（钢铁冶金专业论文）rh处理过程钢包钢液流动行为与碳浓度分布模拟研究.pdf

摘要 摘要 在r h 精炼过程中，钢液流动状态直接影响钢液成分和温度的均匀性，对缩短 精炼时间，改善精炼效果起着十分重要的作用。目前，宝钢使用r h - m f b 工艺生产 i f 钢的技术在国内已处于领先水平，但是为了将该项技术更好地应用于超低碳钢的 生产，有必要对其精炼过程中的钢液流动与混合以及碳浓度分布情况进行研究。 以宝钢3 0 0 t r h m f b 精炼设备的钢包作为研究对象，从钢液循环流动角度出 发，利用c f x 软件建立r h m f b 精炼过程中钢液流动与混合的数学模型，讨论工 艺、设备等因素对钢液流动与混合的影响；以钢液流场模拟为基础，结合脱碳反应 机理，建立钢包碳浓度分布的数学模型，分析脱碳过程中钢液碳浓度的分布及其变 化情况以及工艺设备等因素对脱碳过程的影响。 钢液流场模拟结果表明，钢包内存在两个明显的回流区，一个是下降管到上升 管之间的回流区；另一个是下降管和钢包壁之问的回流区，该回流区靠近钢液面附 近区域的钢液速度较小。现有条件下，示踪剂在钢液的混匀对闻为2 5 5 s ，适当改变 工艺设备条件，如吹氩流量增大到4 0 0 0 n l m i n 1 、浸渍管直径增大到8 0 0 m m 都能在 一定程度上改善钢液流动性，混匀时间分别缩短2 5 s 和2 0 s ，但增大浸渍管浸入深度 对钢液混匀时间的影响不明显。碳浓度场的模拟结果表明，脱碳处理过程前 1 0 m i n ，钢液碳浓度降低最快，随着脱碳反应的进行，脱碳速率逐渐降低。虽然不同 时刻，钢包下降管出口下方的钢液碳浓度相对最低，下降管和钢包壁靠近钢液表面 区域的钢液碳浓度相对最高，但钢包各区域内的碳浓度都是逐渐降低的。钢液碳浓 度模拟结果与实测结果吻合较好，根据模拟结果可确定出取样点的合理位置。吹氩 流量增大到4 0 0 0 n l m i n ，浸渍管直径增大到8 0 0 m m 都可以一定程度上提高脱碳速 率，使钢包内平均碳浓度降至1 0 x1 0 6 的时间分别提前1 1 0 s 和1 0 0 s 。根据本研究结 果，3 0 0 t r h m f b 设备合理工艺参数是：吹氩流量为4 0 0 0 n l - m i n 1 ，浸渍管直径为 $ 0 0 m m ，循环流量可达到2 5 6 t m i n 1 ，钢液从下降管的流出速度可达到1 2 1 4 m s - ， 与原有条件相比可使钢包内平均碳浓度降至l o x1 0 4 的时间缩短2 0 5 s 图5 7 表5 参6 0 关键词：r h m f b ：数值模拟；流场；混匀时间；碳浓度分布 分类号：t f 7 6 9 4 河北理i = 大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h er hp r o c e s s ，c o m p o n e n ta n dt e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e la r ci n f l u e n c e db y c i r c u l a rf l o wo fm o l t e ns t e e ld i r e c t l y ，t h er e f i m n gt i m ea n dr e f i m n ge f f e c ta r ca l s o d e t e r m i n e db yi t 。a tp r e s e n t , t h et e c h n i q u eo fi fs t e e lp r o d u c t i o nu s i n gr h - m f bd e g a s s e r b e l o n g e dt ob a o s t e e li sa d v a n c c di nc o u n t r y b u ti no r d e rt ou s e t h et e c h n i q u ef o ru l t r a - l o w - c a r b o ns t e e lp r o d u c t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ef l o w i n ga n dm i x i n go f m o l t e ns t e e l a n dc a r b o nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nl a d l ed u r i n gr h - m f bv a c u u md e g a s s i n gp r o c e s s t h e3 0 0 tl a d l eo fr hd e g a s s e ri st h o u g h ta st h es u b j e c ti n v e s t i g a t e d f r o mt h e v i e w p o i n to f c i r c u l a rf l o wo f m o l t e ns t e e l ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo nf l o w i n ga n dm i x i n go f m o l t e ns t e e li se s t a b l i s h e du s i n gt h ec o m m e r c i a lc f dc o d ec f x , a n dt h ei n f l 鹏n c eo f p r o c e s sa n de q m p m e n to nf l o w i n ga n dm i x i n go f m o l t e ns t e e li sd i s c u s s e d o nt h eb a s i so f f l o wf i e l da n dc o m b i n e dw i t ht h ed e e a r b u r i z a t i o nm e c h a n i s m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c a r b o nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i i se s t a b l i s h e dt o o t h ed i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no f c a r b o n c o n c e n t r a t i o nd u r i n gd e e a r b u r i z a t i o np r o c e s sa n dt h ei n f l u e n c eo fp r o c e s se q u i p m e n to n d e e a r b a r i z a t i o nr e a c t i o nr a t ea r e 枷a n a l y z e d t h er e s u l t so ff l o wf i e l di n d i c a t e st h a t ，t h e r ea r et w op r o m i n e n tc i r c u l a t i o nz o n e si n l a d e , o n ei sf o r m e db e t w e e nd o w n l e ga n da p l e g , t h eo t h e r i sf o r m e db e f w c e n d o w n l e g a n d l a d l ew a l l n e a rm o l t e ns t e e ls u r f a c ei nt h es e c o n dc i r c u l a t i o nz o n e ，t h ev e l o c i t yo f m o l t e n s t e e li ss m a l l e r u n d e rt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n , t h em i x i n gt i m eo f t r a c e ri s2 5 5 s w h e nt h e p r o c e s se q u i p m e n tc o n d i t i o nw a sc h a n g e d , s u c ha sa r g o nb l o w i n gf l u x i si n c r e a s e dt o 4 0 0 0 n l m i l l 。d i a m e t e ro fs n o r k e li si n c r e a s e dt o8 0 0 r a m , w h i c h 啪i m p m v et h ef l o w f i e l do fm o l t e ns t e e li nl a d l eg r e a t l y ，t h em i x i n gt i m ec a nh er e d u c e d2 5 sa n d2 0 s r e s p e c t i v e l y b u tt h ei n c r e a s i n go fs n o r k e li m m e r s i o nd e p t hd o e s n th e l pt or e d u c et h e m i x i n gt i m eo b v i o u s l y t h er e s u l t so f c a r b o nc o n c e n t r a t i o nf i e l di n d i c a t e st h a t ，a tt h eb e g i n 1 0m i n u t e so fd e c a r b u r i z a t i o np r o c e s s ，t h ec a r b o nc o n c e n t r a t i o no fm o l t e ns t e e ld e c r e a s e s f a s t a st h ep r o