钢铁冶金过程动态数学过程模型研究现状与展望

钢铁冶金过程动态数学过程模型研究现状与展望

0钢铁金矿过程动态数学模型的应用背景现代金陵理论使钢铁冶金从简单的技能转变为科学。金属学、冶金过程的动力学和冶金过程的传输理论被称为支持这一科学的三大支柱。但是,冶金过程的极端复杂性使得这些理论在实际生产应用中受到很大的局限。冶金炉内变化万千,气、固、液多相并存,热量、质量、动量三传耦合和化学反应同时发生,并且为封闭、高温体系,这些特点使得人们长期以来不得不靠半经验半仪表方式操作与控制冶金炉。1972年,日本的鞭岩和森山昭合著的《冶金反应工程学》,以及在此前后各国学者出版的许多与冶金反应工程学相关的专著,昭示着冶金科学和技术日趋数学化和精确化。20世纪80年代以来,我国学者应用反应工程学理论分析多种冶金反应器问题,其成果汇总于《冶金反应工程学丛书》,冶金反应工程学研究在我国获得蓬勃发展[8,9,10,11,12,13,14,15,16]。然而,基于各种定律与原理导出的各种方程,以及由这些方程组合而成的数学模型,因难以求解而只能定性地用于分析和指导生产。近三十多年来,飞速发展的现代计算技术为解析这些方程和数学模型提供了有力工具,使得利用这些数学模型直接控制冶金炉的生产逐步成为现实。这样,以冶金反应器及冶金过程数学模型为核心的相关研究得到了前所未有的发展。数学模型按过程状态分为静态模型和动态模型,前者不考虑参数在冶金过程进行中的情况,而只考虑过程的初值与终值之间的关系。鉴于冶金过程的复杂多变,该类模型的误差较大。动态模型则考虑参数在冶金过程中的变化,因此,它能够用来较准确地确定初始、终了和冶金过程任一时刻与位置的过程状态参数值。与静态模型对于过程的“黑箱描述”相比,动态模型建立在反应动力学和传输现象理论基础上,包含了过程的各种动力学参数,反映了冶金过程动态运行的本质特征,是详细分析炉内状态和精确预测冶金炉操作性能的有效工具,因此在理论和实践中的研究意义也就更为重要。根据冶金科学的层次性分析,钢铁冶金过程动态数学模型研究属于单元装置及工序层次,是对冶金反应器的工程学解析,它不同于冶金物理化学等基础科学,属于技术科学的学问。本文将以传统的高炉炼铁钢铁生产长流程为例,分别从铁矿石烧结、球团矿生产、铁水预处理、复吹转炉炼钢、炉外精炼和连铸等主要装置及工序层面,综述钢铁冶金过程动态数学过程模型当前研究现状。此外,有关高炉数学模型的研究进展,具体可参见文献[21-22]。1明确的数学模型在钢铁冶金过程动态数学模型中,一般以传输类模型居主导地位,图1为传输类动态数学模型的基本组成框图。由于动态数学模型的主要目的是通过对过程的解析从而了解物质浓度、温度和速度等参数的时空变化规律,因此控制方程是数学模型的核心。控制方程是在子过程解析的基础上根据化学反应和物理学守恒定律建立起来的一组质量、能量、动量的衡算方程式。质量、能量、动量物理量守恒方程可统一写为通量衡算方程:控制方程的建立就是确定式(1)中各项的详细数学表达式。左侧第一项为通量传输速度,它由传热传质学、流体力学等学科中的传输动力学方程确定;第二项称为通量源项,钢铁冶金过程可能的源项有化学反应的质量生成速率,反应热、相变热、感应热,体积力与表面力,这些不同源项对于各过程均有资料可查与具体表达式。右侧项即为控制体内通量对时间的导数。应该重点指出的是:一方面,冶金过程多为多相反应,而固相占有大部分空间的气-固反应系又具有涉及到传输问题的特殊性;另一方面,多相化学反应过程还是传质、传热及界面反应的综合过程,在质量守恒方程中的化学反应源项必须采用考虑传质阻力和界面反应阻力的综合反应速度,多相间的热量传输也要由相应的综合传热系数———有效传热系数来反映。因此,在有固体参加的多相反应,必须考虑固体颗粒及料床特征参数,同时气-固相间与气-金、渣-金及气-金-渣等流体-流体相间“三传一反”规律也还有着特定的数学描述。由图1可见,钢铁冶金过程动态数学模型研究实质上就是针对实际冶金装置与工序物理化学过程,以传输理论和冶金反应机理为基础,在子过程分解、参数坐标选取与控制方程类型等方面,从简单到复杂,逐步细化,以经验或半经验关系式和数据为补充,以数值计算方法为手段,以运行速度不断提高的计算机为工具,其主要目的是揭示过程机理变化规律从而对过程进行准确预测、控制、优化和开发新工艺。2物理化学及热人造块矿分为烧结矿和球团矿两类。烧结适用于粒度较粗的富矿粉造块,球团则适合粒度极细的铁精矿成型。烧结过程中主要的物理化学及热现象有:1)气体通过多孔介质的流动;2)气-固相热交换;3)料层中水的蒸发与冷凝;4)化学反应(脱水、碳酸盐分解、焦炭燃烧、铁氧化物的还原、氧化、硅酸钙等新矿物的形成);5)熔化与凝固;6)物料的改变(散料变为多孔块料)。上述过程均与料层温度密切相关,因此掌握料层温度分布对于深入了解烧结机理具有非常重要的意义。2.1烧结过程模拟Muchi和Higuchi最先建立了比较完整的烧结过程数学模型,考虑气固热量传递、焦炭燃烧和水分干燥等因素,研究了一些操作参数对温度场的影响。Young考虑到气体流速随着烧结过程不断变化,建立了烧结过程模拟模型预测烧结矿的强度,结果表明增加抽风负压可以降低烧结时间,增加配碳量可有效提高料层温度和烧结矿的强度,增加碳酸盐的含量降低料层温度,但烧结矿强度略微提高。