（钢铁冶金专业论文）140吨lf精炼炉内夹杂物行为的物理模拟研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y f j i i i f j j i f j 川删i f f ! y 17 171 p h y s i c a lm o d e l i n g o ft h eb e h a v i o ro fn o n 一m e t a l l i ci n c l u s i o n s i n14 0 t o n sl a d l ef u r n a c e b y w a n g f a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h u m i a o y o ng n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 i l l i 一 j _ 独创性声明 学位做储躲冲 日 期：矽乡，7 2 j 学位论文版权使用授权书 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期：矽少6 - 3 o i - 东北大学硕士学位论文 14 0 吨l f 精炼炉内 钢的纯净度对其产品性能、强度 夹杂物控制是洁净钢生产的重要内容 相关。l f 作为炉外精炼的重要手段，具有白渣精炼、埋弧加热和氩气搅拌等多种精炼 功能，其中钢包吹氩搅拌在整个l f 精炼过程中起着举足轻重的作用。为此，本文以国 内某钢厂1 4 0 tl f 为原型，在分析总结前人工作的基础上，利用相似原理建立了比例为 1 ：7 的物理模型，对l f 精炼炉内夹杂物的去除行为进行了定量和深入的研究，旨在揭 示夹杂物去除机理，探索影响夹杂物去除的主要因素。主要研究内容和结果如下： ( 1 ) 首先确立模拟夹杂物选择的理论标准，以保证模型与原型夹杂物的运动相似。 在此基础上选择一种可以模拟夹杂物碰撞聚合这一重要物理行为的模拟介质，从而更真 实地再现夹杂物在钢液中的行为。 ( 2 ) 研究了底吹气钢包夹杂物的去除机理。双透气砖喷吹条件下，夹杂物的去除 主要分两方面：在较小吹气量范围内( 1 5 0 3 0 0 n l m i n ) ，夹杂物主要通过透气砖吹气产 生的大量弥散的小气泡捕获夹杂物后一起上浮去除；在较大吹气量范围内( 3 5 0 5 5 0 n l m i n ) ，主要通过吹气形成的钢液循环流动输送夹杂物到钢包的近表面层并通过 上浮去除。 ( 3 ) 重点研究了钢包底吹氩条件下吹氩量、吹氩时间、透气砖布置方式、吹氩模 式等对夹杂物去除行为的影响。结果表明：采用双透气砖吹氩，不同吹气量条件下在不 同的时间段内夹杂物的去除率不同。夹杂物的去除行为主要发生在吹气后的前8 分钟 内，且0 - 4 m i n 时间段内夹杂物去除最快，吹氩2 8 m i n 后夹杂物已几乎全部去除。吹气 量在较大、较小气量范围内均有一个最佳去夹杂气量，分别为4 5 0 n l m i n 和2 5 0 n l m i n ， 且4 5 0 n l m i n 的吹气量去夹杂效果较优；在相同吹气量条件下，单透气砖喷吹对夹杂 物的去除效果不如双透气砖；复合吹气模式下，前1 6 m i n 用4 5 0 n l m i n 的吹气量后1 2 分钟内用2 5 0 n l m i n 的复合喷吹模式有较好的去夹杂效果。 关键词：l f 精炼；底吹氩；夹杂物行为；流体流动特征；物理模拟 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p h y s i c a lm o d e l i n g o ft h eb e h a v i o ro fn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s i n14 0t o n sl a d l ef u m a c e a bs t r a c t t h es t e e lc l e a n l i n e s sh a sad i r e c t e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c e ，s t r e n g t h ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c ep r o p e r t ya n db r i t t l ef a i l u r er e s i s t a n c eo fs t e e l s of a r , t h ec o n t r o lo fn o n - m e t a l l i c i n c l u s i o n sh a sb e e no n eo fi m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sf o rt h ep r o d u c t i o no fc l e a n l i n e s ss t e e l r