c e e d i n go fd e e a r b u r i z a t i o n , t h ed e c a r b u r i z a t i o nr e a c t i o nr a t eb e c o m e s s l o w e rg r a d u a l l y a l t h o u g hl i td i f f e r e n tt i m e , c a r b o nc o n c e n t r a t i o ni nt h er e g i o nn e a rt h e d o w n l e gi sl o w e s tr e l a t i v e l y , c a r b o nc o n c e n t r a t i o ni nt h er e g i o nb e t w e e nd o w n l e ga n d l a d l ew a l li s h i g h e s tr e l a t i v e l y ，t h ec a r b o nc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e sg r a d u a l l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew i t ht h em e a s u r e dv a l u ev e r yw e l l ，s ot h er a t i o n a ls a m p l i n g 一 a b s t r a c t l o c a t i o nc a l lb ed e t e r m i n e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s b yi n c r e a s i n gt h ea r g o nb l o w i n gf l u x t o4 0 0 0 n l r a i n - la n di n c m a s i n gm o r k 汜ld i a m e t c rt o8 0 0 m m , t h ed e c a r b u r i z a t i o nr e a c t i o n r a t ec a nb ei m p r o v e di ns o m ee x t e n t , a n dt h et i m eo fr e a c h i n gc a r b o nc o n c e n t r a t i o no f1 0 1 矿c a l lb er e d u c e dll o sa n d1 0 0 sr e s p e c t i v e l y s ot h er a t i o n a lp a r a m e t e r so f3 0 0 tr h - m f b e q u i p m e n ta 糖t h a t t h ea r g o nb l o w i n gf l u xi s4 0 0 0 n l m i n 1 a n ds n o r k e ld i a m e t e ri s 8 0 0 r a m ，w h i c hm a k e st h ec i r c u l a t i n gf l o wm t eo f m o l t e ns t e e lr e a c ht o2 5 6 t m i n 1 ，v e l o c i t y o fm o l t e ns t e e lf r o md o w n l e gr e a c ht o1 2 1 4m s a n dt h et i m eo fr e a c h i n gc a r b o n c o n c e n t r a t i o no f1 0x1 0 石b cr e d u c e d2 0 5 sc o m p a r e dw i t ht h ei n i t i a lc o n d i t i o n f i g u r e5 7 ，t a b l e5 ，r e f e r e n c e6 0 k e yw o r d s ：r h m f b ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f l o wf i e l d ，m i x i n gt i m e ，c a r b o n c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t f 7 6 9 4 i i i 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已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：瓤日期：2 竺净垒月生日 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) 繇璺氲_ 导师签名髀魄衅朔助 引言 引言 近年来，钢铁用户对钢材的质量要求随其应用技术的高度化、多样化而逐渐严 格，对钢产品纯净度的要求也越来越高，特副是汽车用板对钢的夹杂物和表面质量 要求更为严格。