VD真空氧脱碳工艺- VD 精炼脱碳过程的工艺因素分析.pdf

第18卷第8期 2006年8月 钢 铁 研 究 学 报 Journal of Iron and Steel Research Vol 18 No 8 August 2006 作者简介 顾文兵 19682 男 大学本科 高级工程师 E2mail guwb 修订日期 2006202213 VD精 炼 脱 碳 过 程 的 工 艺 因 素 分 析 顾文兵1 黄宗泽2 尹小东2 1 宝山钢铁股份有限公司炼钢厂 上海200941 2 宝山钢铁股份有限公司技术中心 上海201900 摘 要 基于质量守恒 动量守恒和能量守恒原理 并结合脱碳动力学 建立了真空精炼 VD 处理过程中钢液流 动和脱碳过程相耦合的数学模型 用该模型模拟研究了各工艺因素对VD精炼脱碳过程的影响 模拟结果可为 VD精炼脱碳工艺的制定和优化提供指导依据 关键词 VD精炼 脱碳 数学模型 工艺因素 中图分类号 TF76914 文献标识码 A 文章编号 100120963 2006 0820019204 Analysis of Process Factors Affecting Decarburization in V acuum Degasser GU Wen2bing1 HUANG Zong2ze2 YIN Xiao2dong2 1 Baosteel Steelmaking Plant Shanghai 200941 China 2 Baosteel Technology Center Shanghai 201900 China Abstract Based on mass momentum and energy conservations and combined with decarburization kinetics a cou2 pled mathematical model describing the processes of molten steel flow and decarburization was built The effect of various process factors on decarburization process in VD was studied by the model and the optimizing decarburiza2 tion process in VD can be obtained Key words vacuum degasser decarburization mathematical model process factor VD装置是一种应用广泛的真空精炼设备 具 有良好的脱氢 脱氧 脱碳 脱氮和脱硫等功能 目 前 VD装置在高质量钢生产中发挥着重要的作用 在国内 VD处理常用于钢液脱氢和脱氮 实际上 VD处理过程同样具有良好的脱碳条件 国外已有 部分钢厂开始采用VD处理来生产极低碳或超低碳 钢 而且已获得了很好的处理效果 1 开发VD精 炼脱碳工艺 对扩大低碳或超低碳钢的生产能力 以 及拓宽产品范围都具有十分重要的意义 国内外许多学者已对真空脱碳理论进行过深入 的研究 并提出了多种数学模型 1 7 但对VD精炼 脱碳模型的研究还不多 笔者根据VD处理过程的 脱碳机理 建立了VD精炼脱碳过程的数学模型 并 通过此模型模拟研究了各工艺因素对VD处理过程 中钢液脱碳的影响 旨在为VD精炼脱碳工艺的制 定和优化提供指导 1 数学模型 111 基本假设 脱碳反应发生在气 液两相区的钢液2氩气泡 界面 熔池中钢液内部及钢液自由表面 假定气泡始终为球形 同一时间吹入的气泡 其运动过程和脱碳过程相同 112 氩气泡表面的脱碳模型 氩气泡经钢包底部透气砖吹入钢液 在钢液内 部形成局部的相对CO的气泡真空 气泡在上浮过 程中不断发生脱碳反应 氩气泡表面的脱碳反应可 用动力学关系式来表示 即 dwC G dt kC G C 3 C G 1 式中 dw C G dt 气泡表面脱碳速率 kg m2 s 钢液密度 kg m 3 kC G 碳从钢液向气泡表 面的传质系数 m s C 3 C G 钢液中的碳含量 和气泡表面的平衡碳含量 113 钢液内部CO气泡的脱碳模型 在熔池内部 当与钢液平衡的CO分压高于钢 液静压力时 钢液内部会自发生成CO气泡 形成 CO沸腾区 但形核的数量及分布无法定量计算 