e l a t e dt ot h o s ep r o c e s s e so fs t e e l m a k i n g , s e c o n d a r yr e f i n i n ga n dc o n t i n u o u sc a s t i n ga n ds o o n a so n eo ft h ei m p o r t a n ts e c o n d a r yr e f i n i n gp r o c e s s e s ，l fh a st h em a i nf u n c t i o n so f r e f i n i n gi nw h i t es l a g , s u b m e r g e da r ch e a t i n g , s t i r r i n gw i t ha r g o nb l o w i n ga n ds oo n a n d a m o n gt h ef u n c t i o n s ，a r g o nb l o w i n gp l a y sas i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tr o l e i n l fr e f i n i n g p r o c e s s i nt h ep a p e r , u s i n g1 4 0 tl fi nad o m e s t i cs t e e lp l a n ta st h ep r o t o t y p e ，o n e1 7s c a l e w a t e rm o d e lw a sb u i l ta n dt h eb e h a v i o ro fn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n sw a si n v e s t i g a t e d q u a n t i t a t i v e l yw i t ht h ea i mt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo ft h ei n c l u s i o nr e m o v a la n dt h e m a i ne f f e c t so nt h ee f f i c i e n c yo fi n c l n s i o nr e m o v a l t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t l y , ac r i t e r i o nt os e l e c tt h es i m u l a t e di n c l u s i o n si nw a t e r m o d e lw a se s t a b l i s h e dt o e n s u r et h es i m i l a r i t yi ni n c l u s i o n st r a j e c t o r i e sb o t hi nt h em o d e la n dp r o t o t y p e b a s e do nt h e r e l a t i o n s h i p ，o n em e d i u mw a sf o u n dt os i m u l a t et h eb e h a v i o ro f i n c l u s i o ns u c ha sc o l l i s i o n a n dg r o w t hi nw a t e rm o d e l ，t h u st h eb e h a v i o ro fs i m u l a t e dm e d i u mi nt h em o d e li sr a t h e r c l o s e rt ot h a to fp r o t o t y p e ( 2 ) t h em e c h a n i s mo ft h ei n c l u s i o nr e m o v a lb yb o t t o ma r g o nb l o w i n gi nt h el a d l eh a s b e e ns t u d i e d a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n c l u s i o n sw e r er e m o v e dm a i n l yi nt w ow a y s ， a d h e s i o nb yt h es m a l lb u b b l e sw a st h ep r i m a r yf a c t o ra t s m a l l e rf l o w r a t e s ( 15 0 - 30 0 n l m i n ) a n dt r a n s p o r t a t i o nb yt h ec i r c u l a t i o nf l