因此，我国钢铁工业在稳产的同时，应着重开发多品种、多附加值 的优质品种，而纯净钢炉外精炼技术的开发和研究应成为钢铁行业发展的重点。 r h 真空精炼法于1 9 5 9 年闯世于西德，最初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。经过近5 0 年的探索和开发， r h 真空精炼法逐渐发展成包含真空脱气脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、 均匀温度和成分等的多功能真空精炼技术。在现代炼钢工艺流程中，l m 真空处理 技术已经成为生产优质洁净钢，尤其是高级汽车面板l f 钢不可或缺的关键环节。 宝钢从9 0 年代初期着手研究开发纯净钢冶炼技术，前人已做了很多研究工作， 建立相关数学模型以期实现设计参数、工艺及控制的优化和开发新技术，在不同程 度上为理解、改进和发展r h 精炼技术做出了贡献。经过多年的研究和摸索，设备 和工艺条件不断完善，逐步形成一套纯净钢冶炼技术。目前，作为国内最大的r h 真空处理设备，已经配备m f b 多功能氧枪，可放宽转炉出钢条件，减轻转炉负担。 为更好地发挥r h - m f b 精炼技术的作用，缩短超低碳钢的脱碳时间和处理时闯有必 要对3 0 0 t r h m f b 精炼过程进行相关研究。 本课题以宝钢3 0 0 t r h m f b 精炼技术研究为立题依据，以精炼过程钢液的循环 流动作为研究基础，建立钢液流动与混合的数学模型，分析r h - m f b 处理过程中钢 液流动与混合的特点以及工艺设备因素对钢液流动与混合的影响。同时结合脱碳反 应原理，建立钢包内的碳浓度分布数学模型，对生产超低碳钢过程中钢包内的碳浓 度分布进行研究，确定合适的取样位置，分析工艺设备等因素对脱碳过程的影响。 通过以上数学模拟研究，为r h - m f b 精炼工艺的优化提供理论指导，以期达到 高效低耗生产、提高钢产品质量的目的。 河北理工大学硕士学位论文 l 文献综述 1 1r h 真空精炼技术的产生和发展 1 1 1r i - i 真空精炼技术的产生 1 9 5 7 年，由德国r u h r s t a h lh u t t e n w e r k ea g 公司和h e r a e u sa g 公司共同设计并 试验成功了世界上第一台工业生产用r h 真空脱气设备，于1 9 5 9 年，在德国蒂森公 司恒尼西钢厂建成投产并确立为r h 法【l l 。该技术于1 9 6 5 年正式进入我国。 r h 法又称真空循环脱气法 2 1 ，该法的基本原理是在真空室下部设有与其相通的 两根环流管，脱气处理时仅将环流管插入钢液，靠真空室抽真空后的压差使钢液由 浸渍管进入真空室，同时从两根环流管之一( 上升管) 吹入一定流量驱动气体( 通 常为氩气) ，利用气泡泵( 浮力作用) 原理抽引钢液流过真空室和下降管，从而产 生循环流动，并在真空室内脱除钢液内气体【3 , 4 1 。r h 真空脱气原理见图i 所示。 图lr h 真空脱气原理示意图 f i g 1a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f r hp r o c e s s 与其它脱气精炼方法相比，r h 真空脱气法具有如下优点【5 1 ： 1 脱气效果好。r h 真空处理过程中，真空室内部分钢液呈细小的液滴，增大 了钢液脱气表面积，有利于脱气进行，可使钢中【h 】降至1x1 0 4 3 1 0 4 。 2 处理周期短，降温小。处理过程中钢包内钢液表面有炉渣覆盖，保温效果 好，一般情况下处理后的温降仅为3 0 5 0 。 2 1 文献综述 3 适用于大量钢液的处理，生产能力大；并且适用范围较大，同一设备能处理 不同容量的钢液，也可以在电弧炉和感应炉内进行 由于r i d 真空精炼法具有上述优点，所以自其问世以来得到了不断的发展。 1 1 2i m 真空精炼技术的发展 r h 法的最初目的主要是去除钢液中的氢和非金属夹杂物。经过不断探索和开 发，各种r h 真空精炼法相继产生，逐渐发展成为具有真空脱气脱碳、吹氧脱碳、 喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分嘲等的多功能真空精炼技术，在炉外精炼技 术中占据了主导地位，目前全世界已有1 6 0 余台r h 精炼设备。 1 r i d 真空精炼技术的发展阶段 从时间上看，r h 真空精炼技术的发展大致可分为以下三个阶段忉； 1 ) 1 9 5 9 一1 9 6 9 年应用初期 r h 精炼技术自诞生起就引起世界钢铁行业的关注。1 9 6 3 年，第二台r i , i 装置 在日本新日铁制铁公司投产。应用初期，r h 精炼技术主要应用于钢液脱气处理。 2 ) 1 9 6 9 1 9 7 8 年发展期 伴随着转炉大型化的发展，r h 装置的容量不断增大。1 9 7 5 年，新日铁建造了 至今世界最大的r h 真空精炼设备( 3 4 0 t ) ，实现了l 潮真空精炼技术大型化。在 r h 真空精炼技术的发展过程中，其精炼功能也有所增加，由单一脱气处理向脱 碳、去除非金属夹杂物等多元化方向发展，精炼钢种的范围也得到了很大的扩展。 