Cumming等建立了包含13种物理变化、11种化学反应和26个状态变量的铁矿石烧结过程模拟模型,采用现场实际操作参数和混合料特性作为模型的输入数据,对各过程变量随时间的变化进行了模拟计算。Toda和Kat建立了烧结料层热曲线的数学模型,分析了焦粉粒度、混合料预热、气流分布等操作参数的影响。Ramos等应用有限元方法建立了铁矿石烧结过程的数值仿真模型,在不同的碳含量和颗粒熔化温度条件下进行了计算,结果表明该模型能较好地描述铁矿石料层的结块现象。Upadhyaya指出以往大量烧结过程研究模型由于忽略了相关物料本身的基础化学特性,过分依赖于外部特性,存在很大的局限性,进一步的研究需要充分考虑内在因素和外在因素的相互关联,在烧结理论研究和实践研究的结合点上获得更大突破。Yang等考虑气体温度、气体流速、氧气浓度、二氧化碳浓度、水蒸气浓度等相关参数沿着烧结机纵向变化,建立了含有多种固相的一维非稳态烧结过程模型,根据不同的焦炭含量和气流流速计算出料层温度分布、废气成分、熔融物含量,模型计算结果与实验室实测值吻合。Yang等进一步研究了燃料特性对烧结过程热状态的影响。Jose等详细地考虑烧结过程中“三传一反”(热量、质量、动量传输和化学反应)现象,建立了二维非稳态烧结过程模型并进行了仿真研究,模型仿真计算结果与烧杯实验、工业烧结机等实验值吻合度较好。2.2烧结过程数学模型和非线性模型周取定概述了铁矿石烧结过程基本理论的研究进展,将其分为四大类:用化学反应动力学的基础理论来研究烧结过程固体燃料的燃烧;用传热的理论来研究烧结过程的温度分布和蓄热现象;用气体动力学的理论来分析料层透气性及工艺参数的关系;烧结过程中固相反应、液相形成及烧结矿生产的机理研究。邹志毅建立了一个以湿料带传热、传质机理为基础的烧结水分迁移全过程数学模型,并以此对水分迁移过程进行了计算机仿真。龚一波等以烧结理论为基础,建立了一个简易可行的烧结料层温度分布模型,以统一的形式给出了各带温度分布的解析解。夏德宏等较为系统地建立了烧结料层内的传热、传质和燃烧过程的数学模型,仿真计算结果表明:烧结配料(碳含量、水分、助熔剂)、料层厚度、抽风机压力、烧结机带速等对烧结过程有重要影响,而通过分层布料等措施可以同时起到降低能耗和提高烧结矿质量的效果。龙红明等通过分析烧结过程传热机理,结合烧结过程的物理、化学变化特征,将烧结料层分为烧结矿带、燃烧带、干燥预热带和湿料带分别建立传热控制方程,采用宝钢烧结厂现场生产参数进行求解,得到了生产稳定条件下的料层温度分布。在此基础上,彭乾坤和范晓慧等进一步将烧结料层分为烧结矿带、凝固带、熔融带、反应带、预热干燥带、过湿带、原始料层带,分别建立了传热和传质控制方程,求解了料层的温度分布,模型计算结果与烧结杯实验结果总体准确率达90%左右。刘斌等基于烧结生产的复杂物理化学过程,建立了烧结床层传热、传质和流动的二维非稳态数学模型,考虑了孔隙率、物料颗粒当量直径等床层结构影响参数的变化,并对气固传热系数进行了修正,通过数值计算,获得了烧结床层的温度场、结构变化和烟气的流场、温度场、浓度场等。尽管对烧结过程易于从数学角度作出描述,然而大多数国内外研究尚还将过程处理为一维的非稳态过程,同时模型中也还存在较多的假设条件、经验关系式,甚至于实验数据,因此对于烧结过程机理的更为准确的数学描述,还有待于人们对其传输特性、料床关键参数的瞬态变化等理论认识的深化与实验工作的发展。3链机机法和回转窑法生产球团的常用方法有球团竖炉法、带式焙烧机法和链篦机———回转窑法等三种方法。与后两种方法相比,竖炉法具有成本低、操作简单等优点,一直在我国球团的生产中占有统治地位。3.1关于球团竖炉的干燥及冷却王国胜等首先对磁铁矿石球团进行了单球干燥实验和解析,结果表明球团的干燥过程包括很短的恒速段和较长的降速段,得到影响该过程的主要因素为进入干燥床的干燥气体温度、流量以及干燥床的面积。在此基础上,王国胜等接着对球团竖炉的预热、焙烧过程进行了数学解析和模拟,得到影响该过程的主要因素是焙烧风与球团矿的气、固流比,以及焙烧风中氧气的含量。王国胜等进一步对球团竖炉的干燥、预热、焙烧与冷却过程进行了解析,结果表明干燥床面积、焙烧风及冷却风与球团热流比、焙烧带氧含量是竖炉增产的关键因素,炉内焙烧气体氧含量须保证在5%以上。王国胜等建立了球团竖炉利用系数与竖炉结构及操作参数的定量关系式,得到球团竖炉利用系数与干燥床与培烧带的面积比以及冷、热风与球团况的热流比呈正比,导风墙与干燥床面积比与冷却风与球团矿的热流比至少为0.1624。在文献的基础上,董辉等以济钢球团竖炉为背景,研究了竖炉球团干燥存在的问题及成因、危害及强化干燥的措施,结果表明球团干燥存在的问题是干燥不彻底且不均匀,并指出炉外预干燥是强化生球干燥的有力手段。贾冯睿则对烧结料干燥过程进行了实验和解析研究。3.2关于炉操作和结构参数对炉内气流场的影响规律竖炉的本质是散料床气固逆流式热交换装置,炉内的气流运动和物料运动是决定炉内球团焙烧的关键,所以研究炉内气流运动对强化竖炉热交换、提高球团矿的产量和质量具有重要的意义。董辉等根据相似原理建立了“导风墙-烘干床”式球团竖炉冷态模型实验台,首先研究了料层高度和料层倾角等因素对气流运动的影响,然后根据实验数据绘制流网图,从而判断竖炉内气流分布情况,分析了竖炉操作参数(如焙烧风和冷却风的流量比即流入风量比)和结构参数(如导风墙宽、焙烧带宽、焙烧带高、均热带高和冷却带高等)对炉内气流运动的影响规律,提出并完善了竖炉内“最佳”气流分布(即为达到某个利用系数,其炉内应具有的气流分布状况)的定义及其实现途径。