AOD冶金物理化学原理和计算机程序概述.pdf

太t技术导报 1 9 9 0 4 A O D 冶金物理化学原理和计算机程序概述 太原重机厂锻冶处 折宽伟 摘要 本文用 冶金物理化学原理对AOD 冶 炼 不锈钢过程的一些规律进行 了分 析 并对描 述A OD吹氧脱碳过程的计算机程序 进行 了 简析 一 前言 不锈钢冶炼中的 个技术关键就是 既要 把碳含量降到很低 0 1 0 以下 又不使 铬烧损过多 为此目的人们做了大量工作 从 早 期 的矿 石 氧化 脱碳 法 不锈 钢 返 回吹氧 法到最近的炉外精炼技术 发明了不少 冶炼 方法 美国联 合 碳 化 物 公 司 的 Kr i y s k y 于1 9 5 4 年提出了稀释 气 体 脱 碳法 即AOD法 这是一种 比较简单而 又 经 济 的生 产低 碳铬 钢 的方 法 它是 依 靠吹入惰性气体氩来降低熔池 中的一氧 化碳分压 以达到脱碳的目的 近二十年 来 AOD法以其独特的 优 点获得了迅 速发展 在许多工业发达国家如美国 日本 英 国等都建有AOD炉 其 中 到 目前为止最大容量的是美 国 Ar mc o公 司 的 1 7 5 吨AOD炉 热加工性 可焊性 以及防止一些常见的不锈 钢冶金缺陷 在冶炼过程中 必须保持较高 的铬 含量 最大限度地使钢液脱碳 AOD法 冶炼不锈钢过程 中 吹入熔 池 内的氧气与碳 铬 锰 硅 铁等元素发生 下列反应 C O CO g 1 3 Cr 4 O3 Cr 3 O 2 Si 2 O S i O2 3 Mn O Mn O 4 F e 3 O3 一 Fe O 5 各反应的 G 一一T关系见图 l re 一 6 r 1 0 1 一 兰一8 U l l 0 1 L 矿 一 二 z n d t n 1二 4 一 r一一 乙 t L f I B 一 J 0 0 l 干一 一 f c i I n 1 哼 2 一一 我厂于1 9 8 8 年从美国联合碳化物公司引 进了一台7 5 吨的AOD炉 其冶炼过程采用 了 电子计算机控制 二 冶金物理化学原理 为保证不锈钢具有优良的抗腐蚀性 冷 f g 9 7 凄f l 图 1 自由能一一温度关系图 由图 1知 在炼钢温度下 各元素 与氧 结合能力的大小顺序为碳 硅 铬 锰 铁 等 在吹炼初期 硅和碳的热力学 性 质 相 近 为了促进碳的氧化 就要创造条件抑制 硅的氧化 由于硅的氧化反应是放热反应 维普资讯 太重技术导报 1 9 9 0 4 3 5 通过限制开吹时的硅含量 既可使熔池不过 热 又可使碳含量迅速降低 同时还使炉渣 中的Si O 含量不过高 以免相应加入 过 多 的 石 灰 等造 渣 材料 因此A OD T 艺 上 要 求 入炉粗钢水的硅 含量不能过高 铬和 锰 与氧 的 结合 能力 相 当 在 不 锈钢 精炼 中 由于吹入一定量的惰性气体 抑制 了铬的大量氧化 而锰将氧化到较低 含量 因而入炉的锰含量也 不宜过高 不锈钢冶炼中的化学反应主要是碳和铬 之间的竞争氧化反应 由 1 2 式 可 得 4 cr 3 ot c cr 十co g 6 G 5 5 8 5 0 3 6 8 8 T 该反应的平衡常数为 由于高铬钢液吹氧 时 渣 中 Cr O 很快饱和 有固体 Cr 8 O 析出 可 以认 为8 C r J 1 所以上式可写为 K a 口 P口 根据化学反应的等温方程 式可知 G 一RTLa k 一 R TLn 8 8 式中的 T就是碳一一铬竞争氧化 的转化温度 熔池温度必须高于转化 温度 才能达到脱碳保铬 目的 在大气条件下冶炼不锈钢时 当钢液中 C 一O 3 5 O r 3一Z 