o wf r o mm o l t e ns t e e la tl a r g e r f l o w r a t e s ( 4 5 0 - 5 5 0 n l m i n ) ( 3 ) t h ee f f e c t so fg a sf l o w r a t e ，b l o w i n gt i m e ，p o s i t i o no fb u b b l i n g , a n db l o w i n gs y s t e m o nr e m o v a lo fi n c l u s i o ni nl fw e r ei n v e s t i g a t e dp r i m a r i l yi nt h i sw o r k t h er e s u l t ss h o w e d m a t ：i n c l u s i o nr e m o v a lr a t e sf o rd i f f e r e n tt i m ei n t e r v a l so fv a r i e dg a sf l o w r a t e sw e r e d i f f e r e n tw i t ht w ot u y e r e sb u b b l i n g m o s to ft h ei n c l u s i o n sc o u l db er e m o v e di ne i g h t m i n u t e sw i t he v e r yf l o w r a t e si nt h ee x p e r i m e n t ，a n dn e a r l ya l lt h ei n c l u s i o n sw h i c hh a d i i i t h ep o s s i b i l i t yt ob er e m o v e da l m o s t d i s a p p e a r e df r o mt h es y s t e mi nt w e n t y - e i g h t m i n u t e s ，t h er e m o v a lr a t i oi nt h ef i r s tf o u rm i n u t e sw a st h eq u i c k e s t w i t hg a sb l o w i n g t h o u g hp o r o u sp l u gw i t h i ns m a l l e ro rl a r g e rg a sf l o w r a t e s ，t h e r ew a sag a sf l o w r a t et ob e t h eb e s tf o ri n c l u s i o n s r e m o v a l ( 2 5 0 n l m i na n d4 5 0 n l m i n ) ，t h es e c o n df l o w r a t e s e e m e dt ob em o r ee f f i c i e n tf o ri n c l u s i o n sr e m o v a l ；u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m eg a s f l o w r a t e ，i th a sab e t t e ri n c l u s i o nr e m o v a lr a t ew i t ht w ot u y e r e sb u b b l i n gt h a nt h a tw i t ho n e t u y e r e s ；u n d e rm u l t i p l eg a sb l o w i n gs y s t e m ，t h ef o r m e rs i x t e e nm i n u t e so f4 5 0 n l m i ng a s f l o w r a t ea n dt h el a t t e rt w e l v em i n u t e so f2 5 0 n l m i ng a sf l o w r a t ew a sab e t t e ra r g o n b l o w i n g p a t t e mf o ri n c l u s i o nr e m o v a l k e y w o r d s ：l fr e f i n i n g ；b o t t o ma r g o nb l o w i n g ；i n c l u s i o nb e h a v i o r ；f l u i df l o w ；p h y s i c a l m o d e l i n g 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t ：i i i 第一章绪论一1 1 1 炉外精炼技术l 1 2l f 精炼工艺3 1 3 纯净钢及其发展4 1 4 非金属夹杂物对钢性能的影响6 1 4 1 夹杂物按来源分类7 