董辉等还应用球团竖炉冷态实验台,定量研究了竖炉操作和结构参数对炉内气流流向和流量即气流分流的影响规律。董辉等根据气固填料床动力学,建立了“导风墙-烘干床”球团竖炉内气体流动的数学模型,运用自编程序数值求解炉内速度场,研究了炉内气体流动的基本规律,探讨了竖炉操作参数对炉内气体流动的影响规律。董辉等还从炉窑热工角度阐述了我国球团竖炉大型化和高效化的典型关键问题,并围绕球团竖炉结构和操作参数与竖炉产量之间的关系,提出了竖炉结构和操作参数的设计原则。蔡九菊等以球团竖炉为背景,采用实验和模拟相结合,研究了床层内颗粒流动基本规律。尽管已有研究对球团竖炉内部复杂生产过程进行了科学简化与子过程分解,并且分别进行了较为详细深入的研究与影响因素分析,然而对于上述子过程的研究尚还是分开独立进行的,因此对于球团竖炉内部传热传质、流动与化学反应过程的综合建模,探索各类子过程的耦合及其相互影响规律将是下一步的研究重点。4简化钢过程,提高钢质量铁水预处理指铁水在进入转炉前,为除去某些有害元素的处理过程,主要是使其中硫、硅、磷含量降低到所要求范围,以简化炼钢过程,提高钢的质量。它可分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理两种。普通铁水预处理有单一脱硫、脱硅、脱磷和同时脱硫、脱硅、脱磷等;特殊铁水预处理有脱铬、提钒、提铌和提钨等。铁水预处理按需要可以分别在炼铁工序、炼钢工序进行,如铁水沟、盛铁水容器(铁水包、鱼雷罐)或转炉中进行。4.1铁水脱硫反应动力学Robinson等从扩散动力学原理出发,建立了基于二阶化学反应的铁水脱硫模型,应用该模型计算了铁水喷射脱硫反应效率,并与工厂操作数据进行了比较。Robertson、唐鑫和徐楚韶根据炉外脱硫过程中硫的传输过程,建立了铁水用石灰(CaO)基粉剂脱硫的动力学模型,用来预测铁水含硫量与脱硫时间的变化关系。在实际生产过程中,向铁水喷吹粉剂后,脱硫反应在两个地区进行:一个是由粉剂形成的渣滴与铁水间的界面反应;另一个是铁水表面的渣相与铁水间的界面反应。前者称为瞬时反应,后者称为持续反应(永久性反应)。文献[63-64]均只考虑了持续反应,徐楚韶和唐鑫则根据喷粉脱硫过程中气粉射流与铁水间相互作用机理,同时考虑瞬时反应和持续反应的影响,建立了基于传质控制的一阶脱硫反应动力学模型,并用来预测铁水含硫量与脱硫时间的变化关系。Seshadri等进一步对一阶脱硫反应动力学模型进行了改进。于学斌等则对感应炉内铁水喷吹石灰系及电石(CaC2)系脱硫剂进行了热力学及动力学分析,验证了铁水[S]<0.04%情况下,脱硫反应速率的限制性环节是铁水中硫的传质。金焱和喻淑仁导出了喷吹石灰—萤石混合粉剂进行铁水脱硫的反应动力学模型,计算讨论了瞬时反应和持续反应对脱硫的相对贡献率以及各操作参数对脱硫动力学的影响。王楠等提出熔池均混时间、粉剂穿透比和粉剂停留时间是决定铁水包喷粉脱硫效率的三个基本参数,并理论分析了影响这三个基本参数的主要因素。在此基础上,王楠等进一步建立了能体现上述三个基本参数影响的模拟铁水喷吹镁粒和碳化钙复合粉剂脱硫处理的数学模型,并讨论了两种粉剂在脱硫过程中的耦合效应。卢志文对一些典型脱硫剂从热力学、动力学、炉机匹配、经济效果等多方面进行了综合比较,结果表明采用镁系复合脱硫剂是比较理想的选择。Deo等讨论了铁水脱硫过程的经验模型、过程动力学模型和人工智能模型(包括人工神经网络、遗传算法、模糊专家系统等)的适用性。Jin等建立了喷吹CaO基粉剂铁水脱硫反应的动力学模型,并与镁基粉剂脱硫进行了比较,结果表明采用镁基粉剂的脱硫率远大于采用CaO基粉剂的脱硫效果。李霞和刘向军考虑生产中所采用的脱硫剂大部分都是粉状颗粒,建立了CaO颗粒在铁水中脱硫反应的模型和喷吹O2渣再生反应的模型,计算分析了颗粒尺寸、传质系数、铁水初始含硫量等参数对脱硫反应和渣再生反应的影响。于学斌等针对鱼雷罐内脱硫铁水的回硫问题,对罐内铁水流场进行了物理模拟研究,结果表明喷枪上增加压制孔,对于促进鱼雷罐内铁水的循环流动是行之有效的方案。杨辉合等对在攀钢脱硫运用喷吹镁基脱硫剂的生产数据进行了线性回归,建立了其喷粉脱硫的经验操作模型,确定了粉剂单耗、喷吹时间和喷吹速度等参数的最佳范围。赵义等根据实际鱼雷罐的脱硫操作工艺参数,采用欧拉两流体模型、多孔介质模型、耦合镁粉脱硫动力学模型,对采用底部吹气搅拌辅助鱼雷罐顶吹镁粉脱硫过程进行了仿真分析,探讨了底部辅吹工艺的影响。Rodríguez等建立了综合热力学、动力学和传输过程的铁水脱硫模型,用以预测脱硫过程中铁水中硫浓度的变化规律。4.2工艺过程性优化欧俭平等结合宝山钢铁集团公司鱼雷罐喷粉脱磷的实际生产条件,首先研究了粉剂在铁水中的停留时间及喷吹参数对其的影响,然后研究了喷吹参数对粉剂穿透比和罐内铁水的均混时间的影响。候勤福等在鱼雷罐喷粉预处理水模实验数据的基础上,利用线形回归确定各工艺操作参数对喷吹的三个基本参数的影响,得出各传输动力学基本参数的函数关系式,进一步应用多目标非线性优化方法,对工艺操作参数进行了优化。罗志国等在分析了铁水喷粉脱磷预处理过程机理的基础上,同时考虑熔池的均混时间、粉剂穿透比和停留时间,建立了鱼雷罐喷粉铁水预处理脱磷动力学模型,应用模型计算分析了改变不同工艺条件对脱磷速率的影响,并对实际生产过程进行了模拟分析,取得了较好的效果。