8 Ni 一 9 时 由理论计算可得 T 转一1 6 2 2 这 就是说在冶炼不锈钢 时 当 碳 含 量 降 到 0 3 5 时 钢液温度必须高于1 6 2 2 才能一丘 吹氧时迅速地氧化掉碳而较少地氧化掉铬 随 着 碳 含量 的 降低 碳 铬 转化 温度逐 渐 升高 计算表明 当碳含量降到O 1 以 下 时 转 化温度将超过1 8 0 0 一般 炉衬材料承受不 了这 么高 的 温度 我 们 知道 一定 温度下 的 平衡 常 数是 定 值 由 T 式可 知 要 想保持 铬 含量 不变 而使碳 含量降低 必须相应降低Pc o 利 用 抽真空原理可 以达到这个 目的 但其设备投 资较AOD法昂贵 AOD法是 以惰性气体作 稀释剂 在大气条件下 同氧气混合 吹炼 以降 低PC O 从而使碳含量降到很低 混合吹炼 时 氧气与惰性气体 比 例 不 同 相应的碳一一铬转化温度 也 不 同 例 如 熔池中 c 一O 3 5 C r 1 8 Ni 一9 当O2 Ar 一3 1时 由 理论计算可得T 转 一i 6 0 2 当 O 2 Ar 一 1 1时 T转 一1 5 7 1 当O 2 Ar l 时 T转 一1 5 1 1 惰性气体所 占 比 例 越 高 碳一一铬转化 温度越 低 所 以 一 般 AOD过程中 既不使熔池温度过高 又 不 使铬烧损过多 通常采用分阶段逐步增加惰 性气 体 比例 的工艺 进 行 吹炼 氧气脱碳的效率可以 用 脱 碳 利 用 率 CRE 来表示 如果混合气体中的 氧 气 完全用于脱碳 而不用于氧化硅 锰 铬 铁等元素 则C RE一1 0 0 如果吹入的氧 气有一部分用于氧化 硅 锰 铬 铁 等 元 素 则C RE9 0 当碳氧化No 5 时 熔池温度升到l Z O o 而C RE 仍在9 0 左右 为防止耐火材 料 大 毒 维普资讯 3 6 太t技术导报 1 9 9 0 4 一 f o f 一 f l 一 r 1 7 J 龟 I 一 图 2 脱碳率一一温度关系图 基熔蚀 一般熔池温度不得长时间超 过1 7 0 0 随碳含量的继 续 降 低 C RE值迅速下降 脱碳速度减慢 因 此当 C O 5 以后 应改变 氧 气 和惰性气体比例以提高脱碳效率 在不同的氧气和惰性气体比例条 件下 脱碳率与碳含量的关 系 见 图 3 3 一 好氧气与稀释气体的混合比 当 C r 1 8 Ni 一9 时 熔池中不同O Ar条件 下碳 含量与温度的关系见图 4 由图 4可知 当氧气和惰性气 体 比例一定 时 随碳含量的逐渐降低 熔池 温度逐渐升高 一般在吹炼过程 中 熔池实际温度要比平衡 温度高一 些 以加快脱碳反应速度 如 果熔池温 度过高 过多的热量必然会引起其它 川 J b l l I 仉 J Iy J 亭 一一 一 二 一 f 7 一 一 v 一 7 7 f 荟 田 髓 图 3 脱碳率一一含碳量关 系图 由图 3 知 当碳降到0 5 以 下 时 随 惰性气体比例 的增加 CRE值相应 增 加 将O2 Ar 调整为 1 1 则可使CRE值保 持在9 O 以上 直至碳降到0 3 当碳 降 到O 3 以下时 将O2 Ar 调整 为 1 4 可使C RE 值继续保持在9 O 以上 由 此 可 见 要达到较高的C RE值 重要的是 控 制 6 1 8 2 2 2 譬 莨 c o o 图 4 温度一一碳含量关 系图 元素和炉衬材料的烧损 因而需加一 定量的冷却剂降低炉温 如果冷却剂 加入过多 使熔池热量不足 则此时 的状态不利于进一步脱碳 并有增碳 的趋 势 因此要控制冷却剂的加入量 和加入速度 总之 在I AOD过程中 