（钢铁冶金专业论文）rhmfb脱碳过程模型与工艺优化.pdf

摘要 摘要 以宝钢r h m f b 精炼工艺研究为立题依据，以r h m f b 处理过程中脱碳为主 要研究内容，在分析r h m f b 处理过程脱碳规律基础上建立了脱碳模型，并利用该 模型分析讨论工艺、设备因素对r h m f b 脱碳速率与效果的定量影响，为制定合理 的r h - m f b 处理工艺与优化提供可靠的理论依据。 本研究对宝钢生产i f 钢现有工艺条件进行了统计分析。目前，宝钢r h - m f b 生产i f 钢初始碳含量主要在( 2 5 0 3 5 0 ) x 1 0 4 之间，占统计炉次的7 5 ( 4 0 炉次 样本) 。目标碳含量的上限值在( 2 0 3 0 ) x l 旷，占统计炉次的8 2 5 。脱碳时间 平均为2 0 分钟，处理时间平均为2 9 分钟。 假设脱碳反应只在真空室内进行，将脱碳反应机理确定为：钢水本体脱碳与 c o 克服静压力上浮、飞溅液滴脱碳和提升气体氩气泡表面脱碳。根据脱碳反应动 力学和质量守恒原理建立了r h - m f b 脱碳数学模型。为了充分发挥宝钢m f b 多功 能氧抢的强制脱碳作用，本模型融合自然脱碳与强制脱碳于一体，能够较好的模拟 脱碳行为并预报脱碳结果。将该数学模型程序化，采用龙格一库塔算法，借助计算 机进行计算。 模型计算结果与实际测量结果吻合较好，终点碳含量预报准确率较高。 利用该数学模型，研究了各种工艺因素及操作条件对脱碳过程的影响。分析表 明，随着钢液初始碳含量的增加、初始氧含量的减少，脱碳终点碳含量降低；压降 速率越大，脱碳速率越高；缩短低流量吹氩时间、增大吹氩流量、扩大浸渍管内 径，脱碳速率增加。 整个脱碳过程中，钢液本体脱碳量约占总脱碳量的4 9 9 3 ，飞溅液滴脱碳约占 3 7 0 4 。脱碳末期飞溅液滴的脱碳作用占主要位置。 图 5 3 表 1 7 】参 5 6 】 关键词：r h m f b 脱碳；数学模型；工艺优化 分类号：t f 7 6 9 4 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s i n go nr h m f br e f i n i n gt e c h n o l o g yi n v e s t i g a t i o ni nb a os t e e l ，t h ep a p e rsc e n t r a l c o n t e n ti sd e c a r b u r i z a t i o ni nr hp r o c e s s t h ed e c a r b u r i z a t i o nm o d e li sb u i l t t h e d i s c i p l i n a r i a no fd e c a r b u r i z a t i o ni nr hp r o c e s sa n dt h ef l u e n c eo f t e c h n i c a la n de q u i p m e n t f a c t o r st od e c a r b u r i z a t i o nr a t ea n de f f e c ta r ea n a l y s e di no r d e rt os u p p l yac r e d i b l e a c a d e m i cg i s tf o rs e t t i n gd o w nr a t i o n a lr ht r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n do p t i m i z a t i o n t h e e x i s t i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n so f p r o d u c i n gi fs t e e li nb a ns t e e la r es t a t i s t i c e da n d a n a l y s e d n o wt h ei n i t i a lc a r b o nc o n c e n t r a t i o nf o rr hp r o c e s si sm o s t l yb e t w e e n 2 5 0 1 0 _ 4 a n d3 5 0 x 1 0 _ 4 ，i t sr a t i oi nt h es t a t i s t i c a ls a m p l e si sa b o u t7 5 ( 4 0s a m p l e s ) t h et a r g e tc a r b o nc o n c e n t r a t i o ni sf 2 0 3 0 ) x 1 0 _ 4 m o s t l ya n dt h er a t i oi sa b o u t8 2 5 t h ea v e r a g ed e c a r b u r i z a t