王一囡等从铁水脱磷反应出发,分析了铁水脱磷工艺的热力学和动力学条件,结果表明增强渣的氧化性和碱度、较大的底吹强度以及保持适当的低温是提高脱磷效率的关键。徐匡迪和肖丽俊通过对转炉铁水预处理脱磷过程中选择性氧化的热力学和动力学分析,并结合首钢京塘公司300t脱磷转炉的生产数据,研究熔池中铁、硅、锰、碳、磷的氧化过程,讨论了影响磷在渣铁间分配比以及脱磷速率的主要因素,结果表明将转炉铁水预处理温度控制在较低范围内,选择具有合适碱度和成渣快的造渣工艺,并结合高的底吹搅拌强度,是实现脱磷保碳、提高脱磷速率、加快生产节奏的有效途径。4.3力学和动力学参数Roberston等和Ouguchi等首先建立了铁水同时脱硫脱磷耦合反应的动力学模型。董元箎等用此模型解析了铁水同时脱硫脱磷的应用性试验数据,结果表明采用准确的热力学和动力学参数,模型能较好地描述实际过程,还重点讨论了模型中主要参数———修正平衡常数的确定方法,阐明了热力学参数准确性在动力学研究中的重要性。刘向军等采用k-ε湍流模型与颗粒随机轨道模型相结合的两相流动模型,数值模拟了涡流反应器内铁水、反应剂的两相流动特征,揭示了反应器各部分的流场信息及反应剂的运动经历。4.4脱锰动力学模型王新华等首先用数学模型对含有铌铁水连续处理脱硅阶段的硅—铌分离氧化过程进行模拟,同时预报铁水和炉渣中多个组元的行为,并分析讨论了影响硅—铌分离程度的主要因素,然后根据含钒铁水浸入吹氧脱硅处理时熔池不同反应区反应的特点,用数学模型对硅和钒的氧化分离过程进行了分析研究。朱诚意等基于耦联反应模型,建立了在鱼雷罐中,采用氧化性渣并考虑粉剂穿透比、停留时间和熔池均混时间对脱锰影响的铁水预处理脱锰动力学模型,并应用其模拟实际生产条件进行了验证。徐迎铁通过对铁水喷粉脱钛热力学和动力学的分析,建立了动力学模型,计算得到在1350℃不同停留时间条件下喷吹不同粒径的脱钛、脱硅和脱碳量的变化情况,结果表明喷吹高含量氧化铁的粉剂来脱钛是首选,可取得良好的脱钛效果。可见,关于铁水预处理中单一的脱硫与脱磷等相管理论研究与实验工作已取得了较大的进展,对其机理认识也较为全面,而对于铁水同时脱硫、脱硅、脱磷以及特殊铁水预处理的理论研究则还分别处于起步与发展阶段,同时理论研究与实验研究的有机结合也是下一步努力的方向。5复吹转炉冶炼过程动态过程模型转炉炼钢是世界上最主要的炼钢生产方法。转炉炼钢法的发展经过了顶吹(LD法)、底吹(如Q-BOP法)和复吹。在我国,主要采用LD法(小转炉)与复吹(大中型转炉)。转炉是一复杂的多相反应器,涉及渣-金、金-气和渣-气等反应界面,包括脱碳、脱硅、脱锰、脱磷、钢液中金属氧化、渣还原、炉气的二次燃烧等一系列复杂反应。对于复吹转炉炼钢过程动态模型可分为两大类:一类是基于冶金热力学、动力学、传输原理和反应工程学的复吹转炉冶炼动态过程机理模型研究;另一类是基于炉气分析的转炉动态预测数学模型研究。5.1转炉冶炼过程中各氧化反应的控制因素郭木星和陈襄武应用冶金反应动力学基本理论,结合具体工业试验条件,分析得到20t复吹转炉冶炼不锈钢低碳范围内的脱碳速度关系式,用Runge-Kutta法通过计算机求解,得出的数值解与实验值基本一致。Chou等根据硅含量的变化,将吹炼过程中转炉熔池中铁水碳含量分为两个阶段,建立混合脱碳模型。Johansson等使用模型估计方法,利用脱碳率对钢水中的碳含量进行估计。赵成林等在对复吹转炉冶炼过程的机理分析的基础上,建立了描述吹炼过程的动力学模型,确定了模型的有关参数,根据钢中各元素竞争氧化反应的Gibbs自由能估算了吹入熔池中的氧参与各元素氧化反应的分配比率。在文献的基础上,林东等进一步找出了转炉冶炼过程中各氧化反应的控制环节,建立了氧化反应速度与限制环速度的联系,得到了转炉中各氧化反应的速度方程。林东等还建立了描述转炉脱碳过程的动力学模型,计算并比较了钢液中[C]和[O]的传质速度,找到了转炉冶炼脱碳过程的限制环节,通过一系列热力学计算得到了进入钢液的氧在各元素间的分配比例,得到了转炉中脱碳反应的速度方程,最后将模型应用于本钢150t转炉冶炼过程,模型在不同时刻的计算结果与现场实测值吻合较好。万雪峰等通过对转炉冶炼过程中耗氧比模型的比较及Mn、Si、P氧化机理分析,应用冶金热力学和动力学建立了耗氧比模型,并根据生产数据的检验结果与模型预测结果的一致性,得出如下结论:供氧强度决定Mn、Si、P的氧化速率;Mn、Si、P在熔池中扩散系数和初始含量的大小将决定各自耗氧比的起始大小;温度通过反应平衡常数影响耗氧比。李永祥等建立了模拟复吹转炉冶炼过程的数学模型,在用梅钢150t复吹转炉工业试验的结果加以验证之后,利用模型对具有中高磷铁水特点的梅钢转炉吹炼工艺进行了分析讨论。林东等建立了转炉冶炼脱磷过程数学模型,计算了石灰溶解速度和钢液中磷的传质速度,通过比较二者的相对大小,确定了反应的限制环节,得到了脱磷反应的速度方程,结果表明:在吹炼前期,钢水中磷浓度较大,脱磷反应的限制环节是石灰的成渣过程;在吹炼的中后期,钢水中磷浓度不断降低,限制环节为钢水中磷的传质。韩敏等在结合机理分析的基础上,对转炉炼钢动态过程的碳指数模型进行拟合,并使用碳积分模型计算脱碳量,分析了冶炼碳含量的变化情况,并用炉气分析仪采集到的实测数据对结果进行了检验。