（钢铁冶金专业论文）顶底复吹条件下vod钢包内流体流动的数值模拟.pdf

上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) 摘要 概要介绍了不锈钢v o d 精炼过程，分析和综述了有关该精炼过程的一些数学 模型和物理模拟的研究。基于气一液双流体( e u l e r i a n e u l e r i a n ) 模型和湍流的修正 肛模型，提出了纯底吹条件下v o d 钢包内流体流动一个新的三维数学模型，确定 了模型的有关参数。应用该模型对宝钢集团不锈钢分公司1 2 0tv o d 钢包纯底吹的 精炼过程，对单孔及多孔底吹氩条件下钢包熔池内流体的流场，湍动能分布及含 气率分布作了模拟和估计。考察了不同的底孔配置对纯底吹钢包内气体搅拌和流 体流动的影响。结果表明，基于气液双流体模型所提出的数学模型可以相当可靠 地模拟侧吹v o d 钢包熔池内流体的流动。气体从钢包底部侧壁经透气砖喷孔吹入 熔池后，在多股气流和液体的相互作用下，整个熔池流体处于活泼的搅拌和循环 运动状态，不存在明显的“死区”。本工作条件下采用n o 3 的单孔底吹的钢液流态， 速度和湍动能分布比采用n o 1 ( 或2 ) 的单孔底吹过程要均匀，搅拌效果要好； 采用n o 1 和3 作双孔底吹相应的钢液速度和湍动能分布比采用单孔和其他双孔底 吹都要均匀，搅拌效果都要好；采用n o 1 ，2 和3 底孔的三孔底吹过程相应的钢 液速度和湍动能分布最均匀，搅拌效果最好。适当增大底孔的偏心度和增加底孑l 数有利于改善底吹过程中钢液的流态和湍动能的分布，提高搅拌效果。 与纯顶吹条件下v o d 钢包熔池内的流体流动相比，项底复吹条件下v o d 钢 包熔池内钢液的流场当是底吹和顶吹气体射流共同作用下达到的综合效果。基于 这种考虑，同时提出和建立了纯顶吹条件下v o d 钢包熔池内流体流动的三维数 学模型，应用该模型对纯顶吹条件下1 2 0 t v o d 炉内流体的流动作了模拟和估计， 再将所得结果与纯底吹条件下得到的流场相叠加，由此得到了顶底复吹条件下 v o d 钢包熔池内钢液的流场。所得结果表明，顶底复吹条件下v o d 钢包内液体 的流场可以视为侧吹和顶吹气体射流共同作用下达到的综合效果。顶底复吹v o d 钢包熔池内流体的流动是在底吹气体射流的影响下由顶吹气体射流引起的，整个 熔池液体同样处于活跃的搅拌和运动之中，也不存在明显的“死区”。与纯顶吹过 程相比，同时作用于熔池的底吹气体射流并未改变熔池内气体搅拌和液体流动的 基本特征和规律。但是，底吹气体射流的存在使熔池内液体的局部流态发生明显 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) 的变化。在顶底复吹条件下，底孔位置的变化并不能显著改变熔池内气体搅拌和 液体流动的基本特征，也不会改变熔池内液相的湍动能分布的规律，在本工作的 条件下，经三孔底吹下的顶底复吹流场形态及湍动能的分布相对最为均匀。适当 增大底孔的偏心度和增加底孔数有利于改善顶底复吹过程中钢液的速度和湍动能 分布，提高搅拌效果。 关键词：不锈钢，v o d 精炼，顶底复吹过程，流体流动，数值模拟 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 1 a b s t r a c t t h ev a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ( v o d ) r e f i n i n gp r o c e s so fs t a i n l e s ss t e e lh a s b r i e f l yb e e ni n 仃o d u c e d s o m ea v a i l a b l es t u d i e si nt h el i t e r a t u r e o np h y s i c a la n d m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go ft h er e f i n i n gp r o c e s sh a v eb e e na n a l y z e da n dr e v i e w e d b a s e do nt h et w o f l u i d ( e u l e r i a n e u l e r i a n ) m o d e lf o rag a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wa n d t h em o d i f i e dk - em o d e lf o rt u r b u l e n tf l o w , at h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h ef l o wo ft h em o l t e ns t e e li nt h eb a t ho fv o dl a d l ed u r i n gt h es i m p l eb o t t o mb l o w i n g r e f i n i n gp r