3 ) 1 9 8 0 一至今进一步发展和完善阶段 2 0 世纪8 0 年代，随着汽车工业对钢水质量的要求日益严格，r h 开始普遍与连 铸相配，从而形成了转炉铜液精炼一连铸的现代化工艺流程。这一时期，r h 在 技术水平上也获得了进一步的发展和完善，主要体现在以下几个方面【6 】： ( 1 ) 优化r h 工艺和设备参数，扩大处理能力； ( 2 ) 开发多功能r h 精炼工艺和设备； ( 3 ) 开发r h 热补偿和升温技术； ( 4 ) 完善r h 轻处理工艺、设备，实现钢液全量r h 处理。 2 r h 法的冶金效果 从r h 真空精炼法的发展看，存在两个显著的特点1 8 】：一是处理能力和范围的 充实和扩大；二是从处理一些特殊钢种到大批量处理一般钢种。因此，r h 法目前 可以达到很好的冶金效果1 2 , 9 1 ： 3 河北理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 脱氢：r h 真空精炼法早期用于脱氢，开始时能将钢液中的氢含量降至 0 0 0 0 1 5 以下。提高钢液循环速度，能使钢液中的氢含量降至o 0 0 0 1 以下。 ( 2 ) 脱碳：r h 真空精炼法具有较强的脱碳能力，能在较短的处理周期内将钢 液中的碳含量降至0 0 0 1 5 以下，从而实现超低碳钢的生产。 ( 3 ) 脱氧：r h 真空精炼后( 有渣精炼) ，钢液中的t 0 】o 0 0 2 ，l f 法与 其相配合后，能使钢液中的t 【o 】降至0 0 0 1 以下。 ( 4 ) 脱氮：r h 真空精炼法脱氮较困难，但在一定条件下( 强脱氧，大氩气 量，确保真空度) ，也能使钢液中的氮含量降至2 0 左右。 ( 5 ) 脱硫：向真空室添加脱硫剂，可使钢液中硫含量降至o 0 0 1 2 0 0 0 1 5 。若采用r h 内喷射法和r h p b 法，能保证稳定冶炼【s 】0 0 0 1 的钢。 ( 6 ) 添加钙：向真空室添加钙合金，其收得率可达1 6 ，钢中 c a i n - 0 0 0 1 。 ( 7 ) 成分控制；为改善碳、锰、硅等元素对低合金钢淬火均匀性的影响，向 r h 真空室内多次加入合金，可使钢液中碳、锰、硅的成分精度控制在o 0 1 5 。 ( 8 ) 升温：用r h - p t b 处理，转炉出钢温度降低2 6 3 ；r h o b 法加铝吹氧 提温，钢液最大升温速率达8 x 2 m i n 1 1 0 c m i l l ( 9 ) 均匀钢液温度、成分，去除夹杂物：使中间包钢液温度波动在5 。 3 多功能r h 精炼技术的发展 r h o 、r h - o b 、r h - k t b 、r h i j 、r h p t b 、r h m f b 等多功能精炼技术不断 产生，涉及到了真空条件下吹氧脱碳、喷粉处理以及吹氩等各种精炼手段。 1 ) r h o 真空吹氧技术1 1 0 l 1 9 6 9 年，德国蒂森钢铁公司恒尼西钢厂f r a a zj o s e f h a r m 博士等人开发了r h - o ( r h 顶吹氧) 技术，见图2 所示。该技术第一次用铜制水冷氧枪从真空式顶部向 真空室内钢液表面吹氧，进行强制脱碳，冶炼低碳不锈钢，缩短了冶炼周期，又降 低了脱碳过程中铬的氧化损失。在工业生产中，r t t o 技术存在：氧枪结瘤严重， 氧枪密封不良而使氧枪枪位无法调整的问题，因此，未能得到广泛应用和发展。 2 ) r h o b 真空吹氧技术【1 q 1 1 l 1 9 7 2 年，日本的新日铁室兰制铁所根据v o d 生产不锈钢原理，开发了r h o b 真空吹氧技术，即浸没式真空吹氧技术，见图3 所示。r h o b 是一种可以通过加铝 吹氧强制脱碳并达到升温效果的精炼方法。从真空室下部喷嘴向钢液吹入氧气，同 时向真空室内加铝，使钢液温度升高，升温速度最大可达8 c - m i n - l 1 0 c m i n i 。宝 钢和法国s o l l a cd u n k i r k 厂将r h o b 用于生产超低碳钢，在一定程度上缩短 4 1 文献综述 了r i d 脱碳处理时问。但该技术的缺点在于：r h 设备作业率较低，真空室内喷溅严 重，要求增加r h 真空泵的能力，因此，这些缺点阻碍了rh o b 技术进一步发展。 吹氧枪 图2 r h - o 法示意图 f i g 。2a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f r h - op i d 疆 3 ) r h - k t b 真空吹氧技术 1 l 1 3 】 图3 r h - o b 法示意图 f i f 3a b r i d g e dg e n e r 山v i e wo f r h - op c e 鲻 1 9 8 6 年，日本川崎制铁在r h 基础上开发了r h k t b ( k a w a s a k is t e e ln e wt o p o x y g e nb l o w i n g ) 真空吹氧技术，见图4 所示该技术是从r h 真空室项部插入可 垂直升降的水冷氧枪，由氧枪向真空室内钢液吹定量氧气和惰性气体，强化脱碳， 同时利用炉气中c o 的二次燃烧提供附加热量，以此来补偿精炼过程中温降。 