1 4 2 夹杂物按尺寸分类1 l 1 5 研究的内容、目的和意义1 1 第二章前人工作分析1 3 2 1l f 钢包底吹氩工艺概述1 3 2 2l f 钢包底吹氩技术的研究进展1 3 2 2 1l f 钢包底吹氩循环流场的基本结构1 3 2 2 2 底吹气体对熔池的搅拌功分析1 5 2 3l f 钢包底吹氩过程的模拟研究1 6 2 4l f 钢包内吹氩去夹杂物的研究现状1 8 2 4 1 夹杂物产生、长大及去除行为的研究1 8 2 4 2 吹氩钢包内去除夹杂物的研究现状2 2 2 4 3 夹杂物去除的分析2 3 第三章模型建立及模拟夹杂物的选择理论2 5 3 1 模型的建立2 5 3 2 底吹气量的选择2 7 3 3 模拟夹杂物的选择2 7 v 东北大学硕士学位论文目录 3 3 1 模拟夹杂物选择的理论准则2 7 3 3 2 模拟央杂物的选择2 8 3 3 3 模拟介质尺寸的控制2 8 第四章实验方案及结果分析3 l 4 1 实验方案。3 1 4 2 实验方法3 2 4 3 钢包底吹气后流体流动的特征一3 4 4 3 1 双孔吹气条件下钢包内的流动情况3 4 4 3 2 单孔吹气条件下钢包内的流动情况3 9 4 4 实验结果4 1 4 5 实验结果分析：。4 5 4 5 1 双孔吹气下夹杂物的去除行为4 5 4 5 2 透气砖布置对夹杂物去除行为的影响5 0 4 5 3 复合气量喷吹对夹杂物去除行为的影响5 2 第五章结论5 5 参考文献。5 7 致谢6 3 攻读学位期间发表论文6 5 论文包含图、表、公式及文献6 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 炉外精炼技术 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着现代科学技术的发展，社会各个部门对钢的品种和质量提出了越来越高的要 求，传统的冶炼方法已经不能满足社会发展的要求，这就促使了钢铁冶炼工序的变革。 顶底复吹转炉炼钢法和连续铸钢法是2 0 世纪炼钢技术中的两大革新，由于这些工艺的采 用，炼钢生产率飞速提高。炉外精炼的出现，顺畅地连接了转炉和连铸过程，同时提高 了两个过程的生产效率，提高了钢的质量。所谓钢水的炉外精炼，就是将转炉或电炉初 炼过的钢液转移到另一容器中( 如钢包) 进行精炼。初炼时，将炉料在氧化性气氛条件 下在炉内进行熔化、脱磷、脱碳。精炼则是将初炼过的钢液在真空、惰性气体或还原性 气氛的容器内进行脱气、脱氧、脱硫、深脱碳、去除夹杂及微调成分等处理。 作为二十世纪钢铁冶金技术的重大突破之一，炉外精炼技术近4 0 年来得到迅速发 展，原因可归结如下【1 】： ( 1 ) 炼钢生产率的提高和成本的下降，把钢液温度和成分调整的功能转移到钢包 中去，使得包括转炉和电炉在内的初炼炉作为熔化和脱碳单元而得到更高的生产率，合 金收得率也得到提高，而且炉外精炼一般都具备加热升温功能，所以，转炉和电炉的出 钢温度可以适当降低，耐火材料以及其它消耗相应明显下降。 ( 2 ) 另一个重要的方面，钢水炉外精炼技术的采用对连铸的顺行有着特别的意义。 众所周知，由模铸到连铸是钢铁工业的一项关键性改革，其影响和意义是深远的。但这 项变革对钢水的连续可浇注性提出了严格的要求。经过钢水的精炼处理，可以降低钢液 中氧和硫的含量，使钢包中钢水的化学成分均匀、温度均匀、夹杂充分排除，为连铸提 供优质的钢水。另一方面，连铸的顺行还要求连铸与冶炼前后工序密切衔接。如果转炉 后吹或其它原因，不可避免要造成铸机等待钢水的结果；反之，如果铸机不能长时间地 多炉连浇，又会导致转炉等待出钢的矛盾现象。钢水炉外精炼技术的出现充当了转炉与 连铸机之间的一个柔性环节，很好地解决了这个问题。 ( 3 ) 现代技术的发展，使得用户对于钢材的质量以及使用性能的要求越来越高， 要求钢的化学成分控制在较窄的范围内。在钢水炉外精炼技术应用之前，高度洁净的钢 一般要用各种特殊手段来生产。炉外精炼技术的开发使大规模生产低成本的高洁净钢成 - 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 为可能。 炉外精炼有多种手段，归纳起来主要有以下几种方法【2 】： ( 1 ) 搅拌。对反应器中的钢液进行搅拌，是炉外精炼最基本、最重要的手段。它 采取某种措施给钢液提供动能，促进钢液在精炼反应器中作对流运动。钢液搅拌可改善 冶金反应动力学条件，强化反应体系的传质和传热，加速冶金反应，均匀钢液成分和温 度，有利于夹杂物聚合长大和上浮排出。常用的搅拌方法有气体搅拌、电磁搅拌、循环 搅拌等。 ( 2 ) 真空或减压操作。当冶金反应生成物为气体时，通过减少反应体系的压力即 抽真空可以使反应的平衡向着生成气态物质的方向移动。因此，在真空下，钢液将进一 步脱气、脱碳和脱氧。采用专门的真空装置，将钢液置于真空环境中精炼，可以降低钢 中气体、碳及氧含量。常用的真空装置主要有v d 、r h 等。 ( 3 ) 添加精炼剂。炉外精炼中钢液的精炼剂一类为以钙的化合物( c a o 或c a c 2 ) 为基的粉剂或合成渣，另一类为合金元素如c a 、m g 、a 1 、s i 及稀土元素等。