o c e s so fm o l t e n s t e e lh a sb e e np r o p o s e da n dd e v e l o p e d t h er e l a t e d p a r a m e t e r so ft h em o d e lh a v eb e e nd e t e r m i n e d t h ef l u i df l o wf i e l d sa n dt h et u r b u l e n t k i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o na n dg a sd i s t r i b u t i o no fl i q u i dp h a s e si na12 0tv o dl a d l e o ft h es t a i n l e s ss t e e lb r a n c h , b a o s t e e lc o ，l t d h a v eb e e ns i m u l a t e da n dp r e d i c t e d u s i n gt h i sm o d e lu n d e rt h e c o n d i t i o n so fb o t t o mb l o w i n gp r o c e s s e st h r o u g hs i n g l eh o l e a n dm u l t i p l eh o l e s t h ei n f l u e n c eo ft h eb o t t o mh o l e sc o n f i g u r a t i o no nt h ei m p a c to f g a ss t i r r i n ga n df l u i df l o ww a se x a m i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef l o wp a t t e r no f m o l t e ns t e e li nt h eb a t ho fv o dl a d l ed u r i n gt h es i m p l eb o t t o mb l o w i n gr e f i n i n g p r o c e s sc o u l db ew e l lm o d e l e db yt h i sm o d e lw h i c hp r o p o s e db a s e do nt h eg a s - l i q u i d t w o - f l u i dm o d e l t h el i q u i di nt h eb a t hu n d e r w e n tv i g o r o u ss t i r r i n ga n dc i r c u l a t o r y m o t i o nd u r i n gb o t t o mb l o w i n g ，a n dt h e r ew a sn oo b v i o u s “d e a dz o n e ”i nt h eb a t h u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ep r e s e n tw o r k ，t h ev e l o c i t ya n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y d i s t r i b u t i o n so ft h em o l t e ns t e e li nt h eb a t hu n d e rt h es i n g l eh o l eb o t t o mb l o w i n g p r o c e s st h r o u g ht h en o 3w e r em o r eu n i f o r mt h a nt h a tt h r o u g hn o 1 ( o rn o 2 ) ，a n d t h es t i r r i n ge f f e c t i v e n e s sw a sa l s ob e t t e r ；t h ev e l o c i t ya n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y d i s t r i b u t i o no ft h em o l t e ns t e e li nt h eb a t hf o rt h ed o u b l eh o l e sb o t t o mb l o w i n gp r o c e s s t h r o u g hn o 1a n d3w a sm o r eu n i f o r mt h a nt h a tt h r o u g ho t h e r sd o u b l eh o l e sb l o w i n g p r o c e s s ，a n dt h es t i r r i n ga n dm i x i n gr e s u l tw