i o nt i m ei s2 0m i n u t e sa n dt h ea v e r a g et r e a t m e n tt i m ei s2 9 m i n u t e s o nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ed e c a r b u r i z a t i o nr e a c t i o nh a p p e n so n l yi nt h ev a c u u m t a n k ，c og a s g e n e r a t i o na n di t s g r o w t ht o v a c u u n li nt h em o l t e ns t e e l ，f o r c e d d e c a r b u r i z a t i o nb yb u b b l es u r f a c eo fp u r g i n ga rg a sa n ds p l a s h i n gd r o p l e t sa r ec o n f i r m e d t h ed e c a r b u r i z a t i o nm e c h a n i s m s a c c o r d i n gt ot h ek i n e t i c so fd e c a r b u r i z a t i o nr e a c t i o n a n dt h et h e o r yo fm a s sc o n s e r v a t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr hd e c a r b u r i z a t i o n p r o c e s sh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h i sm o d e li n c l u d e sn a t u r a ld e c a r b u r i z a t i o na n df o r c e d d e c a r b u r i z a t i o ni no r d e rt oe x e r tt h ec o e r c i v ea c t i o no fo x y g e ng u ne q u i p p e do nr h t r e a t m e n te q u i p m e n ti nb a ns t e e l i tc a ns i m u l a t ed e c a r b u r i z a t i o np r e c e s sa n dp r e d i c t e v e n t u a lc a r b o nc o n c e n t r a t i o np r e f e r a b l y p r o g r a m m i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw i t h r u n g e - k u t t aa r i t h m e t i ct h a tc a nc a l c u l a t eb yc o m p u t e r s ， c a l c u l a t e dr e s u l t sb ym o d e la c c o r dw i mm e a s u r e dv a l u e sg r e a t l y t h ea c c u r a c yo f t e r m i n a lc a r b o nc o n c e n t r a t i o ni sh i g l l u s i n gt h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ee f f e e to f s e v e r a lt e c h n i c a lf a c t o r sa n de q u i p m e n t p a r a m e t e r s o nd e c a r c u r i z a t i o np r o c e s s t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a te v e n t u a lc a r b o n c o n c e n t r a t i o nf o rd e c a r b u r i z a t i o np r o c e s sw i l tr e d u c ew i mi n c r e a s i n go fi n i t i a lc a r b o n c o n c e n t r a t i o no rd e c r e a s eo fi n i t i a lo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni nm o l t e ns t e e l ，t h er a t eo f d e c a r b u r i z a t i o nw i l lb cb i g g e rw i t hi n c r e a s eo fp r e s s u r ed e c r e a s i n gr a t e ，s h o r t e n i n gt i m e - l i 摘要 o ff l o w i n gl o wf l u xa rg a s ，i n c r e a s i n ga rg a sf l u xa n de n l a r g i n gd i a m e r t e ro f i n f u s i n g t u b e s i nt h et o t a ld e c a r b u r i z a t i o np r o c e s s ，t h ed e c a r b u r i z a t i o nq u a n t i t yo f m o l t e ns t e e li nt h e v a c u u mt a n ki sa b o u t4 9 9 3 o ft h et o t a la n dt h ep e r c e n to fs p l a s h i n gd r o p l e t si sa b o u t 3 7 ，0 4 t h ed e c a r b u t r i z a t i o no f s p l a s h i n gd r o p l e t si si m p o r t a n t a tt h ee n do f d e c a r b u r i z a t i o np r o c e s s f i g u r e 【5 3 】t a b l e 1 7 】r e f e r e n c e 5 6 】 k e y w o r d s ：r h - m f bd e e a r b u r i z a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t e c h n i c a li m p r o v e m e n t c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 7 6 9 4 m - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：蓟益丝日期：型监年羔月卫日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：立b 妞导师签名：占妞日期：塑坠年上月且日 引言 引言 为满足国民经济发展对优质洁净钢的需要，必须开发相应的高效洁净钢炉外精 炼生产技术。r h 真空处理法于1 9 5 9 年问世于西德，当时采用该技术的主要目的是 去除大型、高级铸锻件和优质轧材用钢中的氢和金属夹杂物。几十年来，由于对该 技术的不断探索和开发以及r h 设备的不断完善，它的功能也逐渐扩展。目前已用 于钢水的脱碳、脱氧、脱硫、成份控制、吹氧、升温和改变夹杂物形态等很多方 面。因此。在现代炼钢工艺流程中，r h 真空处理设备已经成为生产优质洁净钢， 尤其是高级汽车面板i f 钢不可或缺的关键设备之一。 目前宝钢的r h 真空处理设备已经配备了m f b 多功能氧枪，从而可以放宽转炉 出钢条件，减轻转炉负担。可以保证在碳高氧低的来钢条件下，吹氧强制脱碳，不 延长脱碳时间，也可将终点碳含量降到较低值。为了更好的发挥r h 精炼技术的作 用，对精炼过程，特别是脱碳脱气过程的数学模拟，前人已做了很多研究工作，先 后提出了不少数学模型，以其实现设计参数、工艺及控制的优化和开发新的r h 过 程。这些研究在不同程度上为理解、改进和发展r h 精炼技术提供了有用信息。以 往这些研究大多集中于常规r h 装置内钢液的精炼过程，对多功能r h 装置内精炼 反应的研究为数不多。 本课题就是以宝钢r h m f b 精炼技术优化为立题依据，以脱碳过程为主要研究 内容。建立脱碳数学模型，将自然脱碳与强制脱碳融为一体，模拟脱碳过程并预报 脱碳终点碳含量。分析r h m f b 处理过程中脱碳规律及工艺、设备因素对r h m f b 脱碳速率与效果的定量影响。 通过以上研究，为r h - m f b 精炼工艺的优化提供指导，以期达到高效低耗化生 产、提高钢质量的目的。 河北理工大学硕士学位论文 1 1r h 真空脱碳技术的概述 1 1 1r h 真空精炼工艺简介 1 文献综述 t 9 5 9 年，西德鲁尔钢( r u h r s t a h l ) 公司( 后改为莱茵钢( r h e i n s t a h l ) 公司，现 为a t h 公司) 和赫拉乌斯( h e r a e u s ) 公司共同开发了钢水循环脱气法( i 瑚) a 在 当时应用r h 的主要目的是对钢水进行脱氢处理，从而防止钢中白点的产生。因而 r h 处理工艺仅限于对气体有较严格要求的钢种，如大型锻件用钢、厚扳钢、硅钢 及轴承钢等。 