r h - k t b 技术，不需热源即可补偿脱碳精炼中钢液温度损失，可降低转炉出钢 温度；不需延长精炼时间可获得高脱碳速率，可在较高出钢含碳量下生产超低碳 钢；降低了脱气终点的( t f e ) 和钢中【0 】；减轻了r h 真空室冷钢粘结程度；解决 了真空下r h o 氧枪动密封问题。因此，r h - i 订b 技术在迅速在世界范围内推广 4 ) r h m f b 技术1 1 0 , 1 4 1 1 9 9 2 年，日本新日铁公司广加厂开发了“r h 多功能喷嘴”真空顶吹精炼技术 ( m f b ，m u l t if u n c t i o nb u r n e r ) ，见图5 所示。该技术冶金功能与r i - i - k t b 技术相 接近，可实现在常压下加热真空室，在线处理过程中可喷吹铁矿石粉以加速脱碳， 可吹入一定量天然气使之燃烧达到加热钢液的目的，而其加铝吹氧升温的功能是通 过铝燃烧发热来加热钢液的。r h m f b 精炼技术的特点主要包括以下几个方面【l5 l ： ( 1 ) 由于m f b 具有强制脱碳的功能，可使转炉出钢碳含量提高。 s 河北理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 随着转炉出钢碳含量的提高，m f b 工艺顶吹0 2 可生成大量c o ，并且再 次氧化生成c 0 2 ，热量较常规r h 要高，有利于降低转炉出钢温度。 ( 3 ) 常压下加热真空室，加热过程操作方便，快捷，真空室保温效果好。 ( 4 ) 在线处理中加热钢液和耐火材料，可减少钢液处理过程中温降。 ( 5 ) 可进行吹氧加铝升温，从而避免了回炉钢水。 囝4 r h k t b 法示意图 f i g 4a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f r h - k t bp r o c e 5 ) r h 真空喷粉技术 图5 r h m f b 法示意图 f i g 5a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f r h - m f bp r o c e s s r h 真空喷粉技术主要包括：1 9 8 5 年，新日铁大分厂开发的能同时完成脱硫、 脱氢、脱碳，减少非金属夹杂物和调整成分的r h i j 法【1 】；1 9 8 7 年，日本新日铁名 古屋厂研制开发的r h - p b 法f 1 6 l ；1 9 9 4 年，日本住友金属工业公司和歌山厂研制开 发的r h p t b 法【1 7 1 。 1 2r h 真空精炼技术的相关研究 1 2 1r h 真空精炼过程有关参数的研究 1 循环流量 钢液循环流量是r h 精炼过程中最重要的操作和工艺参数，它决定着整个体系 内钢液的流动状态、混合特性和平均停留时间，进而决定着整个体系的传质特性、 精炼反应的速度和最终精炼效果，因此，对循环流量的研究始终是r h 精炼过程研 究中的基础工作之一，很多研究者【1 3 l 对此做过一定的研究和测定。 6 i 文献综述 裘l 钢液循环流量的计算公式 t a b l e lf o r m u l a so nc i r c u l a t i o nf l o wr a t eo f m o l t e ns t e e l 表1 给出了关于钢液循环流量的主要计算公式。总的来说，在r h 精炼装置 中，钢液循环流量与浸渍管内径、驱动气体吹入量、吹入方式、吹入深度以及真空 室真空度等因素有关，下面简要讨论以上因素对钢液循环流量的影响。 1 ) 浸渍管内径 浸渍管内径是影响钢液循环流量的一个重要因素。浸渍管内径增大，环流截面 积增大，钢液循环流动阻力减小，驱动气体的抽引效率提高，循环流量显著增大， 循环流量饱和值也相应增高。关于上升管和下降管内径各自对环流量的影响，不同 研究者的观点不同。对多根环流管进行的研究则认为，在多根环流管条件下，环流 量随吹气量的增大而增加，增大下降管的总横截面积对环流量的影响更大 k u w a b a r a l l 9 1 认为在相同条件下，采用椭圆形管径比同直径圆形管的环流量大。 2 ) 驱动气体吹气量 吹气量是影响环流量的又一个重要因素。所有研究结果都表明，气体流量增大 时，钢液循环流量也增大，但当气体流量增大到一定程度时，钢液循环流量会达到 饱和。吹气量对环流量增加变化率的影响，大致可分为三个区域： ( 1 ) 吹气量较小，气泡在上升管内均匀分散分布，钢液循环流量随吹气量的增 加而显著增加。 ( 2 ) 吹气量较大，气泡在上升管内分布稠密，气泡体积占据了较大比例，吹气 量增加，钢液循环流量增加的变化率较小。 ( 3 ) 吹气量很大，气泡体积所占的比例很大，尺寸增大，抽引效率降低，钢液 循环流量己达到饱和值，此时要进一步提高钢液循环流量，需要增大浸渍管内径。 3 ) 吹气方式 研究结果表明，相同环流管内径和吹气量的条件下，多孔吹入气体时的环流量 是单孔吹入的两倍。单孔吹入的气流达不到均匀分布状态，而多孔吹入的气体从各 - 7 河北理工大学硕士学位论文 个方向均匀进入，吹气管径的减小使气泡细化且在上升管内分布状态好，更有效地 发挥驱动气体的功效。