a sa l s ob e a e rt h a nt h a tt h r o u g ho t h e r s d o u b l eh o l e s ；t h es t i r r i n ga n dm i x i n gr e s u l to ft h r e eh o l e sb o t t o mb l o w i n gp r o c e s s t h r o u g hn o 1 ，2a n d3i st h eb e s t t h ef l u i df l o wa n dt h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y i i i 上海大学硕士学位论3 之( 2 0 0 8 ) d i s t r i b u t i o na n dt h e s t i r r i n g a n dm i x i n gr e s u l tw o u l db ei m p r o v e db ys u i t a b l y i n c r e a s i n gt h ee c c e n t r i c i t yo fb o t t o mh o l e sa n dt h en u m b e ro fb o t t o mh o l e c o m p a r e dw i t ht h es i t u a t i o ni nas i m p l et o pb l o w i n gv o dl a d l e ，u n d e rt h e c o n d i t i o n so ft h eb o t t o ma n dt o pc o m b i n e db l o w i n g ，t h ef l o wf i e l dh a dt h ed i f f e r e n t f e a t u r e s i nt h i sc a s e ，t h er e s u l ts h o u l db eac o m b i n e de f f e c to ft o pb l o w i n ga n db o t t o m b l o w i n g f r o mt h i sc o n s i d e r a t i o n , at h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h e f l o wo ft h em o l t e ns t e e li nt h ev o dl a d l eb a t hd u r i n gt h es i m p l et o pb l o w i n gr e f i n i n g p r o c e s sh a db e e np r o p o s e da n dd e v e l o p e d t h ef l o wf i e l da n dt h et u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g yo fl i q u i dp h a s ei nt h e12 0ts i m p l et o pb l o w i n gv o d l a d l ew a sc o m p u t e du s i n g t h i sm o d e l ，t h u s ，t h ef l o wf i e l do ft o pa n db o t t o mc o m b i n e db l o w i n gc o u l db eo b t a i n e d f r o mt h es u p c r p o s i t i o no ff l o wf i e l d so fs i m p l et o pb l o w i n ga n ds i m p l eb o t t o mb l o w i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l u i df l o wf i e l di nav o dl a d l eb a t hu n d e rt h ec o n d i t i o n s o ft h et o pa n db o t t o mc o m b i n e db l o w i n gw e r ct h ec o m b i n e de f f e c t i v e n e s so ft h et o p b l o w i n ga n dt h eb o t t o mb l o w i n g t h el i q u i df l o wi nt h eb a t ho ft h ev o d l a d l ew i t ht h e t o pa n db o t t o mc o m b i n e db l o w i n gw a sc a u s e db yt h eg a st o pb l o w i n gj e tu n d e rt h e i n f l u e n c eo ft h eg a sb o t t o mb l o w i n gj e