可见,对于复吹转炉内部的脱碳、脱硅、脱锰、脱磷等各子过程的反应机理研究已取得初步的进展,找出了转炉冶炼过程中各氧化反应的限制环节,将上述子过程反应与内部钢液流动进行综合并结合具体的复吹转炉装置,研究不同顶吹、底吹搅拌条件下的复吹转炉冶金反应特性将是进一步研究的重点。5.2从数据分析的角度进行研究由于钢材质量的不断提高,而连铸连轧技术的发展对钢液磷含量的要求也更加严格,靠人工经验和传统静态模型的控制精度已很难满足要求。用副枪无法测定钢液中的锰、硅和磷含量,并且副枪属于一次性高成本消耗材料,所以采用更方便、经济的手段取代副枪的要求随市场压力的增加而日益提高,这些均促进了炉气分析技术在转炉生产中的诞生及发展[106,107,108,109,110,111,112]。Iso等最早提出转炉炉气分析控制模型,根据炉气信息计算每一阶段炉内氧含量,找出终点磷和锰成分的浓度计算曲线,使终点氧含量控制在合适的程度,达到减少磷和锰残余成分的目标。鞭严、高轮武志、福味纯一等在炉气分析技术研究方面有较大的贡献,如建立基于炉气分析的数学模型、建立质谱仪对炉气进行在线分析以及用计算机控制冶炼过程的新技术等等。屠海等利用红外分析仪所获得的烟气成分测定信息,考虑废钢、冷料、副材的熔化引起成分和温度的变化,建立了较为合理、精确的转炉炉气分析控制模型。胡志刚等研究了转炉烟气和炉气在冶炼过程中的变化规律,应用炉气分析控制模型进行了转炉钢水连续定碳、喷溅预报及控制等应用研究。万雪峰等和张贵玉等应用质量守恒定律及反应平衡原理,利用炉气连续分析的数据,建立了转炉冶炼过程的动态模型,结果表明:通过烟气流量、成分及原料中初始碳含量可动态地确定熔池中的碳含量;以动态确定的碳含量为基础,经过热力学平衡分析,可确定熔池内温度及氧含量的动态变化。在此基础上,万雪峰等进一步通过对转炉内外二次燃烧率的分析,对熔池中碳和温度的变化进行了实验并与模型计算结果相比较。万雪峰等分析了本钢转炉冶炼过程中炉气的形成及主要炉气成分的变化规律。在此基础上,万雪峰等运用转炉炉气分析技术,研究了转炉内氧积累量,建立了预测吹炼终点磷和锰的质量分数的数学模型,比较模型计算值与实测值;张贵玉等则应用炉气分析预测转炉吹炼过程中熔池碳含量的变化,研究了吹炼终点时碳含量和脱碳速率、氧枪枪位的关系。前人研究采用的炉气分析动态控制模型大多是基于质量守恒定律和化学反应平衡原理建立的,当转炉冶炼终点碳含量较高时,其控制精度较低。在前人研究的基础上,彭继华等针对转炉熔池反应温度高、反应剧烈而复杂等特点,引入非平衡热力学理论建立转炉过程动态模型,并根据动态检测信息对设定的吹炼参数进行实时修正,有效地提高了转炉冶炼过程的终点命中率。袁都路等采用质谱分析仪对转炉炉气进行在线检测分析,并采用炉气分析模型进行拟合及与实测结果进行比较,通过分析炉气中CO和CO2的变化规律,得出:应用指数模型能够较好的预报终点碳含量;三次方模型能够更好的反应转炉冶炼后期熔池中碳含量。转炉炉气分析技术是一种很有发展前途的转炉控制技术,它属于间接测量与预测方法,通过炉气成分数据计算熔池碳含量、温度等,其精度受称量设备精度、吹炼操作、炉气流量校正计算、模型精度等诸多因素影响,还需要不断完善。6精密度。如钢包、aod炉外精炼是指从初炼炉(转炉、电弧炉)出来的钢水,在另一冶金设备(如钢包、AOD)中进行精炼的技术。近30年来炉外精炼发展迅速,具体方法有30多种,各自任务侧重点不同,如:脱硫、脱碳、脱氮、脱氧,减少非金属夹杂物,改变夹杂物形态,均匀浇铸温度和微调成份等。6.1rh精制过程动态模型研究1959年联邦德国Ruhstahl和Heraeus公司共同开发了真空循环脱气法(RH),其基本工艺原理是利用气泡将钢水不断地提升到真空室内进行脱气、脱碳等反应。50多年来,RH精炼由单一的脱气设备发展成为包含真空脱气、脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等多功能炉外精炼设备,并且在生产超低钢方面表现出显著的优越性,成为现代钢厂中重要的炉外精炼装置之一。RH精炼过程动态模型研究总体上可分为三大类:一是装置内流动行为的研究;二是真空脱碳和脱气过程的研究;三是精炼过程夹杂物去除过程的研究。6.1.1钢包内上升管和下降管之间含气率分布的模拟结果在RH真空精炼装置内流动行为的研究方面,Nakanshi等和Shirabe等通过忽略真空室及浸渍管部分,并指定上升管和下降管下端钢液速度作为出口和入口的边界条件,分别计算了RH精炼包内的二维流场。随后,其他研究者也采用这种方法计算了RH精炼包内的三维流场。然而这种方法因为没有将真空室、浸渍管和钢包作为一个整体,因此流场计算结果显示钢包内上升管和下降管之间存在短路流。朱苗勇等利用Castillejos等提出的底吹钢包含气率实验关系式计算了RH装置内气液两相区的含气率分布,得到了包括真空室、钢包、上升管和下降管的整个装置内的流场,结果表明钢包内上升管和下降管之间不存在短路流,循环流量计算结果与水模型实验符合较好。这种采用底吹钢包含气率实验关系式的方法也被其他研究者用于计算RH装置内的流场。为了使模拟结果更加符合实际,研究人员开始进一步研究如何更准确地模拟气液两相区结构。Park等提出了一个均相数学模型,该模型通过描述气体侧吹行为,可以给出一个较为合理的含气率分布。李宝宽应用水平滑移速度将氩气导入RH精炼装置,并采用含气率守恒方程计算了装置内含气率分布和气液两相的流动行为。