通过合 理选择人炉熔体成分 开吹温度 吹 炼步骤 氧气与惰性气体比以及对温 度 的控制 创造碳优先氧化 的热力学与动力 学条件 能够很好地达到脱碳保铬 目的 三 计算机程 序简介 加 入AOD炉 内的 炉 料全 部是 熔 融 的 在熔池底部吹入一定压力 一定速度的氧气 和惰性气体混合物 气流对钢液有剧烈的搅 拌作用 氧气可 以充分利用 因而为精炼创 造了良好的热力学 与动力学条件 可 以认为 I 1 n 2 繁 阳 印 蚰 扣 的 m t 维普资讯 太t技术导报 1 9 9 O 4 AOD炉是一种 比较理想的冶金反应 容 器 通过建立适 当的数学模型 炉中熔体随时 间 变化的参数如化学成分 温度等可 以计算出 来 生成 的渣量和钢水重量也可 以求出 美国联合碳化物公司的研究人员根据冶 金物理化学原理和大量的试验数据 建立了 A OD吹 氧 脱碳 过程 的物 料 平衡 模 型 热 量 平衡 模 型 热 力 学 平衡 以及 氧化 动 力 学 模 型 用FORTRAN语 言编制了 计 算 机 程 序 用这些程序可 以模拟AOD操作过程 并将 操作 的结 果如 温度 元素 含量 随 时 间变 化的情况打印出来 由于借助了 电 子 计 算 机 可 以在几分 钟内完成吹氧脱碳 过 程 计 算 这也就是说 AOD模型计算机程序是一 廉价的 冶金反应器 研究人员根据实 际 情 况给它输入一些参数 它在几分钟内就可 以 l 反应 完毕 并把结果打 印出来 供研 究 或 操作 参考 AOD过 程 是一 复 杂 的 动态 过 程 如 何 用静态 的数学模型来描述 这一过程 计算机 程序中取一定的时间间隔进行计算 然后根 据计算结果判断 温度和碳 含量是否 达 到 要 求 若未达到要求 则以计算结果作初始条 件进行下一个时间间隔的计算 若 达 到 要 求 则改变工艺条件继续进行计算 直至达 到最终要求 计算步骤如下 炉温度 人炉成分 各阶段末的温度 碳 含 量 氧气 氩气流量 如需加废钢冷却 述 要 输入 废 钢成 分 及 冷 却 效率 2 根 据输 入 的 数据 进 行 热力学 平衡 计 算 求出各元素的 消耗量 3 进行物料平衡和热量平衡计算 4 由计算结果判断是否需加冷却物 若需加冷却物 则将冷却效率考虑进去 对 温度和元素的含量重新核算 并将加入量打 印 出来 5 把计算出来的 温度和碳 含量与预先 设定的值相比较 未满足要求则继续进行计 算 若达到 要求那么自动换用下一阶段的参 量继续计算 6 当终 点 的碳 含量和 温度 满足 以后 将 时间 温度 元素 含量 气体用量 钢水 量 渣 量 以及 炉 渣 组成 打 印 出来 参考文献 I A THER MODYNA M I C M ODEL O F THE AOD P ROC ES S 内部 资 料 2 程 述 武 蔡 文娟 物 理 化 学 上 册 冶 金工 业 出版 社 1 9 8 2 P 2 2 2 3 徐 匡 迪 不 锈钢 精 炼 上 海科 学 技 术 出 版 社 1 9 8 5 PI 3 1 I 输入必要的数据 如钢液重量 人 l 一 一 一 一 上接第3 9 页 备替 代了过去的两台 高到了 9 k g mm 以上 巴氏合金的厚度由 由于 巴氏合金 浇咀支座设有 调 整 机 5 mm减小到 I 5 mm 从而大 大地降低了 构 操作人员可根据工艺要求和转速来选择 成本 巴氏合金液体的流速 油膜轴承高速离心浇铸机及其浇铸 艺 冷却水的流量可调 覆盖面积大 试验项 目 于 1 9 8 9 年 8月 2 0日由山西省机 械 电子工业厅组织了技术鉴定 鉴定认