因 而只能从宏观上考虑 钢液内部CO气泡脱碳速率 与钢液中碳氧的过饱和度呈正比 即 dwC CO dt kV 10 4 KC2O C O pV 2 式中 dw C CO dt 钢液内部CO气泡脱碳速率 kg m 2 s kV CO气泡脱碳的容积系数 kg m2 s Pa KC2O 碳与氧的反应平衡常数 O 钢液中的氧含量 pV 真空室压力 Pa 114 钢液自由表面的脱碳模型 钢液自由表面的脱碳过程可用动力学关系式来 表示 即 dwC H dt kC H C H 3 C H 3 式中 dw C H dt 钢液自由表面的脱碳速率 kg m2 s kC H 碳从钢液向自由表面的传质系数 m s C H 3 C H 钢液表面的碳含量和平衡碳含 量 115 钢液流动和浓度场数学模型 钢液流动用连续方程和Navier2Stokes方程描 述 湍流采用k2 双方程模型 各方程的通用格式 如下 5 5t 5 5xi ui 5 5xi 5 5xi S 4 式中 某一输运量 ui 钢液在i方向的流动 速度 m s xi 坐标 对应各个方程的扩散 系数 气液两相区的含气率 采用Castillejos等人 8 的关系式来计算 计算钢液浓度场时 方程中的源项 S包括氩气泡脱碳 钢液内部CO气泡脱碳和钢液 自由表面脱碳3个部分 2 模拟分析及讨论 笔者利用建立的脱碳模型对150 t钢包在VD处 理过程中的脱碳情况进行了模拟 钢包直径为3 m 钢液深度为219 m 分别对不同工艺因素 吹氩制度 真空制度 初始碳含量和氧含量 等进行了模拟研 究 分析了各工艺因素对VD精炼脱碳过程的影响 211 吹氩制度 图1为吹氩量QAr对VD精炼脱碳过程的影响 可见 增加吹氩量可以在一定程度上提高VD精炼 脱碳速率 降低钢液的终点碳含量 C e 一方面 氩 气泡本身具有一定的脱碳能力 同时 吹氩的搅拌作 用能加速碳 氧由钢液侧向反应区域的传递 但在 VD处理初期 由于钢液中碳 氧含量较高 脱碳速 率较快 大量的CO气泡与氩气共同作用 会加剧熔 池的沸腾 如果吹氩量和真空度控制不当 容易造成 钢液喷溅或溢渣 因此 建议采用先低后高的吹氩 制度 这样既不会影响总的脱碳速率 又能降低终点 碳含量 212 真空制度 21211 真空度 图 2 a 给出了真空室压力对VD精炼脱碳过程 的影响 可见 真空室压力pV对VD精炼脱碳过程 的影响非常显著 一方面 真空度直接影响VD的脱 碳速率 真空度愈高 即真空室压力愈小 脱碳速率 愈快 另一方面 从碳2氧反应的热力学角度分析可 知 真空度也决定了VD处理后钢液的最终碳含量 当pV 2616 kPa时 钢液的碳氧积为01000 6 假设 钢液中氧含量为0104 则对应钢中的平衡碳含量 为01015 因此 要满足碳含量不超过01015 的 要求 就必须降低真空室压力 从图2 a 的模拟结 果可以看到 当pV 2616 kPa时 处理25 min后 钢液的最终碳含量只能达到01016 5 当pV 01133 kPa时 处理25 min后 钢液的最终碳含量可 以达到01003 4 显然 降低真空室的压力对VD 精炼脱碳是相当有利的 但是 真空度过高也容易 造成钢液喷溅或溢渣 因此 只有在工艺条件 炉渣 特性和钢液碳 氧含量等 及设备条件 钢包自由空间 图1 吹氩量对VD脱碳过程的影响 Fig11 Effect of argon flowrate on decarburization 02 钢 铁 研 究 学 报 第18卷 图2 真空室压力 a 及抽真空速度 b 对VD脱碳过程的影响 Fig12 Effect of vacuum pressure a and pump rate b on decarburization 和真空泵的抽气能力等 都允许的情况下 才能使真 空室的压力维持在较低的水平 21212 抽真空速度 图 2 b 给出了抽真空速度对VD精炼脱碳过程 的影响 笔者计算了3种降压时间 真空室由1个 大气压降到01133 kPa所需的时间 下的脱碳过程 可见 抽真空速度对脱碳速率影响较大 特别是在 VD处理的初期 抽真空速度快 即降压时间短 很 快就能获得较大的脱碳速率 缩短VD处理周期 对 脱碳过程有利 但高真空度容易造成钢液喷溅或溢 渣 因此 提高抽真空速度时 还应考虑实际工艺条 件和设备条件 避免钢液喷溅或溢渣 213 初始氧含量及初始碳含量 