t ，t h el i q u i di nt h eb a t hu n d e r w e n tv i g o r o u s s t i r r i n ga n dc i r c u l a t o r ym o t i o nd u r i n gt h eb l o w i n g ，a n dt h e r ew i l l sa l s on oo b v i o u s “d e a dz o n e ”i nt h eb a t h c o m p a r e d 、i mt h es i t u a t i o n si nas i m p l et o pb l o w i n gv o d l a d l e ，t h eg a ss t r e a m so fb o t t o mb l o w i n gm a d ee v i d e n t l yt h el o c a lf l o wf i e l dc h a n g e a l t h o u g hi td i dn o tc h a n g et h ee s s e n t i a lf e a t u r e so ft h eg a sa g i t a t i o na n df l u i df l o w t h e p o s i t i o nc h a n g eo fb o t t o mh o l e sc o u l dn e i t h e rc h a n g et h ee s s e n t i a lf e a t u r e so ft h eg a s s t i r r i n ga n df l u i df l o wo rt h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h el i q u i dp h a s e u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h et o pa n db o t t o mc o m b i n e db l o w i n gp r o c e s s u n d e rt h e c o n d i t i o no ft h ep r e s e n tw o r k , t h es t i r r i n ga n dm i x i n ge f f e c t i v i t yo ft h et o pa n db o t t o m c o m b i n e db l o w i n gp r o c e s st r o u g ht h r e eh o l e sw a st h eb e s t t h ev e l o c i t ya n dt h e t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h el i q u i ds t e e li nt h eb a t ha n dt h es t i r r i n ga n d m i x i n gr e s u l to ft h et o pa n db o t t o mc o m b i n e db l o w i n gp r o c e s sw o u l db ei m p r o v e db y p r o p e r l yi n c r e a s i n gt h ee c c e n t r i c i t yo f b o t t o mh o l e sa n dt h en u m b e ro f b o t t o m h o l e k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l ，v o dr e f i n i n g ，b o t t o ma n dt o pc o m b i n e db l o w i n gp r o c e s s ，h u i d f l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) 符号列表 无因次曳力系数 气体的热容0 k g k ) 气泡直径( m ) 光滑壁的粗糙系数，取值9 8 相间动量交换曳力系数( k g m 3 s ) 由剪切力所引起的湍动能的体积生成率( k g m s 3 ) 气泡穿过连续相时曳力作功所致的湍动能的生成率( ( k g m s b 湍动能( m 2 s 2 ) 马赫( m a r c h ) 数 气泡的n u s s c l t 数，n u 叩= h g d 口t 环境压力( p a ) 气泡的p 舢d t l 数p k = ( 旦笋) ， 底吹气体总量( n m 3 m ) 顶吹气体总量( n m 3 舢 相体积分数 气体常数( j k g k ) r e y n o l d s 数 气泡r e y n 。m s 数，k 船= t u a d a 单位体积相间动量源( k g m 2 s 2 ) 气体在喷嘴处的入口速度( m s ) 相j 的速度矢量( m s ) 气液两相滑移( 相对) 速度( m s ) w e b e r 数 相间界面张力( k g s 2 ) 。