在现代炼钢工艺中，大多采用转炉、电炉一次精炼后，将钢水以各种装置进行 再处理，叫做二次精炼，r h 真空处理工艺就是其中的一种。一般来说，在二次精 炼过程中会造成热损失和延长处理时间，因此二次精炼必须具有比一次精炼更进一 步提高质量的功能，在生产效率和成本方面应具有直接经济效益。因此，在后来的 几十年时间里，r h 真空处理工艺以其操作简便、处理量大、生产效率高的特点， 不断进行发展，在原来脱氢的基础上又开发了脱碳、脱氧、吹氧升温、喷粉脱硫和 成分控制等功能，使改进后的r h 法能进行多种冶金操作，r t t 法的功能和精炼的钢 种范围不断扩大，更好地满足了钢种和提高钢材质量的要求。尤其适合和现在的连 铸法配合使用，由于连铸法铸出的钢坯凝固速度快，不利于夹杂物上浮，所以对钢 水的洁净度要求更为严格，同时连铸的操作时间长并连续进行，对钢水的成分均匀 性要求也较高，r h 精炼法满足了这些要求。因此，r h 精炼技术已经越来越重要。 在炉外精炼中逐渐占主导地位。 由于r h 工艺能够准确控制和迅速达到预先规定地冶金目标，脱碳能力强，温 度损失较少，故在超低碳深冲钢的生产方面发挥着极为重要的作用。世界各国都在 积极采用r h 精炼方法，其中日本在使r h 技术日趋完善的过程中做出了重要贡 献，其r h 真空处理技术最为普遍，也最为成熟。 从钢铁工业发展来看，炉外精炼已成为炼钢生产不可缺少的重要工序，铁水预 处理一转炉复合吹炼一r h 精炼一连铸是现代炼钢厂的典型工艺流程。而我国r h 普 及率还很低，因此有很大的发展空间。 2 l 文献综述 1 1 2r h 真空脱碳的原理 1 1 2 1 热力学原理 差 兰 吕 图l 碳氧之间韵平衡关系 f i g 1b a d a n c cr e l a t i o nb e t w e e nc a r b a na n do x y g e n 钢水中的碳和氧经过r h 真空处理时，发生如下反应 【c 】+ 【0 】= c o ( 1 ) 并且在1 6 0 0 0 c 下碳氧之间有这样的关系 【c 】【o 】= 2 5 x l o - 3 , p c o ( 2 ) 式中： 【c 卜一钢水中碳浓度，； 【d 】钢水中氧浓度，； c 0 气体分压与标准大气压的比值。 碳氧之间的平衡关系可见图i ，当真空室压力降低时，反应向右进行生成c o ， 成分变化如图中箭头方向所示，从而达到脱碳的哥的。 1 1 2 2 动力学原理 在r h 处理中脱碳反应速率主要取决于溶解在钢中碳元素的传质速率。因此用 下式来描述关于【c 的一级反应的关系： d c d , = - k 。 c 】( 3 ) k c = 老v 搿，i q + 疵) 一 式中： - 、3 - 河北理工大学硕士学位论文 口一反应界面积，m 2 ； 七一物质迁移速度常数，m - s 一； p _ 嘲液体积，m 3 ： 9 _ 嘲液循环速度，m 3 s 1 。 由此可见，脱碳速率与反应界面积、循环速度、钢水量等有直接关系。 1 1 3r h 真空处理方式 1 1 3 1r h 法 r h 法最早产生时是用于锻造用钢的脱氢处理。通过使用两根浸渍管，利用空 气扬水泵的原理，使钢水循环流动。也就是说，在将钢水吸入真空槽内的状态下， 从一侧的浸渍管即上升管吹入触气。这时，吹入m 气侧上升管内部的钢水由于血 气泡的原因，其表面密度下降，通过该比重差，使两根浸渍管之间的钢水开始循 环，在真空槽内作为分流吸入的钢水，通过吸入气体的排出而变为液滴，由于表面 积增加而发生飞溅。在此期间进行各种脱气反应后，钢水经下降管返回到钢水包。 r h 法可分为轻处理和本处理。轻处理就是充分发挥r h 具有的搅拌、脱碳功 能，在低真空条件下对未脱氧钢水进行短时间处理，同时将钢水温度，成分调整到 适于连铸条件的工艺。而本处理处理时间长，主要是实现深脱碳的目的。其中新日 铁开发的r h 轻处理是r h 处理中的一项技术革新【l l 。图2 是r h 真空处理设备示意 图。 图2r h 真空处理设备示意图 f i g 2s k e t c hm a po f r hv a c l r i md i s p o s i n ge q u i p m e m - 4 - q j t 一 图3r h o b 法 f i g 3 r h o bm e t h o d 1 文献综述 1 1 3 2r h - o b 法 1 9 7 2 年新日铁室兰厂依据采用v o d 技术生产不锈钢的原理，开发了r h o b 真 空吹氧技术。r h o b 与转炉配合，迅速生产含铬不锈钢。紧接着新日铁大分厂在室 兰厂基础上发展了r h o b 真空精炼工艺技术，利用r i d ，o b 真空吹氧法进行强制脱 碳、加铝吹氧升高钢水温度、生产铝镇静钢等技术，从而减轻了转炉负担，提高了 转炉作业率，降低了脱氧铝耗 2 1 。我国宝钢1 9 8 5 年1 1 月投产的r h 装置即采用了 r h o b 技术，可处理4 0 多个钢种，按照新日铁和曼内斯曼企业标准检验，钢种合 格率为9 9 1 3 ，钢管钢等钢种的杂质物明显减少。