魏季和等[141,142,143,144]应用相间滑移模型计算了RH精炼装置的流场,模拟结果显示上升管中的氩气泡存在“贴壁效应”,即气泡在上升过程中紧贴上升管侧壁,无法到达上升管中心,这是由于相间滑移模型无法考虑虚拟质量力的影响造成的。耿佃桥等采用数值模拟方法研究了钢包底吹位置对侧底复吹RH装置内流体流动及循环流量的影响。6.1.2真空脱碳过程的数学模型研究在RH真空脱碳过程的研究方面,Yamaguchi建立了RH真空脱碳过程的数学模型,该模型假设:钢包和真空室中钢液完全混合;脱碳反应仅在真空室内进行;忽略气相中的CO的传质,认为反应界面上CO浓度等于气相中的CO浓度;整个脱碳反应的限制性环节为碳和氧在钢液侧的传质。在此基础上,Kleimt进一步考虑钢包顶渣对脱碳过程的影响,模型计算结果与实际过程吻合较好。Takahashi等认为RH真空脱碳的反应位置包括钢液内氩气泡表面、生成的CO气泡表面和真空室表面,CO气泡的生产速率正比于碳和氧的过饱和度,并且脱碳反应的限制性环节为钢液侧碳的传质,建立了RH真空脱碳过程的数学模型,模型结果与实际情况符合较好。魏季和和郁能文假定钢包内钢液处于完全混合状态,考虑了RH循环流动过程中浸渍管以及真空室流动阻力的影响,建立了RH真空脱碳的一维数学模型。朱苗勇在计算RH精炼装置内钢液流场的基础上,建立了钢液流场和真空脱碳耦合的数学模型,考虑了不同碳氧浓度范围内碳氧反应得限制性环节问题。该模型的优点在于考虑了RH精炼装置内的湍流流动,能够给出脱碳过程中碳浓度随时间和空间变化情况,缺点在于该模型假定脱碳反应仅在真空室进行,这与实际情况有较大区别。Park等不仅考虑钢液流动对脱碳过程的影响,而且认为脱碳反应位置包括钢液内氩气泡表面、生成的CO气泡表面和真空室液面,建立了耦合钢液流场的RH脱碳数学模型。胡汉涛、魏季和和胡汉涛建立了综合描述氩气泡表面脱碳、真空室液面脱碳、熔池内部CO本体脱碳的数学模型,得到了脱碳过程中碳、氧浓度的空间分布,分析了顶吹氧和钢包顶渣对RH脱碳过程的影响。韩传基假定脱碳反应位置包括钢液内氩气泡和生成的CO气泡表面、真空室自由液面和飞溅液滴群,建立了RH-MFB脱碳过程的数学模型,分析了顶吹氧对脱碳过程的影响。耿佃桥等基于RH内流场,结合冶金反应热力学及动力学,通过建立数学模型研究了侧底复吹RH真空脱碳过程,数值计算结果与试验结果符合良好。与纯脱碳过程研究相比较而言,国内外学者对于真空条件下的脱氢和脱氮过程的动态数学模型研究较少。Kitamura等假定氮在钢液侧的传质和界面反应为限制性环节,同时脱碳反应发生的区域为真空室液面、吹入的氩气泡表面和生成的CO气泡表面,建立了脱碳和脱氮过程的数学模型,计算结果表明脱碳反应初期主要发生在脱碳生成的CO气泡表面,后期则主要发生在真空室钢液表面。Kleimt等考虑氩气泡上升过程中的膨胀对脱氢和脱氮的影响,建立了一个真空脱氢和脱氮的数学模型,模型计算结果与实验结果误差很小。然而,上述脱氢和脱氮模型均假定钢包和真空室中钢液完全混合,忽略了钢液流场的影响。6.1.3rh精制过程残余物的数学模型研究RH精炼过程中夹杂物的去除过程可分为反应、形核、碰撞长大以及去除四个步骤。由于反应及形核的持续时间很短,在几十秒左右,因而此方面的动态模型研究主要集中在钢液内脱氧夹杂物的碰撞长大及去除阶段。Shirabe应用颗粒群数量浓度方程模型研究了RH精炼过程中夹杂物的去除行为。Miki等基于颗粒聚合动力学的Smoluchowski方程研究了RH精炼过程夹杂物碰撞长大及去除过程,并在其模型中考虑了气泡吸附作用的影响,但忽略了壁面吸附对夹杂物去除的影响。Treadgold在计算RH内钢液流场的基础上,进一步研究了真空精炼过程中上升管和下降管耐火材料壁面层对夹杂物化学成分的影响。耿佃桥等基于RH精炼装置内钢液流场,通过建立夹杂物碰撞聚合与流动耦合的三维数学模型,计算获得了夹杂物数量密度及质量分数随时间和空间的变化规律,并进一步研究了钢液流场对混合、脱碳、夹杂物行为的影响。此外,有关钢液中夹杂物动力学行为的数学模型更为详细的介绍及相关研究进展可参见文献[161-162]。针对RH精炼过程均已建立数学模型并取得了可喜的结果,但已有模型采用的气体不可压缩、忽略内部温差的影响等模型假设与实际RH精炼过程仍存在一定差距,未来的发展方向应努力弥补已有数学模型的缺陷,此外,目前尚无数学模型考虑到RH精炼装置内流场对RH真空脱氢和脱氮的作用,实际RH脱碳、脱氮和脱氢是同时进行的,因而未来应建立基于RH流场的描述脱碳、脱氮、脱氢与夹杂物去除过程的数学模型。6.2不锈钢aod精制过程模型与不锈钢的其他精炼过程相比,AOD(氩氧脱碳)过程具有一系列显著的优点。因此自1968年JoslySteel研制出第一台AOD炉并投产以来,该工艺在世界范围内获得了越来越广泛的应用和发展,已成为生产不锈钢的主要方法。世界上不锈钢总产量的93%以上由AOD生产。早在1974年,Ray和Szekely在讨论过程优化方法时,首次考察和分析了低碳高铬不锈钢AOD精炼过程的数学模拟。此后,有关AOD精炼过程动态数学模型的研究文献相继涌现,对于该过程的数学模拟研究也逐步深入。概括而言,AOD精炼过程的动态模型研究可分为两大类:一是熔池内钢液流动特性的研究;二是过程脱碳模型的研究。6.2.1采用数学模型进行流场模拟对于熔池内钢液流动特性的研究大致经历了由顶吹到侧吹再到侧顶复吹的阶段。