将这些精 炼剂加入钢液中，可起到脱硫、脱氧、去除夹杂物、夹杂物变性处理以及合金成分调整 的作用。精炼剂的添加方法主要有合成渣洗法、喷吹法和喂线法。 ( 4 ) 加热。钢液在进行炉外精炼时，由于有热量损失，造成温度下降。若炉外精 炼具有加热升温的功能，可避免高温出钢和保证钢液正常浇注，增加炉外精炼工艺的灵 活性。在精炼剂用量，钢液最终处理温度和处理时间均可自由选择，以获得最佳的精炼 效果。常用的加热方法有电加热和化学加热。 炉外精炼的方法可分为两类： ( 1 ) 钢包处理型炉外精炼法，有钢包喷粉法、喂丝法( w f ) 、合金弹投射法( a b s ) 、 d h 法、r h 法等； ( 2 ) 钢包精炼型炉外精炼法，有l f 法、v o d 法、a o d 法等。 炉外精炼设备的配置及精炼方案决定了其功能和冶金效果。较成熟的精炼设备有 r h 、v o d 、a o d 、l f 、c a s o b 等。生产不同钢材的技术要求不同，采用的精炼工艺 也不尽相同。炉外精炼降低了生产成本，提高了产品的竞争力，也解放了初炼炉的生产 力束缚，这一点在电炉上表现得最为显著。另外，炉外精炼的应用使转炉能够冶炼一些 新的钢种，使初炼炉原材料的使用范围更广，这样在降低产品成本方面的作用就更明显。 当前炉外精炼技术主要表现出如下的发展趋势： ( 1 ) 钢水全部炉外精炼。在实际生产中，炉外精炼设备百分之百的在线运行。早 。2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在十多年前日本转炉钢的炉外精炼比就已达至l j 7 0 8 ；特殊钢生产的二次精炼比高达 9 4 ；新建电炉短流程钢厂全部采用炉外精炼。 ( 2 ) 炉外精炼多功能化。钢水精炼任务在不同精炼装置中分别完成，以便最经济、 最有效的发挥不同精炼工艺的功能。 ( 3 ) 炉外精炼专一化。根据产品质量、工艺和市场要求，对不同类型的工厂、不 同规模、不同的产品配备不同的精炼技术。 总之，炉外精炼技术既能改善钢材的化学和物理性能，又可在炼钢炉和连铸间起到 缓冲和调节作用，现在炉外精炼已成为炼钢工艺路线中非常重要的一环。 1 2l f 精炼工艺 l f 法作为不设真空设备可以电弧加热的钢包精炼法，于1 9 7 1 年在日本特殊钢公司( 现 大同特殊钢) 大森工厂投入使用。由于l f 钢包炉设备简单，投资费用低，操作灵活和精 炼效果好，在各国得到了广泛的利用和发展。l f 炉示意图见图1 1 。 1 电极；2 合金料斗；3 透气砖；4 滑动水口 图1 1l f 精炼装置示意图 f i g 1 1t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fl fe q u i p m e n t 氛 l f 精炼主要是靠包内的白渣，在低氧的气氛中( 氧含量5 左右) ，由包底吹氩进 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 行搅拌并由石墨电极对经过初炼炉的钢水加热而精炼。由于氩气搅拌加速了渣钢之间 的化学反应，用电弧加热进行温度补偿，可以保证较长的精炼时间。 l f 炉精炼手段与主要的冶金功能【3 】： ( 1 ) 创造炉内强的还原气氛。l f 炉靠钢包上的水冷法兰盘、水冷炉盖及密封橡皮 圈的作用可以起到隔离空气的密封作用。再加上还原性渣以及加热时石墨电极与渣中 f e o 、m n o 等氧化物等氧化作用生成c o 气体，增强了炉内的还原性气氛。钢液在还原条 件下精炼可以进一步脱氧、脱硫及去非金属夹杂。 ( 2 ) 氩气搅拌。氩气搅拌可以加速钢一渣间的物质传递。它不仅有利于钢液脱氧、 脱硫反应，还可以去除非金属夹杂物( 特别对砧2 0 3 类型的夹杂物) ，加速钢液中的温 度与成分均匀。 ( 3 ) 埋弧加热。l f 炉加热时电极插入渣层中采用埋弧加热法，这种方法辐射热小， 对炉衬有保护作用。与此同时，加热的热效率也比较高，热利用率好。浸入渣中的石墨 电极与渣中氧化物反应，其结果不仅使渣中不稳定的氧化物减少，提高了炉渣中的还原 性，而且还可以提高合金元素的收得率。 ( 4 ) 白渣精炼。l f 炉白渣以c a o c a f 2 为主要成分，一般渣量为钢液质量的2 - 4 ， 渣对钢液中氧化物吸收和溶解达到脱氧效果。l f 炉由于有温度补偿，吹氩强烈搅拌，随 渣中碱度提高，硫分配比增大，可炼出 s 】仅0 0 0 0 4 0 0 0 0 5 的低硫钢。 1 3 纯净钢及其发展 随着工业的发展和技术的进步，对钢材的性能提出了更高的要求。为了适应高强度、 长寿命、耐腐蚀以及在恶劣环境下工作的需要，纯净钢的研制和开发成为必然。纯净钢 广泛用于汽车、家电、食品工业乃至海洋结构、耐酸管线以及在苛刻条件下的其他用途。 钢中杂质对其性能影响极大。关于纯净钢( 或洁净钢) 的概念主要包括：钢中总氧含量 低、非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀、脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形状。 