h a n n a l 2 4 1 、k a t o 2 5 1 等研究表明，环流量随着吹气管个数的增 加而增大，但过多的吹气孔反而导致环流量下降，其原因就在于过多的孔口反而会 使气体出口动能下降，气流在钢液内穿透深度不足，致使气泡分布不均匀。 4 ) 吹气深度 吹入气体深度对钢液的环流量也有影响。表l 中给出的一些研究结果表明，环 流量与吹入气体深度h 的平方根成正比，但该规律有一定的适用范围。吹气深度过 小，会由于气泡行程过短，使环流量显著减小，而不可能与f 尼成比例。较大的吹 气深度，有利于气泡的分散和膨胀，使其作用于钢液的时闻和行程加长，从而更充 分地发挥驱动气体的抽引效率，增大环流量。 5 ) 真空度 在其它条件不变的情况下，真空室真空度的高低会影响真空室和钢包内钢液的 深度，使下降管的流速改变，必然影响环流量的变化。区铁1 2 2 在其他条件不变时得 出，环流量随真空度的提高而增大。插入管的插入深度和钢液粘度等对环流量影响 相对较小，一般可忽略不计，但对钢液的混匀时间具有一定的影响作用。 综上所述，增大驱动气体吹入量，扩大浸渍管内径，在条件许可情况下适当增 大吹气深度，选用合适的多孔吹气方式等，都可达到提高钢液循环流量的目的。 2 混匀时间 r h 精炼技术的一个重要功能就是对钢液进行良好的搅拌，使钢液的温度、成 分均匀化。衡量其搅拌效果的一个重要指标就是混匀时间，即f 。 混匀时间f _ 与比搅拌功率占有着密切的联系，由传输理论可以推得； f m 占一 的指数表示了混匀时问对其的依赖关系。从上式可以看出，混匀时间随着比 搅拌功率的增大而缩短。提高搅拌强度，即增大钢包内比搅拌功率是缩短混合时间 最直接最有效的措施。 n a k a n i s h i 等【2 6 】通过测定吹氩钢包、a s e a s k f 系统、r h 脱气装置的混合时 间，首次提出了混合时间与比搅拌功率之间的经验关系： 在r h 精炼过程中，钢包内钢液的搅拌主要源于下降管钢液流股的动能。 n a k a n i s h i 等导出r h 装置的比搅拌功率计算公式为： 占= 0 0 8 3 5 u 2q ，w 一8 1 文献综述 魏季和等2 3 2 7 l 在改变吹气量和浸渍管内径而其它条件不变的情况下，由水模型 实验数据，得到的混匀时间和比搅拌功率的关系为： 通过分析可知，影响比搅拌功率的主要因素是环流量和下降管内径。随着吹气 量么的增大，环流量提高，占交大，混合时间将缩短除比搅拌功率外，钢包几何 尺寸、实际的操作条件、搅拌能的输入模式等都会对r h 钢包内的混合过程产生很 大的影响。r h 装置混合时间的现场测定，一般使用放射性同位素示踪，示踪剂的 加入及监测位置，均会对测定结果产生很大影响，得到的关系式也会不一样。 1 2 2p x 精炼过程钢液流动与混合的数学模拟研究 r i - i 真空精炼过程是一个伴随着循环流动、气泡运动、混合、燃烧、渣一金反 应、脱碳、脱气等复杂的物理、化学反应的过程，其精炼过程的进行是通过真空室 与钢包之间钢液循环流动来实现的1 2 鄹，而钢液的流动行为直接影响i 啦的精炼能力 和效果。一般认为p i 处理时的脱碳反应发生在真空室内，但钢包内钢液的混合情 况对通过上升管流进真空室的钢液成分有很大的影响，从而对r h 精炼过程脱碳速 率产生巨大影响。因此，对l m 处理过程中钢液流动行为进行研究是十分必要的。 对r h 真空精炼装置中钢液流动现象进行研究一般采用物理模拟和数学模拟两 种方法。随着计算机硬、软件及计算流体力学的发展，冶金工作者更多地采用数学 模拟方法对r t t 系统中钢液的流动行为及其对脱碳速率的影响开展了深入的研究。 莨锄， 7 2 m “。1 嬲 - il 、 t 圈6 = 维模型流场计算结果 f i g 6f l o wf i e l du s i n gt w o - d i m e n s i o nm o d e l 图7 三维模型流场计算结果 f i g 7f l o wf i e l du s i n gt h r e e - d i m e n s i o nm o d e l 一9 |ii、- ，、-l， 河北理工大学硕士学位论文 1 9 8 3 年，s a e k e l y 等【2 9 】对r h 钢包内的钢液进行了二维数值模拟，得出了钢包 内主要存在两个循环区域的结论，认为在钢包内不存在死区，r h 装置是一个优良 的混合装置，但是在上升管和下降管之间存在“短路”现象。模拟结果见图6 所 示。由于实际r h 装置钢包内钢液流动是时均非轴对称的，因此。s z e k e l y 等采用二 维数学模型来描述三维实际流场情况，误差在所难免。 1 9 8 9 年，新日铁的t s u j i n o 等1 3 州开发了r i d 钢包内钢液三维流动的数学模 型，认为下降管和上升管之间不会产生旁路现象，两浸渍管中心距对该现象的产生 影响较小；当浸渍管的横截面积较小时，在钢液表面附近产生会一个停滞区，但通 过扩大浸渍管直径来增加循环流量的方法可以使钢包内钢液的混匀状况得到改善； 浸渍管横截面积的增加有利于增大脱碳速率等结论，模拟结果见图7 所示。 