Szekely等假设顶吹气体射流冲击的凹坑形状为圆锥面,基于涡量-流函数法首次建立了顶吹气体射流冲击下熔池流场的数学模型。李有章和李欣宜对Szekely等的数学模型作了改进,将凹坑面处理为二次抛物面,同时考虑了熔池自由表面处由于摩擦引起的动量传递。上述两种顶吹转炉熔池流场模型均采用了k-1单方程模型用于估算湍动能,但是单方程模型并不能很好地描述湍流的实际状态,必然会带来较大误差。张家芸等以k-ε双方程模型取代k-1单方程模型,同时对于近固体壁的区域,用壁函数法决定剪应力与速度梯度、切向速度与到壁的距离之间的关系,在此基础上用所建数学模型对顶吹过程中熔池内的流场作了计算。Turkoglu采用欧拉双流体模型描述气相和液相是两种互相独立的流体、k-ε模型处理液相湍流,建立了浸入式水平侧吹条件下熔池内流体流动的数学模型。朱苗勇等用准单相流模型描述气液两相流,模拟了水平侧吹熔池内的流场。Tilliander等首先建立了AOD炉侧吹用喷枪内气体流动的数学模型,用以估计氩氧混合气体在喷枪出口处的状态,然后基于气-液双流体模型建立了AOD熔池内钢液流动的数学模型。魏季和[173,174,175,176]考虑到侧顶复吹条件下液体的流场是侧吹和顶吹气流共同作用的结果,分别建立了纯侧吹和纯顶吹条件下AOD熔池内钢液流动的三维数学模型,由两者的合成给出了该精炼过程中熔池钢液流动的数学模型,按双流体模型处理了气液两相流,并采用了修正的k-ε双方程模型,视顶枪气流在熔池液面形成的凹陷面为旋转抛物面,相应的液相湍流以标准k-ε模型估算,处理和分析了纯顶吹、纯侧吹、侧顶复吹等不同条件下120tAOD转炉及线尺寸为其1/4的水模型熔池内流体的流动。6.2.2不锈钢aod过程数学模型的建立在AOD精炼过程脱碳模型研究方面,Asai和Szekely建立了AOD精炼过程的静态数学模型,其基本假设是:吹入熔池的氧气除参与氧化反应外,剩余部分全部积聚于钢液;反应的主要产物是CO、Cr2O3、SiO2,不考虑FeO的生成。Fruehan假设吹入熔池的氧气在风口附近主要耗于Cr的氧化,生成的Cr2O3在随氩气泡上升过程中氧化溶于钢液的碳,并假设在低碳水平下反应的限制性环节为钢液内的碳向气泡界面的传质,建立了AOD精炼过程脱碳动力学模型。Roy和Robertson考虑所有吹入熔池的氧气与钢液内的Cr、Si、Mn反应生成Cr2O3、SiO2、MnO,且这些元素的氧化与其摩尔浓度成正比,同时生成的这些氧化物在随氩气泡上升的过程中被碳还原,引入热衡算以考虑熔池的非等温特性,建立了不锈钢AOD精炼过程数学模型。大里刚正和西田祚章假设整个AOD精炼过程中Cr2O3被碳还原的反应限制性环节始终是液相中的碳向气泡界面的传质,考虑熔池高度对脱碳的影响,建立了气泡脱碳的动态数学模型。Tohge等考虑一定量的FeO的生成、非等温条件、速率控制环节为液相中碳的传质,建立了不锈钢AOD精炼数学模型。Reichel等建立了不锈钢AOD精炼数学模型,该模型假定:脱碳速率在高碳浓度下正比于供氧速率,在低碳水平下脱碳速率与钢液碳含量和供氧速率均有关,脱碳由恒定速率转向渐降速率时精炼过程中存在一临界态或临界点。魏季和等[185,186,187,188]在全面分析AOD过程实际情况,包括钢液中各种元素的竞争性氧化、熔池成分的变化以及过程不等温特性等的基础上,建立了一个新的脱碳精炼数学模型,以在18tAOD炉中生产1Gr18Ni9型不锈钢得到的32炉数据作了检验,模型估计结果与实测值相符。魏季和等进一步对以高碳高铬铁水为主原料的不锈钢侧顶复吹AOD精炼过程数学模拟作了初步研究,考虑体系的质量和热量衡算,以及添加渣料、切头切尾和废钢、合金料等操作,精炼过程的不等温状态、钢液和熔渣质量的变化等因素的影响,提出了针对整个精炼过程的数学模型。对不锈钢AOD过程的数学模拟迄今已作了不少研究,但现有数学模型还不尽完善,即使是最新的数学模型,也有待进一步检验。面对废钢资源短缺等状况,采用高碳高铬铁水,以顶底或侧顶复吹工艺冶炼不锈钢已引起人们更多的关注。对这类AOD过程,其数学模型尚处于起步研究阶段,需要进一步深入研究建立基于钢液流场的描述AOD精炼脱碳过程的数学模型。7其他结晶器和铸坯运出装置连铸是将液态钢用连铸机浇铸、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。它是连接炼钢和轧钢的中间环节,是炼钢生产的重要组成部分。一台连铸机主要由钢包回转台、中间包、中间包车、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉矫装置、切割装置和铸坯运出装置等组成。连铸过程动态模型主要集中在中间包、结晶器[191,192,193,194,195,196]、二次冷却等工艺环节。研究表明,铸坯近80%的表面缺陷起源于结晶器,同时结晶器还是连铸诸多工艺环节中控制钢液质量的最后一环,是去除夹杂物、改善钢材质量的最后机会。钢水湍流流动和传热凝固是结晶器冶金的基本物理现象,其中结晶器内湍流流动、凝固坯壳的发育过程以及夹杂物行为一直是冶金工作者的研究重点。7.1结晶器内钢液流动早在1975年,Asai和Szekely将单方程紊流模型和Spalding的离散化方法应用于方坯连铸结晶器中钢液二维流动数值模拟。Thomas等采用高雷诺数湍流模型对板坯结晶器内钢液流动进行了数值模拟,结果表明水口的流股角度对钢液流动有较大影响。