钢中杂质元素一般是指c 、s 、p 、n 、h 、o ，1 9 6 2 年k i e s s l i n gr 把钢中微量元素( p b 、 舡、s b 、b i 、c u 、s n ) 也包括在杂质元素之列【4 】，这主要是因为炼钢过程中上述微量元 素难以去除，随着废钢的不断返回利用，这些微量元素在钢中不断富集，因而其有害作 用日益突出。1 9 9 3 年，m ud 和h o l a p p al 【5 1 在总结大量文献的基础上，又进一步提出 了纯净钢的概念。他们认为，纯净钢的概念应随工艺的发展、钢的级别和用途而异；并 认为纯净钢包括两方面的内容：一是钢中杂质要超低量；二是严格控制钢中非金属夹杂 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 物的数量和形态。一些冶金学家还提出了超纯净钢的概念【6 ，丌，并将其界定为c 、s 、p 、 n 、h 、t 【o 含量之和在0 0 0 4 以下。 8 0 年代以来，随着冶炼技术的进步，钢中杂质( 主要指c 、s 、p 、n 、h 、o ) 不 断减少，钢的纯净度水平不断提高，显著地改善了钢材的延性、韧性、加工、焊接、抗 腐蚀等性能，延长了钢材的使用寿命；7 0 年代初上述杂质总量只能去除到0 0 2 3 5 左右， 而在9 0 年代能将其去除到0 0 0 4 以下【8 1 。目前，国内外已建立了纯净钢及相关产品( i f 深冲汽车板和管线钢等) 大规模生产流程，钢中有害元素c 、s 、p 、n 、h 、t o 】含量 之和可控制到0 0 0 5 。随着建筑、交通、能源、汽车和造船等行业对钢材性能的要求 日益提高，预计在未来钢的纯净度还会进一步提高。因此，明晰钢中非金属夹杂物的来 源和分布以及对钢材性能的影响，了解钢中非金属夹杂物的控制方法，探索去除微小非 金属夹杂物的新途径对纯净钢的生产具有重要的意义。 表1 1 典型纯净钢的纯净度要求 t a b l e1 1r e q u i r e m e n to np u r i t yo ft y p i c a lc l e a ns t e e l 一：岛q 目前典型的纯净钢对钢中杂质元素和非金属夹杂物的要求及其苛亥0 t 4 , s 】。由表1 1 可知，对钢纯净度的要求一是钢中夹杂量要少，总氧量t 【o 】要低；二是夹杂物尺寸要 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 小。但不同钢种对钢的纯净度的要求是不一样的。 1 4 非金属夹杂物对钢性能的影响 对高质量不断增长的要求促使炼钢生产者不断提高产品的纯净度。非金属夹杂物控 制技术是现代纯净钢冶炼的主要内容之一。非金属夹杂物对钢的强度、塑性、断裂韧性、 切削、疲劳、热脆以及耐蚀等性能有很大影响。一般认为，影响钢性能的夹杂物因素有 夹杂物的成分、尺寸、数量、形状、大小分布以及在基体中的空间分布和夹杂物之间的 距离等。前已提及，只有当非金属夹杂物的尺寸小于1 岬且其数量少到夹杂物彼此之 间的距离大于1 0 1 a m 时，才不会对材料的宏观性能造成影响【6 】。 表1 2 与夹杂物有关的钢产品缺陷 t a b l e1 2d e f e c t sa b o u ti n c l u s i o n si ns t e e l 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 衡量夹杂物对钢的质量的危害时，至少应该从两个方面进行综合评价，即钢的纯净 度( 包括钢中夹杂物含量、颗粒大小和分布) 和夹杂物性质、类型及其在加工过程中的 形变能力。与夹杂物有关的钢产品缺陷，见表1 2 9 ，1 0 1 。 1 4 1 夹杂物按来源分类 根据夹杂物的来源不同，通常将钢中的非金属夹杂物分为内生夹杂物和外来夹杂物 两大类。 1 4 1 1 内生夹杂物 内生夹杂物是在钢液或固态钢中，由于脱氧或各种物理化学反应而形成的夹杂物。 它们在钢中分布比较均匀，颗粒也较细小，是钢中主要的非金属夹杂物。 ( 1 ) 脱氧产物。低碳铝镇静钢中的氧化铝夹杂和硅镇静钢中氧化硅夹杂产生于钢 中溶解氧和加入的铝或硅脱氧剂之间的反应，是典型的脱氧生成的夹杂物【1 1 。1 4 】。氧化铝 夹杂物在高氧浓度条件下呈树枝状，如图1 2 所示【1 2 1 。 图1 2 纯铁脱氧期间形成的灿2 0 3 夹杂 ( a ) 枝晶状和点簇状( b ) 珊瑚状 f i g 1 2a l u m i n ai n c l u s i o nm o r p h o l o g i 懿( a ) d e n d r i t ec l u s t e ra n d c o r a ls t r u c t u r e 图1 3 低碳钢灿脱氧期间的点簇状灿2 0 3 f i g 1 3d e n d r i t ec l u s t e ro fa l u m i n ai n c l u s i o nm o r p h o l o g i e so b s e r v e di nl o w - c a r b o ns t e e l 点簇状氧化铝夹杂来自脱氧或二次氧化【1 8 】，如图1 3 所示，为铝脱氧钢中的典型存 在形式。