o 如e 如g瓯七 必 c 5 j g r 跏陆 眠 y 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) r r n 、l r 朋 - 6 劈 嘞 诉、a ： k 毛y ，： “，v ，w 下标 l n 与湍流涡粘度朋相关的相扩散系数o c g m s ) 湍动能和湍动能耗散率的有效扩散系数( k g m s ) 湍动能耗散率( m 2 s 3 ) v o nk a l m a l l 常数，取值0 4 1 有效粘度( k g m s ) 液相的( 层流) 粘度c k g m s ) 湍流涡粘度0 c g m - s 1 相密度( k g m 3 ) 弥散相p r a n d t l 数 与k 、嘲应的s c h m i d t 数 壁面处摩擦力( 1 ( g m s 2 ) 直角坐标，m 毛y ，z 轴方向的速度分量 相，户1 、2 分别为气相和液相 气体的标准态 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人己发表或撰写过的研 究成果。参与同一工作的其他向志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：交硅日期：型：丝皇车 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：婢日期：丝丝苤聋 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 1 第一章v o d 精炼工艺概述 v o d 精炼法是真空吹氧精炼法( v a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 的简称， 系由联邦德国魏登特殊钢厂( e d e l s t a h l w e r k ) 和标准迈索公司( s t a n d a r dm e s s o ) 研制成功，并于1 9 6 5 年将其工业化，因此也称之为魏登( w i t t e n ) 法。其后西德、 日本等国家先后开始引进v o d 炉，我国在9 0 年代不少钢厂相继引进v o d 炉， 用于生产不锈钢。这些设备基本上汇集了有关国家同类设备的优点：真空、吹氩 搅拌及钢液净化、炉外精炼等功能，一定程度上满足了对高质量不锈钢生产的要 求。 v o d 精炼过程是利用真空系统降低c o 的分压，并在真空下进行吹氧脱碳， 同时在底部吹入氩气以加速钢液的循环流动，从而可把钢中的碳降得更低的精炼 方法，其主要目的是脱碳保铬、成分微调优化、提高冶金质量。 现有的不锈钢的精炼流程中最重要的精炼方法是a o d 法和v o d 法。v o d 法和a o d 法几乎是同时投入工业性应用的。自1 9 7 3 年以后，a o d 法发展迅速， 而v o d 法则相对发展迟缓，究其原因，是a o d 法原料适应性较强，投资及操作 费用较低廉。但近年来，随着超低碳、氮含量的超纯铁素体不锈钢的优异抗蚀性 能和加工性能逐渐被人们认识，v o d 精炼作为生产超纯铁素体不锈钢的手段，正 越来越受到广大冶金工作者的重视。 1 1 不锈钢的二步法和三步法精炼介绍 2 0 世纪7 0 年代以后，世界上界大多数的不锈钢生产企业都采用了初炼炉( 电 炉或转炉) + 复吹转炉( a o d 或其他形式的复吹转炉) 的二步法冶炼工艺路线。 根据精炼工艺的不同可以分为a o d 法、v o d 法等。 根据含铬钢水的特性，可以通过降低c o 气体的分压来达到脱碳保铬的目的， 所采用的方法一种是在真空装置中冶炼如v o d 法；另一种就是向钢液中吹入n 2 、 时等惰性气体稀释炉气中的c o 气体，如a o d 法。 电炉( 转炉) 和a o d 炉的二步法双联工艺流程为： 广 广 广 l 电炉熔化i _ 1a o d 氧化期i _ ia o d 还原精炼期i 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) 在二步法中的初炼炉( 电炉或转炉) 的主要作用是熔化钢液，并进行初步的 脱硫、脱磷和降碳。在a o d 的精炼过程中，主要是通过向钢液中吹入n 2 、时等 惰性气体稀释炉气中的c o 气体，降低其分压来达到降碳保铬的目的。 迄今为止，全世界大部分不锈钢是采用“二步法”生产的，但是二步法也存在 很多不足，如一次炉外精炼时间长，物料消耗高等。为克服“二步法”的不足，在 生产中逐步改进精炼工艺组合形成了( 电炉或转炉) 熔化炉料+ 复吹转炉( a o d 或其他形式的复吹转炉) 脱碳+ 真空吹氧精炼装置( v o d 炉) 深脱碳和脱气的 这种“三步法”冶炼新工艺。 最典型的“三步法”工艺是：初炼炉一a o d v o d ，a o d 与v o d 联合法其好处 十分的明显。这种联合法利用了a o d 和v o d 精炼各自的长处，即： ( 1 ) 要降低熔池中的氮，必须依靠脱碳时强烈沸腾和c o 气泡的载体作用，在 较高的初始碳含量下，进行高强度吹氧，引起钢液激烈翻腾和脱碳而使碳浓度迅 速降低。v o d 精炼无法满足这一要求，所以这一阶段在a o d 炉中进行为宜。 ( 2 ) 由于a o d 吹炼时，钢中初始含碳量较高，故其降碳、氮速率远比v o d 精炼要高。但在低碳范围内c o 反应速率显著降低，由于a o d 炉在大气下运行，高 的氮分压会使钢液吸氮。这显然于脱氮是不利。 ( 3 ) 第二阶段转入v o d 炉内进行，对提高脱碳效率有利。一般衡量脱碳效率 是用还原时所使用的还原剂数量来表示的。当 c + n 要求为0 0 2m a s s ，a o d 用于 还原的s i 约为1 5k g t ，而联合法只需4k g t 【1 1 。 a o d + v o d 双联法虽然从整体上说其操作工艺复杂了不少，但是其中最大的 好处就是： ( 1 ) 可以在很大程度上减轻初炼炉的负荷； ( 2 ) 与初炼炉+ a o d 精炼的二步法相比可以大大降低氩气的消耗，反而能够 降低操作的成本。 ( 3 ) 适应性较强，对于进入a o d 炉的钢液成分要求可予进一步降低。 为提高产品质量，增加原料选择灵活性，减少耐火材料、氢气、能耗和改善 总的生产效率，德国m a n n e s m a nd e m a g 公司开发了新的三步法不锈钢冶炼工艺， 即超高功率偏心炉底出钢电炉( e f ) + 转炉( b o f ) + 真空脱气炉( v o d ) ，该工 艺流程见示意图。它结合了e f + v o d 及e f + a o d 之优点，不足之处是因设各增 多而造成了操作管理上的复杂性与难度增加。 2 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) 从长远发展来看，由于三步法的适应性强，精炼后的钢种质量优越，就对不 锈钢的质量要求越来越高的社会发展需求而言，三步法将逐渐成为冶炼超低碳氮 铁素体不锈钢的主导工艺。 1 2v o d 过程的特点 图1 1 所示为v o d 精炼装置示意图，v o d 炉的主体是一真空罐，主要操作 是将盛有经预脱碳钢液的钢包吊入真空罐，封闭抽真空，在一定的真空度下进行 精炼。 用v o d 法生产 c + n 1 5 0 x 1 0 4 m a l s s 的超低碳氮不锈钢，国外早有报道，如 日本川崎公t 2 1 采用电炉( e f ) + v o d 炉工艺，在电炉中强吹氧，在可从底部通 入舡进行强搅拌的v o d ( s s v o d ) 炉中进行精炼，可以达到 c + n 冬1 0 0 1 0 4m a s s 的水平，只是电炉的负荷相应加重。 空室 图1 1v o d 精炼装置示惹图 总体而言，v o d 精炼的主要特点如下： ( 1 ) 降碳保铬的效果好，通过控制真空度，可在c r 几乎不被氧化的情况下 脱碳，且脱碳后用于还原渣中的c r 2 0 3 的还原剂用量少； ( 2 ) 由于是在置于真空中的钢包内精炼，精炼过程中钢液不会吸氮，适合冶 炼超低c 、n 不锈钢； 3 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) ( 3 ) 脱氧效果好，脱硫效果较差，生产率较低。 与a o d 精炼相比较，两种方法各有优劣，但两者同为最重要的不锈钢精炼 方法。表1 2 给出了两者的比较。 表1 - 2a o d 法和v o d 法精炼特性比较嘲 项目a o d 炉v o d 炉 钢水条件 成分控制 温度控制 脱氧 脱硫 脱气 铬回收率 精炼时间 操作费用 设备费 生产率 【c 】_ 0 5 1 8m a s s ；【c 】= o 3 - 0 5m a s s ； 【s i = 0 5m a s s 【s i 】锄3m a s s 大气下操作，控制方便 真空下间接控制 用吹气比例及加冷却剂控制 真空下控制较为困难 o = ( 4 0 - 8 0 ) 1 0 4m a s s o = ( 3 0 - - - 6 0 ) x1 0 4m a s s i s o o l o 0 0 5m a s s i s o 0 1m a s s h 5 x 1 0 4m a s s ； n 3 0 0 x 1 0 4 h 5 x 1 0 4 m a s s ； m a s s 9 7m a s s - - 一9 9m a s s 7 0 - - - 9 9m i n 用心气量较大 a o d 比v o d 便宜1 2 a o d 大约是v o d 的1 5 倍 i n 3 0 0 1 0 4m a s s 9 7m a s s - - 一9 9m a s s 4 5 - 7 0r a i n 真空下用相当于1 0m a s s 的a o d 的 a r 气量 较高 较低 1 3 v o d 精炼过程热力学 1 3 1 脱碳热力学 在不锈钢的v o d 精炼过程中，涉及一系列精炼反应，包括碳、铬、硅、锰 等元素的竞争性氧化，氧化铬的还原( 脱氧精炼) ，脱硫和脱磷等，降碳保铬是其 最主要的目的。下面从热力学角度对v o d 精炼过程作简要分析。 吹入钢液的氧气与溶于钢液的碳的反应为： c 】+ 【o 】= c o ( 曲( 1 一1 ) 4 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) d l g _ 堕= 2 5 2 5 t + 1 4 3 4 , 5 1 a r c l q 0 1 溶于钢液的其它元素( 如c r 、s i 、m n ) 也会与0 2 发生反应，在精炼过程中， 始终存在c 、c r 、s i 、m n 等的竞争性氧化( 在氧化精炼后期，主要是c 和c r 的竞 争性氧化) 。