1 9 9 3 年，川崎制铁k a t o 等瞄l 开发了与改善钢包内钢液流动相关的r h 脱碳模 型，该模型得出了在相同参数条件下，计算得到的脱碳速率比完全混合流的要快， 比活塞流的要慢的结论。2 0 0 0 年，p a r k 等l 利用三维数学模型对r i d 整个装置内 钢液的流动状况进行了研究，通过水模型对计算结果进行了验证。 还有一些对r i d 装置内的钢液流场进行三维数值模拟的研究成果i 弘蚓。从模拟 的结果来看，r h 钢包内均不存在所谓的“短路”现象，钢液从下降管出来径直冲 向钢包底部，很少分散，然后沿钢包壁上升，在上升管下方存在一个较大的漩涡 在国内，陈义胜等1 3 5 1 开发了非轴对称圆柱坐标三维湍流流动程序，并用该程序 模拟计算了r h 真空精炼过程中钢包内钢液的流动过程。刘中兴等3 6 1 、贾斌等口刀均 建立了r h 真空精炼过程中钢液整体循环流动的湍流流动数学模型，给出了r h 真 空稽炼过程中钢液循环流动形态。韩海鹰等1 3 s l 根据上海宝钢r h 精炼装置的实际情 况，建立了三维流场模型，对r h 钢包内的钢液流场进行了研究，模型综合考虑了 钢液循环流量、浸渍管直径及浸入深度等因素对钢包内的钢液流的影响。 通过对r h 精炼过程钢液的循环流动建立各种数学模型，可以对r h 实际精炼 过程的了解更加深入，从而进一步指导实际生产操作。 1 2 3r h 精炼过程钢液碳浓度分布的数学模拟研究 在对r h 处理过程中钢包内钢液的流动行为进行研究的基础上，对钢液混合及 碳浓度的分布情况进行深入研究是十分必要的，尤其是对于超低碳钢生产显得更为 迫切。 1 0 i 文献综述 s z a t k o w s k i 等铡用三维湍流数学模型，研究了r h 精炼过程中钢液流场以及 钢包内钢液碳浓度分布，对照实验对模拟结果的正确性进行验证。k a t o 等瞄1 在给定 脱碳速率的情况下，应用质量传输方程模拟r i d 钢包内碳浓度的分布情况。数值模 拟结果发现：在钢包内，钢液循环区域碳浓度最大值是下降管下方碳浓度最小值的 2 倍；钢包内不存在影响脱碳速率“死区”；钢包形状对脱碳速率几乎没有影响等 结论，见图8 所示 图8 钢包主要截面碳浓度等僵线图( w = 3 0 0 t , 仔3 0 0 s ) f i 昏8c o “i o 哦o f c 盈t b o nc 糊t l r a t i o n a tm a i nc m s s - s e c t i o no f l a d l e p a r k 等【柏l 利用三维流体力学程序建立了r h 处理过程的脱碳模型，研究了钢 包底部到真空室熔池表面并通过上升管中心线的这一平面处在不同时刻的碳浓度分 布情况。a j m a n i 等鲫在直角坐标系下，利用n s 方程和组分浓度方程建立的数学 模型对r h 装置内的混合情况进行了研究。在下降管内钢液流出速度、浸渍管直径 及浸入深度不同的条件下，计算出了钢包内钢液的混匀时间和无量纲混匀时间相关 系数。利用数学模型得到的混匀时间对生产实际能够很好地进行预测。韩海鹰等郾j 对钢包内的钢液流动及其对脱碳的影响进行了研究，碳含量分布见图9 所示。朱苗 勇等1 4 1 , 4 2 1 在对r h 装置内钢液循环流动进行模拟的基础上，研究了r h 处理过程中 碳浓度的变化情况，并对脱碳反应的影响因素进行了分析，为工艺优化提供了依据 和指导。 河北理工大学硕士学位论文 横向位置，岫 横向位置，m ( a ) t - f 2 0 0 s( b ) t = - 1 4 9 5 s 图9 钢包内不同时刻钢液碳含量分布 f i g 9d i s t r i b u t i o no f c a r b o nc o n c e n t r a t i o ni nl a d l ea ld i f f e r e n tl i m e 1 2 ar h 真空精炼技术生产超低碳钢的研究 关于超低碳钢中碳含量的控制技术主要集中于三点：一是转炉终点【c 】控制；二 是r h 脱碳技术；三是防止r h 至连铸过程的增碳。其中r h 脱碳技术成为超低碳 钢冶炼的关键。为保证和稳定钢中较低的碳含量水平，在加强r h 处理精确控制方 面，提出了以下的措施： 1 严格控制前工序的碳、氧和温度水平； 2 精炼过程的前期进行吹氧，强制脱碳： 3 建立合理的工艺控制模型； 4 进行炉气在线分析、动态控制。 1 9 9 0 年1 2 月，宝钢第一炉超低碳钢- - i f 钢试验成功以来，已经形成了铁水预 处理一转炉吹炼- - r h 真空脱气一中间包冶金一保护浇铸一热轧一冷轧一退火一平 整，这一生产i f 钢的先进工艺流程。但在实际生产过程中，还存在r h 脱碳时间及 r h 处理时间较长的问题。鞍钢于2 0 0 1 年底进行了i f 钢的冶炼试验，r h 脱碳成为 限制环节，2 0 0 2 年立项研究，在试生产中逐步摸索出快速提高r t t 真空度、增大驱 动气体流量等深脱碳的方法，形成了r h 脱碳技术【4 3 l 。 国内外的许多学者从各方面研究了r h 生产超低碳钢这一生产工艺。杨秀等【1 3 】 对r h - k t b 工艺生产超低碳钢进行了研究，结合生产实验分析了顶吹氧、真空度及 环流量等因素对脱碳速度的影响，提出了生产碳含量为0 0 0 1 极低碳钢的相应措 1 2 1 文献综述 施。任