由于具有较高的界面能，氧化铝夹杂容易通过碰撞、聚集形成三维点簇状。点 - 7 - ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 簇状夹杂内每个单体直径约为l 5 岬 1 9 删。在与其他颗粒碰撞、分离或聚集之前这些 单体可能是花盘型或多面体型夹杂物，如图1 4 ( a ) 所示【2 3 】。另外，图1 4 b 所示珊瑚状氧 化铝夹杂物应该是原始的树枝状或点簇状氧化铝夹杂物通过“o s t w a l d r i p e n i n g 1 2 4 2 5 作 用而形成的。由于在钢水中为液态或玻璃质状态，硅夹杂物通常为球形，亦可以聚集成 点簇状，见图1 5 【2 6 加。 图1 4 低碳铝镇静钢脱氧过程中形成的趾2 0 3 夹杂 ( a ) 花盘型( b ) 小多面体颗粒的聚集 f i g 1 4a l u m i n ai n c l u s i o nm o r p h o l o g i 髓o b s o r v c di nl o w - c a r b o na l u m i n t m a - k i l l e c ls t e e l ( a ) f l o w e r d i s c s t r u c t u r ea n d ( b ) a g g r e g a t i o no fs m a l lp o l y h e d r a lp a r t i c l e s i0 1 ti t i 图1 5 球形s i 0 2 夹杂物的聚集 f i g 1 5a g g r e g a t i o no fs p h e r i c a ls i 0 2i n c l u s i o np a r t i c l e s ( 2 ) 在钢水冷却和凝固过程中产生的沉淀析出夹杂物 在冷却期间，液态钢水中溶解氧、氮、硫的浓度变大，同时这些元素的溶解度减小。 这样造成氧化铝f 2 6 】、硅、氮化铝【2 5 1 和硫化物的沉淀析出【2 1 1 。凝固过程中硫化物在枝 晶间析出，亦经常以钢水中已存在的氧化物为核心析出。这类夹杂物通常较小( l o o p , m ) 。在纯净钢中，亚显微夹杂包括氮化物、硫 化物和氧化物，其总数约为1 0 1 1 个锄3 ，其中氧化物约为1 0 8 个e r n 3 。一般认为其对钢 质多半无害( 硅钢除外) ，对其在钢中的作用目前研究得还很不够。显微夹杂主要为脱 氧产物，它们对钢的疲劳性能和断裂性能的影响极大。大型夹杂在钢中的数量较少，但 对钢的表面和内在质量的影响却很大，钢的二次氧化是钢中大型夹杂的主要来源之一。 1 5 研究的内容、目的和意义 通过对l f 精炼技术研究现状和钢液中非金属夹杂物行为的分析，不难看出，l f 对 钢水强有力的吹氩精炼功能，在解决纯净钢的品种和质量问题方面，已经成为不可缺少 的关键环节和技术保证。因此，进行l f 精炼炉内夹杂物物理行为的模拟研究，对指导纯 净钢生产和改进现场工艺都具有重要的理论指导意义。然而，当前的研究还存在着以下 几点不足： ( 1 ) 夹杂物行为的检测技术虽然在现场检验和一些实验研究中得到广泛应用，但由 于需要购置价格昂贵的检测仪器，成本比较高，且由于是现场实验，不可能在冶炼过程 中随意的取样( 通常是取初始样、终点样和有限的过程样) ，无法对冶炼过程夹杂物的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 去除行为进行详细考察和研究。 ( 2 ) 目前有关夹杂物行为的数学模拟，仍存在以下缺陷：数学模拟所采用的精炼 钢包内气泡与夹杂物粘附的作用机理描述及定量关系的准确性均存在一定的疑问。数学 模拟在气体搅拌体系夹杂物的描述方面，大都采用双流体模型和加湍流模型，由于双 流体模型对描述气泡湍动轨迹方面存在固有缺陷，目前缺乏气泡在钢液中的阻力系数数 据，故所计算的钢液速度往往比实际值要小3 0 5 0 ，因此，以此来描述夹杂物行为 最多是个半定量概念。 ( 3 ) 对于l f 精炼炉内夹杂物行为的物理模拟工作，有关流体流动特性的研究工作 较多，而直接进行夹杂物行为研究的工作较少，且这些物理模拟研究均存在一些问题： 用固体颗粒来模拟夹杂物，不能模拟夹杂物碰撞长大这一重要物理行为；在通过流体流 动特性来间接反映钢包内夹杂物行为的研究，也只能定性的对夹杂物行为进行分析，无 法做到定量的描述。 因此，本文在建立水模型的基础上，对国内某钢厂1 4 0 吨l f 精炼炉内夹杂物的物 理行为进行了模拟研究，内容如下： ( 1 ) 明确l f 精炼炉内模拟夹杂物选择的理论标准，保证模型与原型夹杂物的运 动相似。在此基础上，选择一种可以模拟夹杂物碰撞聚合这一重要物理行为的夹杂物模 拟介质，从而跟实际钢液中夹杂物的运动行为更为接近。 ( 2 ) 基于相似理论，建立比例为1 ：7 的水力学模型，对l f 精炼炉内的夹杂物去除 率进行了定量测定，并对不同工艺参数对夹杂物的去除行为的影响规律进行了全面的分 析，为夹杂物的有效排除提供理论指导和依据。 ( 3 ) 拍摄了各种吹氩量和不同透气砖布置方式条件下流体的流动特征，直观的再 现了各种工艺条件下钢包内流体流场的变化。 ( 4 ) 结合实验结果以及实验过程中拍摄的实验现象，综合研究了吹氩时间、底吹 氩量、透气砖布置方式及吹氩模式对吹气l f 精炼炉内夹杂物去除行为的影响，分析影 响夹杂物去除规律的主要因素，揭示夹杂物去除的机理。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章前人工作分析 第二章前人工作分析 2 1l f 钢包底吹氩工艺概述 钢包吹氩技术是一种经济适用而且简单易行的精炼方法。它由于能有效地均匀钢水 温度和成分，去除有害气体和夹杂物，改善钢液质量而被广泛应用。从5 0 年代开始采用 钢包吹氩技术以来，这一技术已经普及到几乎所有的炼钢车间。 钢包吹氩原理是将具有一定压力的氩气通过吹氩透气砖输送到钢液中，形成气泡， 气泡因浮力作用上浮，上浮过程中将钢水抽引并使之在气液区内产生由下向上的流动。 当气泡到达顶部时就转入水平方向并流向包壁，之后在包壁附近向下回流，再次流到钢 包中，下部钢液被抽引至气液区内，如此循环流动形成环流。氩气搅拌有利于钢渣之 间的化学反应，在环流过程中，大颗粒夹杂、脱氧产物在流经顶渣下部区域时传递进入 顶渣，可以加速钢渣之间的物质传递，利于钢液的脱氧、脱硫反应的进行。吹氩形成 。 的气泡在钢液中形成相对真空，起到了对钢中气体的捕集和排除作用。同时吹氩搅拌可 使钢水成分和温度均匀【3 6 1 。 2 2l f 钢包底吹氩技术的研究进展 2 2 1l f 钢包底吹氩循环流场的基本结构 钢包底吹氩包内循环流场的研究工作从二十世纪7 0 年代就开始了，迄今为止，最具 代表性的是萧泽强提出的描述吹氩钢包内气液两相区和包内循环流场的全浮力模型 ( p l u m em o d e l ) 3 7 - 3 9 】，其基本特征可以用图2 1 表述。 1 3 - 东北大学硕士学位论文 第二章前人工作分析 z 。l 蛩 ：瓮 t - i o 4 3 一 毒 茗广苣 、 “ f i 跹 。薯f 匀 l 适 o j j ：f l f 口 喜 7 _ 献? r y 图2 1 吹气钢包内流场结构的全浮力示意图 f i g 2 1t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fp l u m em o d e ls h o w i n gf l o wf i e l di nb l o w i n gl a d l e 根据全浮力模型，吹氩钢包内气液两相区结构、能量传输、循环流的形成具有如下 特征： ( 1 ) 喷吹钢包中驱动金属流动的外力主要是气泡浮力而不是粘性力，在进行生产 用钢包搅拌效率的工程估算时，可以只考虑浮力的作用。 ( 2 ) 分散气泡作上浮运动时，呈自由和随机分布，大气泡靠近流股中央，小气泡 被推向外围，周围液相介质从包底开始不断被吸卷进入流股，形成直径越来越大的气液 两相上升流。由于气液相运动受浮力控制和对周围介质卷吸所产生的平衡作用，在轴向 方向上的流动速度应该基本保持不变。此外，由于分散气泡运动和它驱动作用的分散性， 故气液两相区内上升速度沿径向的变化应该遵守高斯分配定律，即可以用下式表达 芒u 一卅鲁 眩， m 6 式中6 为气液两相区在z 高度处表示流股半径的参数，其值与射流张角有关。在气液 两相区内，气泡上浮造成的压降将驱动周边钢水向气泡移动区运动。 ( 3 ) 当两相流到达液面，气液分离，气体进入大气，被驱动而涌向液面的钢水则 由于惯性力的作用，在液面形成一个有一定直径的圆凸区，不断上涌的钢水和圆凸区高 度造成的势压头，迫使钢水流向四周，在钢包项面形成一层水平流。由此，喷吹钢包内 可大致划分为几个重要流动区域，即存在位于喷嘴上方的气液两相区、顶部水平流区和 东北大学硕士学位论文第二章前人工作分析 钢包侧壁与下部的金属液流向气液区的回流区。 2 2 2 底吹气体对熔池的搅拌功分析 钢包精炼过程中吹入的气体通过对液体做功来实现搅拌的目的。迄今为止，关于计 算搅拌功的方法意见不一。文献 3 9 】认为，气体进入钢液后所做的功可分为以下几个部分： ( 1 ) 在喷嘴附近由于温度升高而作的膨胀功w l ； ( 2 ) 气泡在熔池中上升时所作的浮力功w 2 ； ( 3 ) 喷吹时气体所具有的动能w 3 ； ( 4 ) 气体喷出时残余静压力使气体膨胀做功w 4 。 如果用n 来表示单位时间内吹入气体的摩尔数，用w 表示单位时间内气体对液体所 作的功，则上述各项做功可以计算如下： ( 1 ) 由于温度升高而作的膨胀功w l 由于气体在喷嘴出口处很快被加热，若看成理想气体，则有 彤= y = n r d t = ，z r ( 互一乙) ( 2 2 ) 式中r _ 气体常数，8 3 1 4j m o l l - k 1 ； t l 和k 一液体温度和气体的出1 ：3 温度，k 。 ( 2 ) 气泡在熔池中上升时所作的浮力功或膨胀功职 气泡在上升过程中由于静压力变化所作的功膨胀职为