铬的氧化反应为： 2 c r + 3 0 】= c r 2 0 3 ( s )( 1 2 ) 1 9t 二丁- - 4 2 9 8 5 t 一18 7 6 8 【6 】 口函口面 碳和铬的竞争性氧化可表示为： 3 c 】+ c r 2 0 3 ( s ) = 2 c r + 3 c o ( 1 3 ) l g 毕2 3 ：- 3 5 4 1 0 t + 2 3 0 5 8 口而 不锈钢冶炼的关键是脱碳保铬，也就是 在冶炼时避免发生反应( 1 2 ) ，造成铬的烧损。 同时尽可能营造特定的氛围使反应( 1 3 ) 向右 进行。对此，可以采取两个途径：降低r o 和提高熔池温度。对于后者，应在耐火材料 允许的条件下灵活运用。 图1 2 所示为不同温度和c o 分压下钢液 内碳和铬的平衡关系。可以看到，在给定的 c o 分压下，要实现降碳保铬，应提高熔池温 度：当熔池温度不允许再升高时，降低c o 分压可以使反应( 1 3 ) 向右进行，促使钢液进 一步脱碳，此即a o d 、v o d 等精炼工艺的 热力学依据。 1 3 2v o d 过程的脱气 罨 銎 乓 冬 蓬 1 5 0 0 k 烈。 p - 0 】 妫 。 ， 。 ，一 乡 _ ， ，一 真空炼钢过程中产生的c o 气泡，对溶解在钢液中的氮、氢来说，相当于真 空，因此，v o d 精炼过程中产生的c o 气泡的同时，也在一定程度上脱去了氮、 5 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 1 氢等气体。 脱氮反应【7 】 脱氢反应【刀 in = 互in ： 培瓦：崦压：孥+ 1 2 5 q n 】 1 【h 】- l 2h ： k = l g 焦a = 竿+ 1 - 5 9 l m l 1 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) 由式( 2 9 ) 和( 2 1 1 ) 可以看出，提高真空度，强化真空下的碳氧反应，有利于 降低钢中氮和氢的含量。 1 3 3v o d 过程的脱氧 虽然高温下不锈钢钢液中的碳优先于铬氧化，但在高铬情况下，部分铬也必 然会被氧化，渣中氧化铬含量还是相当高的，必须使富铬渣脱氧以回收其中的铬， 同时使钢中的氧含量也得以降低。在真空条件下用氩气搅拌钢液可以促使非金属 夹杂物上浮，显著提高钢液的纯净度。在还原富铬渣时，常用的还原剂为硅和铝， 有关反应式为8 】： 3 s i 】+ 2 ( c r 2 0 3 ) = 3 ( s i 0 2 ) + 4 c r 】 ( 2 - 1 2 ) g 警= 挲1 一o 7 9 ( 2 - 1 3 ) 唪i 1 2 a i + 3 ( c r 2 0 3 ) = a 1 2 0 3 + 2 c r 】 ( 2 1 4 ) l g 华：2 2 0 4 0 - 2 6 3 ( 2 - 1 5)t 1 1 3 4v o d 过程的脱硫 硫也是不锈钢中的有害元素，过高的含硫量也会诱发不锈钢的热脆，直接影 响其抗蚀性、焊接过程中的热裂倾向、热加工性及机械性能。因此，应力求降低 其硫含量。脱硫反应可以下式表示【9 】： 6 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 ) ( c a o ) + 【s 】= ( c a s ) + 【o 】( 2 1 6 ) k 器= 1 1 4 8 l g 等- 0 5 5 3 1 1 + 1 9 衍2 9 8 5 肛1 3 8 7 ( 2 - 1 7 ) 由此可见，高温、高碱度( 提高m c a o ) ) 、低氧势( 降低a t o 和批m n o ) ) 对脱硫有利。 国内外普遍采用轻烧白云石造渣，既可吸热调温，又有利于脱硫。 1 4 v o d 精炼工艺过程 v o d 精炼工艺过程如图1 3 所示，整个流程可分为三个处理阶段。 钢包准备鬻 临界含接近终点 终点终点成 碳量碳含量碳含量 破真空分要求 图1 3v o d 精炼工艺过程 ( 1 ) 真空处理前期准备 将盛有经a o d 处理后钢液的钢包吊运置于真空罐中；进行必要的检测，测 温取样，检查初钢液成分是否符合v o d 精炼的要求。钢液温度不得低于1 5 5 0 。 待一切准备工作完毕即可进行抽真空。 ( 2 ) 真空精炼期 1 ) 主吹氧脱碳期：此阶段主要是通过l a v a l 顶枪大流量恒定吹氧，强行脱碳。 实际的精炼过程还可以分为主吹i 期与i i 期，将此阶段分成两个小阶段的依据是： 刚开吹时候向熔池中添加了一定量的硅铁，此时，吹入的氧气大约有7 0 7 5 m a s s 与硅反应对钢液进行化学升温，待硅氧化完后( 此时即主吹i 期与主吹 7 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 1 期的分界点) ，才主要与碳反应。 2 ) 动态吹氧脱碳期：此阶段从临界碳含量开始，为达到良好的脱碳保铬效果， 要求氧气流量随着碳含量的降低逐渐降低，同时逐渐提高真空度，动态地将碳脱 到较低的碳含量为止。