图3 a 示出了钢液初始氧含量 O 0对VD精 炼脱碳过程的影响 可以看出 钢液初始氧含量对 脱碳过程的影响很大 笔者计算了4种氧碳比 O 0 C 0情 况 下 钢 液 的 脱 碳 速 率 当 O 0 0104 O 0 C 0 1时 钢液中的氧不能完全满 足脱碳的需要 因为碳2氧反应的氧碳比应该为4 3 因此在脱碳末期 由于氧含量不足而无法继续脱碳 当碳含量降到0101 时 钢液中碳和氧的含量已接 近平衡 提高氧碳比后 脱碳速率显著提高 钢液的 终点碳含量 C e也明显降低 但当氧碳比大于2 后 再提高钢液的初始氧含量 对脱碳速率的影响不 大 此时脱碳反应主要受碳扩散的限制 另一方面 钢液的初始氧含量越高 脱碳结束后 钢中残余氧含量就越大 消耗的脱氧剂也就越多 这 不仅会增加成本 也容易使钢液纯净度下降 因此 在能保证脱碳速率和终点碳含量的前提下 应尽量 降低终点残余氧含量 从碳2氧反应热力学分析可 见 当真空室力pV 01133 kPa时 终点残余氧含量 O e r 0101 0102 时 就可以使钢液的终点碳含 量达到01003 左右 即钢液的初始氧含量按式 5 控制 基本上就可以满足VD精炼脱碳的要求 必 要时还可以通过调整渣的成分来增加钢液氧含量 O 0 1133 C 0 O e r 5 式中 O e r 0101 0102 图 3 b 给出了钢液初始碳含量 C 0对VD精 炼脱碳过程的影响 可以看到 在初始氧含量相同 的情况下 初始碳含量越高 则初始脱碳速率越大 但在脱碳处理的中后期 脱碳速率与初始碳含量的 关系不大 初始碳含量越高 处理结束时 钢中碳含 量也就越高 但是 如果能够很好地控制钢液的初 图3 初始氧含量 a 和初始碳含量 b 对 VD精炼脱碳过程的影响 Fig13 Effect of initial oxygen content a and initial carbon content b on decarburization 12 第8期 顾文兵等 VD精炼脱碳过程的工艺因素分析 始氧含量 则初始碳含量对整个VD精炼脱碳过程 的影响不大 因此 只要吹炼结束时钢液的氧碳比 能够满足后续VD处理的需要 不必将初炼炉中钢 液的碳吹至很低 以减轻初炼炉的负担 3 结 论 1 加大吹氩量能在一定程度上提高VD处理 过程中钢液的脱碳速率 但效果不显著 而且吹氩 量过大时 容易造成钢液喷溅或溢渣 尤其在脱 碳初期 因此 建议采用吹氩量先小后大的吹 氩制度 2 真空度对VD精炼脱碳过程的影响很大 在 工艺条件和设备条件允许的情况下 提高抽真空速 度 降低真空室压力有利于钢液脱碳 3 钢液初始氧含量对VD精炼脱碳过程的影 响很显著 钢液初始氧含量的控制应根据钢中碳含 量而定 分析表明 如果钢液的初始氧含量按式 6 控制 基本上就能满足VD精炼脱碳的要求 必要 时 还可以通过调整渣的成分来增加钢液氧含量 参考文献 1 Tomas K Stanley S Manh K T Equipment and Practice En2 hancements at Dofasco Vacuum Degas Tank for ULC Steel J Iron Steel Technology 2004 4 21227 2 朱苗勇 黄宗泽 RH真空脱碳精炼过程的模拟研究 J 金属 学报 2001 37 91294 3 Kitamura S Y Yano M Harashima K et al Decarburization Model for Vacuum Degasser J Iron Steel 1994 3 31236 4 陈义胜 贺友多 黄宗泽 一个RH处理过程的脱碳动态模型 J 包头钢铁学院学报 2002 2 1082111 5 魏季和 郁能文 钢液RH和RH2KTB精炼过程模拟的研究 过程数学模型 J 包头钢铁学院学报 2002 3 2422249 6 Takahashi M Matsumoto H Saito T Mechanism of Decarur2 ization in RH Degasser J ISIJ International 1995 35 14522 1458 7 Didier H Hubert S R Francois S et al Kinetics of Vacuum Decarburization of ULC Steels A