r h - o b 吹氧技术由于脱碳速度快 得到了迅速推广，但同时也暴鼹了其自身的弱点，即r h o b 喷嘴寿命低，降低了 r i - i 设备的作业率，喷溅严重i m 真空室易结瘤，辅助作业时间延长，要求增加 r h 真空泵的能力。这些问题阻碍了r h o b 真空吹氧技术的进一步发展【3 】。图3 是 r h 。o b 法示意图。 1 1 3 3r h i j 法 1 9 8 2 年，徐匡迪发表了r i d 1 j 技术的实验室报告1 4 1 ，同年，新日铁开始研究此 组合技术- 并于1 9 8 5 年开始工业性实验【鲫。r h i j 技术即r h 喷粉技术。图4 是 r h i j 技术的示意图。这项技术可在一次操作中同时完成脱硫、脱氢、脱碳、减少 非金属夹杂和调整成分的目的。 圈4r h i j 喷粉法的特征 f i g 4 c h a r a c t e ro f r h i js p r a y i n gp o w d e rm e t h o d 圈5r h - p b 法的原理 f i g 5 t h e o r yo f r h - p bm e t h o d 1 1 3 4r h p b 法 新日铁名古屋厂于1 9 8 7 年研制成功r h - p b 法，不仅可以生产出超低硫、极低 碳和超低磷钢来，而且在处理过程中氢含量也是降低 6 1 。它利用原有r h o b 法真 - 5 河北理工大学硕士学位论文 空室下部底欧氧喷嘴，使其具有喷粉功能，依靠载气将粉剂通过o b 喷嘴吹入钢 液。r h 真空室下部装有两个喷嘴，可以利用切换阀门来改变吹氧方式还是喷粉方 式。同时通过加铝可使钢水升温。此法还具有良好的去氢效果，不会影响传统的 r h 真空脱气的能力，更不会有吸氮之忧嘎图5 是r h p b 法原理示意图。 新日铁名古屋厂采用r h p b 法处理钢水取得了如下结果：1 ) 在熔剂最佳喷吹 条件下，脱硫率达7 0 8 0 ，在钢水初始f s 】含量为2 0 x1 0 4 3 0 x1 0 4 的情 况下，喷吹粉剂4 k g t 时，终点 s 】为5x 1 0 1 4 ；2 ) 在钢水初始【p 】含量为 1 5 0 x 1 0 - 4 3 0 0 1 0 。4 的情况下，经r h p b 处理后，f p l 2 0 x 1 0 _ 4 ；3 ) 可以稳 定的生产【h 】1 5 1 0 _ 4 、p 】蔓1 0 x 1 0 _ 4 、【n i - 4 0 x 1 0 _ 4 的钢，处理时间约 为2 0 m i n t 8 1 。 1 1 3 5r h k t b 法 采用普通的r h 真空脱碳工艺，转炉出钢温度高，r h 真空脱碳时间长，冷轧板 的表面缺陷高，约为2 2 。1 9 8 6 年，日本川崎钢铁公司为满足汽车工业飞速发展对 钢板质量提出了新的要求，努力降低钢中的碳含量，以保证冷轧板具有良好的塑 性、拉伸性、非时效性。为改进冷轧超低碳钢的生产工艺，开发出了r h k t b 真空 吹氧技术，将r h 技术发展推向一个新阶段。第一台r h k t b 真空吹氧设备安装在川 崎钢铁公司千叶厂。 k t b 法是用水冷氧枪向真空室内的钢液供给氧气的工艺方法，如图6 所示。与 常规的r h 工艺相比，应用r h k t b 的效果主要有【9 】： ( 1 ) 在r h k t b 方法中，有3 0 的氧用于c o 气体的二次燃烧，二次燃烧率 达6 0 ，使r h 处理过程中的热损失得以补偿，因此可降低转炉出钢温度约2 6 。c 。 ( 2 ) 提高脱碳速率。在不延长r h 真空处理时间的条件下，可在较高转炉出钢 含碳量下生产超低碳钢。实践证明，使用r h k t b 工艺时，转炉出钢终点【c 】含量可 从0 0 2 5 提高到o 0 5 ，因而可以使转炉的负担减轻。 ( 3 ) 应用r h - k t b 法，稳定地降低脱气结束时渣中的f t f e ) 和钢水中的 t 【o 】。从而使连铸时由于钢水中的爿l q 造成的浸入式水1 ：3 的堵塞得到缓解，提高了 板坯的表面质量。 ( 4 ) 减轻了r h 真空室的冷钢粘结。以前，r h 真空室内粘附的残钢成为精炼 超低碳钢时增碳或微量添加成分不合的原因。另外，在修补时由于真空泵下部槽的 更换和真空室上部砖的拆运，需要长时间清理残钢，造成r h 运转率低。用r h k t b 氧枪后，不仅可以使在k t b 处理期间形成的残钢量少，而且还可以处理凝聚 6 1 文献综述 在真空室内壁形成的残钢提供一种有效的清理工具，从而提高了真空室的寿命、减 少耐火材料的消耗。 ( 5 ) 减少脱氧耗铝量。由于k t b 法处理后钢中【o 】比普通r h 低1 0 0 1 0 4 ， 可节约用铝量0 11 2 5 k g f 1 钢。 r h k t b 法与r h o b 法相比有很大进步。r h o b 吹氧，其氧气利用率不如 r h - k t b ，二次燃烧效果也很微弱，为补偿r h 处理过程中的温降，需要配合向真空 室加a l 吹氧来升温，但容易造成钢液中厶q 夹杂的增多而影响钢水的洁净度。