在废气分析表中仔细观察一氧化碳，二氧化碳和氧气的含 量从而大致判断钢液中的碳含量，并在适当的时候停止吹氧。 3 ) 自由脱碳( v c d ) 期：停吹氧后即进入自由脱碳期，此阶段要求高真空 度并加强吹氩搅拌，让钢液中的自由氧和 c 继续发生反应进一步降碳。根据钢种 的不同，这一阶段的脱碳时间为8 1 5m i n 。 4 ) 还原期：在精炼过程中有部分铬和锰等元素会被氧化，在精炼后期必须加 入适量的硅铁进行脱氧，并大气量吹氩进行强搅拌，还需要添加c a o 等控制将炉 渣碱度控制在2 3 ，使利于脱氧和铬的回收，也利于脱硫。 ( 3 ) 大气处理 还原期结束，破真空即进入大气处理阶段，其主要的目的是微调成分，并使 温度达到出钢的要求。在出钢前还必须经过约1 0 - 1 5r a i n 的软搅拌，软搅拌以不 吹开渣面为宜。 1 5 v o d 精炼的效果 v o d 处理过程中，由于钢液和渣全部处在真空环境下，吹氩搅拌效果好，渣、 钢反应活跃，精炼为有渣真空精炼工艺，因此v o d 过程除具有很好的脱碳、脱氮、 脱氢、脱氧、脱硫功能外，还有去除夹杂物及夹杂物形态控制的功能，可以生产 纯净度要求很高的钢种。v o d 设有顶吹氧系统，可进行吹氧强制快速脱碳，同时 具有升温能力，处理较为灵活。采用l f v o d 的真空脱碳精炼工艺生产超低碳不锈 钢，成品碳即可达n o 0 2m a s s 到下，铬回收率达到9 9m a s s 以上【1 0 1 。实践证明， v o d 法在产品质量、品种、技术经济指标、操作技术要求等方面均优于常规的电 炉冶炼法和其他精炼方法。 1 ) 脱碳保铬 在电炉( 或转炉) 中熔化和初炼，使钢水含碳量( 约为0 4 一o 5m a s s ) 和 温度达到v o d 精炼的要求，将初脱碳后的钢液用v o d 法继续脱碳和还原精炼， 可使终点碳含量达到o 0 1m a s s 或更低。从总体铬的回收率看，v o d 炉一般在 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 1 9 8 以上，比电炉高8 左右【l l 】。 2 ) 脱氮 钢液在v o d 精炼过程中，由于长时间处于真空条件下，在加上长时间的搅 拌，因此脱氮效果比较明显。脱氮率会随着搅拌功率和脱碳速率的增大而提高。 在真空条件下冶炼，钢液的纯净度高，碳氮含量低，一般 c 】+ n 】 0 0 2m a s s 1 2 1 。 3 ) 脱氢 真空精炼过程中产生的c o 气泡和底吹形成的心气泡，对溶解在钢液中的氢 来说，相当于小的真空室，脱碳反应和氩气搅拌越强烈，越易于脱氢。经v o d 精炼后的钢液中，氢含量小于2 x 1 0 4m a s s 。 4 ) 脱氧和夹杂物 一般来说，v o d 产品的 o 】以及夹杂物含量比a o d 的稍低，钢中的终点【o 】 可降到3 0 x 1 0 4m o s s 【1 3 1 ，根据太钢的生产，残留夹杂物含量约在( o 0 0 7 0 - - 0 0 0 9 5 ) m o s s 的水平上。v o d 法去除钢中微量有害元素的效果确实很好，但依靠真空精 炼很难将高铬钢液中的s n 除去。 5 ) 脱硫 与a o d 工艺比较，v o d 在脱硫方面的优势不明显。主要原因在于，一是 a o d 精炼过程中所用渣系的硫容量较大，二是a o d 精炼过程中搅拌强度更大。 6 ) 提高生产效率和连铸比 当电弧炉与v o d 配合冶炼超低碳不锈钢时，可提高电炉生产率4 5 ，冶炼 一般不锈钢时，提高2 8 【1 2 】。采用a o d - - v o d 双联法生产超低碳氮不锈钢时， 不仅冶炼周期缩短，钢质量进一步提高，综合成本降低，而且改进了精炼和连铸 的衔接。 1 6v o d 过程的工艺改进和发展 v o d 法经改进后出现了s s v o d ( 强搅拌v o d 法) 和v o d p b ( v o d 喷粉 法) 1 4 】。 s s v o d 法 s s v o d 法是在吹炼的第l 阶段进行通常的v o d 操作，在【c 】郢o lm a s s 的第2 9 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 8 1 阶段提高真空度，吹氩进行强搅拌促进脱碳和脱氮的方、法【1 5 】。传统v o d 法的降碳、 氮效果均以0 0 0 5m a s s ( 甚至0 0 1m a s s ) 为界，而s s v o d 法采用多个包底透气 砖者是税4t o n i 不锈钢管吹氩，氩气流量可由4 0 1 5 0l m i n 增大到1 2 0 0 2 7 0 0l m i l l 。日本川崎西宫厂用5 0ts s v o d 设备精炼1 7m a s s c 献素不锈钢时，底吹氩 流量达1 0 0 0l m i n ( 常规v o d 为1 0 0 3 0 0l m i n ) ，生产出了【c + m c 3 m ， 以该模型计算了气体底吹水模型内流体的流场，并取得了较好的结果。但对 于气泡直径未作明确规定，且仅考虑了中心底吹过程。 3 1 2 朱苗勇等的数学模型 m 嘣斗7 斟 p f 2 9 3 7 7 一( 4 ) 2 1 l o o 吡( 4 ) ( 3 - 1 5 ) 名吲斛毗4 3 (