Bessho等采用数值模拟方法初步研究了吹氩量对结晶器内钢液流动的影响。Thomas等建立了板坯连铸结晶器内氩气与钢液两相流动、传热、传质现象的三维有限差分模型,分析了吹氩量对钢液流动、过热度耗散和变钢种浇铸时钢坯成份的影响。Yeong研究了不同拉坯速度对结晶器内钢液流场的影响。张炯明等采用有限差分法计算了小方坯连铸结晶器内的三维流场,并研究了吹氩量对结晶器内钢液流动的影响。朱苗勇等开发了描述结晶器内三维湍流流动的数学模型计算程序Mould1.0,对结晶器内的流动现象进行了模拟研究。文光华等和马范军等分析了拉速、水口出口角度、插入深度、水口出口面积比等参数对高速板坯连铸结晶器内钢液流场的影响。Panaras研究了结晶器内自由液面振动的非稳定性,对瞬态周期内的自由表面振动和形状进行了数值模拟。Huang和Thomas利用三维有限差分法研究了结晶器内瞬态流动现象和结晶器顶表面的钢/渣界面的快速波动。杨秉俭和苏浚义利用有限元求解了实际工况条件下的板坯连铸结晶器中的三维紊流流动,并用水模拟实验结果验证了所用模型和计算方法的可靠性。雷洪等研究了操作参数对武钢二炼钢板连铸机结晶器内钢液流动的影响。包燕平等针对薄板坯连铸结晶器中钢液的紊流特征,对结晶器内钢液液面形状及速度场进行了模拟。Taktani等采用大涡模拟法,建立了结晶器内瞬变流场的数学模型,分析了向浸入式水口吹氩对钢液流动和凝固坯壳形成的影响。Kubo等分别用欧拉和拉格朗日多相流模型研究了多个拉速下氩气泡对钢液流动的影响。于会香等以宝钢连铸板坯结晶器为研究对象,采用多相流模型计算了吹氩后结晶器内钢液流场、温度场和氩气分布,并研究了板坯连铸浸入式水口出口速度和出口角度对结晶器流场的影响。谭利坚等研究了板坯连铸结晶器自由表面的形状及钢液流动行为,计算得出了具有实际物理意义的液位波动值。唐学林等和钱忠东等为了研究结晶器内钢液涡流现象的形成机理,采用大涡模拟方法对此涡流现象进行了模拟。Dash等针对平行矩形出口的结晶器,建立了模拟从SEN进入的射流引起的表面波的二维模型,对结晶器内自由表面的形状进行了预测。Sanchez-Perez等和Ramirez-Lopez等对板坯结晶器和水口内的两相流动行为进行了数学模拟。Miranda等通过对1:3的结晶器水模型表面的物理和数学模拟研究,发现自由表面的振动存在一个基本频率1.2Hz。孙于萍等对板坯连铸结晶器内钢液流场进行了模拟研究,得到了实际工况下板坯尺寸1250×200mm2合理的工艺参数。Kastner研究了浸入式水口附近钢/渣界面的漩涡卷渣现象,并分析了不同湍流模型、初始条件和边界条件对流场的影响。Kamal和Sahai和张焕鑫等分别利用FLOW-3D和Simpler数值方法对结晶器内钢液的液面波动进行了数值模拟。于海岐等建立了板坯连铸结晶器的三维有限体积模型,对其中的钢液流动进行了三维数值模拟。曹娜和朱苗勇首先用数值模拟方法研究了高拉速下拉速、水口出口角度、浸入深度、铸坯宽度和保护渣粘度对钢/渣界面行为的影响规律,然后利用VOF方法和Lagrange两相流模型研究了吹氩结晶器内钢/渣界面行为以及双循环流形成条件。王浩等利用FLUENT软件建立了连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,运动低雷诺数方程对板坯结晶器内钢液的流场进行了模拟研究。刘国林等研究了浸入式水口倾角、拉速、铸坯断面宽度等工艺参数对结晶器内自由表面液面波动的影响。7.2凝固传热模拟研究1974年,Lait等建立了板坯凝固传热过程的一维数学模型,应用显式有限差分法计算了铸坯的温度场。蔡开科等和金浚泽等对连铸结晶器的热行为进行了数值模拟。1992年,Spitzer等以结晶器中心纵截面为对象,建立了铸坯二维温度场的在线计算模型。1993年,Louhenkilpi等考虑拉坯方向和周向德传热,采用有限元方法计算了铸坯表面温度、液池深度和板壳厚度。陈登福等和张炯明等分别通过建立二维横截面和纵截面模型,以经验公式为边界条件,计算了连铸坯凝固传热行为。汪建农等对连铸初始凝固性为进行模拟研究,分析了振痕、凝固组织的形成机理。兰蕙清和盛义平建立了圆坯结晶器二维稳态柱坐标传热数学模型,计算了铜管的温度分布。王宝峰等也建立了二维横截面传热模型,采用有限元方法计算了不绣钢板坯在凝固过程中的温度场和板壳厚度随时间的变化。Meng和Thomas利用结晶器与铸坯间固、液渣的质量守恒和动量守恒,并考虑振痕的影响,计算了铸坯温度、板壳厚度、渣膜厚度以及热流分布等。张炯明等建立了结晶器内凝固传热方程,利用ANSYS商业软件进行求解,得到了凝固板壳的应力、应变情况,确定了连铸结晶器壁的合理锥度。兰岳光等研究了结晶器角部锥度对方坯凝固过程温度及应力场的影响。刘旭东等首先建立了板坯连铸的凝固传热数学模型,充分考虑了弧形铸坯的几何特点,采用有限单元法求解控制方程,然后建立了三维有限元传热模型,系统地分析了铜板厚度、水槽的结构尺寸和分布、镍层对板坯连铸结晶器铜板温度分布的影响。卢金雄等研究了旋转流水口对结晶器钢水温度场影响。李晓滨等利用有限元法建立了结晶器内轴承钢矩形坯温度场数学模型,研究了不同边界条件下矩形坯的温度场和坯壳厚度随时间的变化规律。蔡兆镇和朱苗勇采用顺序耦合法建立了描述板坯连铸结晶器内钢凝固过程热行为的二维瞬态热/力耦合有限元分析模型,模拟计算了钢厂实际板坯连铸工况下结晶器内高强度船板钢凝固过程的热行为,