另 外，由于吹氧的o b 管直接与高温钢液接触，加速了对浸入管根部砖衬的侵蚀，因 此o b 管的寿命也很低，一般少于2 0 0 次。与之相比，r h - k t b 工艺就比较完 善【9 1 0 l 图6r h k t b 法示意图 f i g 6s k e t c hm a po f r h - k t bm e t h o d 1 ，1 3 6 r h - m f b 法 继日本川崎钢铁公司开发r h k t b 真空精炼技术之后，新日铁广烟厂于1 9 9 2 年开发了“r h 多功能喷嘴”真空顶吹氧技术，并于1 9 9 3 年8 月在广烟厂建立了第 一台r h 多功能喷嘴设备，简称r h m f b 真空装置。r h - - m f b 法的主要功能是在 真空状态下的吹氧强脱碳、铝化学加热铜水，在大气状态下吹氧或天然气燃烧加热 烘烤真空室及清除真空室内壁形成的结瘤物，真空状态下吹天然气或氧气燃烧加热 一7 河j b 理工大学硕士学位论文 钢水及防止真空室顶部形成结瘤物】。其冶金功能与k t b 真空项吹氧技术相近。主 要在于提高转炉出钢时钢水的含碳量，在碳高氧低的情况下，不延长r h 真空脱碳 时间，可以将碳含量降到根低。对于钢水中碳含量，不吹氧可以从开始 s3 5 0 x 1 0 - 4 降至3 0 x 1 0 4 以下，在吹氧条件下，可将碳含量由开始4 0 0 1 0 - 4 同样降至3 0 1 0 4 以下，甚至2 0 1 0 4 【3 】；对钢水的温度补偿主要是通过燃气燃 烧来实现的，在真空精炼过程中吹入一定量的燃气使之燃烧，达到加热钢水的目的 5 1 。加赳吹氧升温是通过a 1 燃烧发热来加热钢水的，r h - m f b 用铝加热钢的效果 为：每吨钢加入l 蚝纯铝后温度上升3 5 8 c 。r h m f b 法示意图见图7 。 图7r h - m f b 法示意图 f i g 7s k e t c hm a po f r h - m f b m e t h o d 1 1 4r h 真空脱碳的数学模型 由于高温冶金反应过程大多都属于半黑箱，而r h 真空精炼过程发生在密闭的 真空室内，使人们对它的认识更加困难，其反应机理、反应行为、反应过程都只能 通过分析、估计来判断。判断的准确与否很大程度上取决于操作者的经验，所以操 作中有很大的或然率。如何使r h 精炼过程的操作从定性的估计发展到定量的预 报，这一重任只能由完善的数学模型来完成。作为二次精炼工艺，r h 需与前工序 转炉、后工序连铸紧密配合。由于r h 工艺，特别是带k t b 、m f b 等吹氧装置的 8 1 文献综述 r h 工艺非常复杂，对其脱碳的过程进行建模，准确地预报钢水中的含碳量就显得 更加重要。国内外很多学者对r h 脱碳的反应位置和反应机理进行了研究并提出各 种假设模型。 1 1 4 1 静态模型 1 1 4 1 1y k i t a 等的模型1 1 2 1 在此模型中假设r h 处理时脱碳反应发生在三个地点： ( 1 ) 心气表面，( 2 ) c o 气泡表面，( 3 ) 钢液自由表面。 该模型认为c o 气体表面的脱碳量相对于其他位置是很小的，可以忽略不计， 所以只考虑其它两处的脱碳。 a a r 气泡表面的脱碳 在这种情况下，假设所有心气泡都是球状，随着钢液循环而上浮，并且都参加 脱碳反应。在这里认为氧的传质是非限速环节。 a 、传质的速率限制方程 砌c l t = k l a 阡么( v 1 0 0 m c ) 。1 ( 【c 卜【c 】，) = k l p a ( 1 0 0 m c ) “( 酗c 卜m c 】，) 式中： r i c o 气泡内c o 摩尔数，m o i ； 七，钢水中碳传质系数，肘s 一； a 气泡表面积，m 2 ； p 川水体积，m 3 ； 钢水重量，咯； 卜一反应时间，s ； 肘碳原子的摩尔质量，七g - m o l ； p 铜水密度，堙m 。3 ； c 、【c 】，分别为钢水、气泡表面的碳含量，。 b 、气泡表面化学反应速率限制方程 砌c 0 ，出= k c a ( r t ) 。( 瞰c 】。瞄d 】，k p c o 。) 式中： k 界面上化学反应速率常数，m s ； 卜界面上【c 十【o 】_ c o 反应的平衡常数； 。气泡表面上的c o 分压，p a d 9 ( 6 ) 河北理工大学硕士学位论文 月气体常数，8 3 1 4 细o l 幻。 c 、气相中的速率限制方程 砌c 0 面= k a ( r t ) 1 ( p 。一p c o ) ( 7 式中： k 气相内传质系数，m ，1 ； 只，n 气泡内c o 分压，尸臼。 通过气泡表面的脱碳速率可以认为是气、液相传质与表面化学反应共同限制 的。由于式( 5 ) 与式( 6 ) 、( 7 ) 相等，气泡表面的碳含量用式( 8 ) 表示： 州r 、【c 】+ 面1 0 0 m 丽c k c k a p c o m q l 2 码l o o m 孬c k c 薅k k 肚豫 “、 c + g ( 8 ) 属混合限速过程的脱碳速率可用式( 8 ) 代人式( 5 ) 所得( 9 ) 式来计算： 叫碉悱蓦 】o 1 文献综述 p c d 一真空室内的c o 分压，p 口。 