设的基础上： i 吹入的氧气使钢中c ，c r , s i ，m n ，和f e 同时氧化，生成f e o 亦是氧化剂。 i i 各氧化还原反应在钢液脯渣气泡界面上及冲击坑界面上同时进行，并在竞争 2 3 - 东北大学硕士学位论文 第三章a o d 顶侧复吹冶炼过程数学模型的建立与解析 中达到平衡【29 1 。 i i i 在高碳含量下各元素的氧化速率主要与供氧量有关，在低碳含量下受碳在钢液 内传质控制。 吹入熔池未被吸收的氧气将溢出熔池，不溶于钢液。 v 整个精炼过程中熔池的成分和温度一直变化并呈均匀分布。 本模型假设化学反应在以下四个区域发生： ( 1 ) m gz o n e ，即顶吹氧气射流所产生的冲击坑气一液界面； ( 2 ) m gz o n e ，即侧吹氩氧混合气体气泡上升时气一液界面； ( 3 ) m sz o n e ，即转炉内的渣- 金界面； ( 4 ) m - e z o n e ，即乳化液滴内。 3 1 2 化学反应方程 a o d 精炼过程中，钢液成分c 、c r 、s i 、m n 、f e 的氧化反应为： 【c + 妻o 。= c o ( 3 1 ) 上 2 c r 】+ 昙o ：= ( c q o ，) ( 3 2 ) 【s i 】+ 0 2 = ( s i o ：) ( 3 3 ) 【m n 】+ 去o ：= ( m n o ) ( 3 4 ) 【f e 】+ 妻o ：= ( f e o ) ( 3 5 ) 将公式( 3 1 ) 一( 3 4 ) 与公式( 3 , 5 ) 合并，得出本模型所应用的独立的过程 反应方程： 【c 】+ ( f e o ) = c o + f e 】 g c2 g + r t i n 面) c 面o 2 【c r 】+ 3 ( f e o ) = ( c r 2 0 ，)