可以认为脱碳速率是由液相传质和表面化学反应混合控制，式( 1 0 ) 等于( 1 1 ) ，可 求自由表面的碳含量，将此碳含量代入式( 1 0 ) ，则反应速度为： 一 生 塑g ： ! ! ! 丝生生型竺 ( 1 2 1 ( o o o 。k 【c 卜p c 0 ) ，y n 0 0 0 m c k c 【0 】。k + k l p r t ) 、。 模型计算结果如图8 所示： 图8 实测值与计算值的比较 f i g 8c o m p a r i s o no f o b s e r v e dv a l u ew i t hc a l c u l a t e dr e s u l t 1 1 4 1 2 村谴一朗等的模型1 1 3 j 通过对r h 脱碳反应各部位：( 1 ) 真空槽内钢液表面，( 2 ) a r 气泡，( 3 ) 真 空槽内钢液本体的脱碳速度的分析，定量估算其总脱碳量。在实际的r h 操作条件 下，钢液中【o 】通常较 c 】高，所以，不认为钢中氧的传质为限制环节。因此脱碳速 度是由钢中碳的传质、气相界面化学反应和气相内传质等综合因素来限制。 各环节的反应式可表示如下： ( 1 ) 钢液中碳的传质速率 一d c i d t = ( t l 卢d 矽) ( 【o c 】一【c 1 ，) ( 1 3 ) 一d c l d t = 0 0 0 m c a w r t ) ( c i 0 】。k p c o ) ( 1 4 ) ( 2 ) 气相内传质速率 一d c d t = k 半郴呐。一p c d ) ( 1 5 ) 式中。 河北理工大学硕士学位论文 a 钢水与气相界面面积，m 2 ： c 】铜水中碳含量，； 【q i 钢水一气相界面处的碳浓度。多6 ； k ，钢水中碳的传质系数，m s ； b 界面化学反应速度常数； k 气相内物质移动系数，m r 1 ； 卜界面反应( c + 0 = c 0 ) 平衡常数； 肘，碳原子的摩尔质量，k g , m o f l ： p c d 。钢水一气相界面c o 分压，p a ： 卜气体常数，8 3 1 4 j t o o l l 1 c 1 ； p 嘲水温度，； 驴一钢水重量，锄 p 钥水密度，船m 一。 在上述三个环节中，反应部位是由公式( 1 3 ) 和0 4 ) 共同支配速度；反应部位 的速度由公式( 1 3 ) ( 1 5 ) 共同支配速度；而在满足( 1 6 ) 式的条件下，c o 气泡可以在 部位生成，并假设按( 1 7 ) 式所示的那样，脱碳进行的情况与该位置的c o 过饱和浓 度成正比。 ( 3 ) c o 分压： p c o = p o + p g h + ( 2 c r r ) ( 1 6 ) 脱碳速率公式： 一d 睇c l d t = 仃( 【c 】，瞰d 】置- p c o ) ( 1 7 ) 图9 计算位与实测结果的比较 f i g 。9c o m p a r i s o no f o b s e r v e dv a l u ew i t hc a l c u l a t e dr e s u l t 1 2 l 文献综述 式中： 广重力加速度，m s - 2 ； h 钢水表面到气泡位置的深度，m ； 昂真空槽内气压，p a ： r 0 气泡直径，m 。 把这些反应式和物质守衡式组合，进行数值计算，然后与实际脱碳速度相拟 合，由参数拟合求出公式( 1 7 ) 中的模型参数口值。 计算结果如图9 所示。 1 1 4 1 3k o j iy a m a g u c h i 等的模型1 4 1 该模型进行了一定的假设： ( 1 ) 钢包和真空室中的钢水完全混合； ( 2 ) 脱碳反应只在真空室中进行； ( 3 ) 气液界面的碳、氧浓度和真空室中的c o 分压保持平衡； ( 4 ) 脱碳反应速率由碳、氧传质限制。 脱碳反应机理示意图见图1 0 。 模型反应方程为： g 畦- m o t e l j n l e d a c e v a o u t j m v e s i , c s ) o s ) 图1 0 脱碳反应机理示意固 f i g 1 0s k e t c hm a po f d e c a r b u r a z i t i o nm e c h a n i s m w ( d c l ，西) = q ( c r c l ) ( 1 8 ) w ( d o l a r t ) = 9 ( q q ) ( 1 9 ) “扣p d r ) = q ( c l c y ) 一a k c p ( c r - c s ) ( 2 0 ) - 1 3 河北理工大学硬士学位论文 w ( d o e 西) = q ( 0 i d r ) 一a k c p ( o z o s ) ，一( 2 1 ) a k c p ( c r c s ) m c = a k o p ( o v o s ) m o ( 2 2 ) l o g 1 0 8 g q 足口+ = 一( 1 1 6 0 t + 2 0 0 3 ) 【l s 】( 2 3 ) 式中： 驴一r h 处理钢水重量，f ； 驴一真空室中钢水重量，； c _ 钢水中碳含量，1 0 4 ； d 一钢水中氧含量，l o 4 ； 口一环流量，t m i n ； 卜原子的摩尔质量，g m o f l ； p c d 气相中c o 分压与标准大气压的比； 口一钢水密度，t m 一； 口七一容积系数，代表真空室内碳或氧的传质速率，m 3 r a i n l ； 口一反应的有效面积，m 2 ； 卜物质传递系数，m m i n - 1 ； 下标l ，j ，v 分别代表钢包，反应界面，真空室。 1 1 4 2 动态模型 1 1 4 2 i m i n g s i a n g c h i a n g 等的模型1 1 6 1 该种模型通过对r h 真空脱碳过程的在线监测，建立动态数学预报模型。图1l 表示了r h 真空精炼过程在线监测操作系统。 圈1 1r h 在线终点控制系统示意图 f i g 11 r e a l - t h n er e f i n i n gg u i d a n c es y s t e mf o rr i dp r o c e s s - 1 4 1 文献综述 此系统通过测量废气中的c o 、c 0 2 、a r 、n 2 和0 2 的含量，根据他们之间的物 质守恒原则建立一系列方程。废气中的c o 、c 0 2 、a r 、n 2 和0 2 含量随着r h 处理 时间的变化而变化，这就使我们能够详细地观测到钢液真空室脱碳的反应情况当压 力达到2 0 0 p a 时，c o 反应开始；当压力为5 2 0 p a 时，c 0 反应速度迅速增加到 最大值，其次，废气中c o + c 0 2 含量也达到最大值，当c 0 强反应期过后，废气 中c o 和c 0 2 的含量减少，当把脱氧剂加入到钢液中，过1 6 m i n 后，废气中的c o 和c 0 2 含量减少到零。 系统中氮气和氩气的质量平衡，按式( 2 4 ) ，( 2 5 ) 计算： 鲰( r ) 2 ( t ) = 瓯，( 小c 7 8 1 级( f ) a r ( t ) = 如( f ) o 9 3 + q a ，( r ) 废气流量和钢液连续脱碳的计算如下： 绞( ，) = ( 仍，( ，) x 7 8 1 ) ( 加( f ) x 7 8 1 一2 ( f ) 0 9 3 ) d e c ( t ) = 七( c d ( f ) + c q ( ，) ) 级( f ) d t c ( t ) = ( c f w s l - d , c ( t ) ) w s l 式中： q 0 ( r ) 废气流量，l m i n ： 眈，( f ) 漏气量，m i n ； ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 眈，( r ) 提升气体氩气的流量，u m i n ； m ( f ) 废气中氮气的含量，： 彳，f r l 废气中氩气的含量，； d ( f ) 从废气中排出的碳的质量，锄 c o ( t ) 废气中的c o 含量，； c 0 2 ( t ) 废气中的c o s 含量，； 防时间间隔，r a i n ； k 常数； c ( t 1 钢液中的碳含量，1 0 4 ； e 铜液中的初始碳含量，1 0 4 ； 阡税钢液的重量，t 。 由于使用了r h 脱碳过程中的终点控制系统，大大地改善了达到目标含碳量的 命中率。对于i f ( 无间隙原子) 钢和电工钢来说，目标含碳量的命中率，已从 9 0 ：4 改善到接近l0 0 了。 - 1 5 - 河北理工大学硕士学位论文 1 2r h 真空精炼技术的发展 1 2 1r h 真空精炼技术的现状 近年来，随着冶金工业的迅速发展，对钢材质量的要求越来越高，而且纯净钢 的需求量不断增加，因而促进了r h 多功能精炼技术的迅速发展。道目前为止，r h 精炼技术已经由原来的单一的脱气净化转变为包含真空脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱 硫、温度补偿、均匀温度和成分等的多功能炉外精炼技术1 1 7 】。而且随着技术的进步 和精炼功能的扩展，在相当大的程度上r h 真空精炼工艺已成为低碳钢和超低碳钢 生产工艺路线必不可少的一部分【1 舯。目前，在现代化的钢厂中，多功能的r i - i 真空 精炼技术己成为一种不可或缺的炉外处理手段，它的应用为炼钢厂实现优质、低 耗、多品种、高效益奠定了可靠的基础。 1 2 2r i d 真空精炼技术发展趋势 r h 的精炼效率及冶金效果决定于以下基本工艺条件【1 9 】：( 1 ) 极限真空度与抽气 速率；( 2 ) 钢水的循环流量；( 3 ) 表观反应速度常数：( 4 ) 顶吹供氧强度和枪位控制。 为了进一步提高r h 的精炼效率，扩大处理能力，近几年国际r h 精炼技术的发 展趋势是：提高真空泵的抽气能力，使r h 达到极限真空度( 6 6 7 p a ) 的抽气时间缩 短至l j 2 m i m 进一步提高钢水的循环流量q ，大量的实验证明，钢水循环流量决定于