20t复吹转炉冶炼不锈钢碳铬氧化动力学.pdf_大学文库

翁1 3 卷第期 6 1 , , z年一l 月北京料技大学李报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . i s N o 。 d N o v 。 19 9 1 2 0t 复吹转炉冶炼不锈钢碳铬氧化动力学郭木星 ’ 陈襄武 . 摘要 : 运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2 。t 复吹转护冶炼不锈钢低碳范围的脱碳速度式。用 R u n g e 一 K u t : 法通过计算机求解 , 得出的数值解与实验值基本一致。关键词 : 复吹转炉 , 不锈钢 , 脱碳 , 氧化 C a r b o n a n d C五r o m i u m o x i d a t i o n K i n e t i e s d j r i n g s t a i n l e s s S t e e l M a k i n g i n 2 0 t C o m b i n e d 一 B l o w n C o n v e r t e r G u o M “ 劣 i n 夕 . C h e n X i a n 夕功 u . A B S T R A C T : B a s e d o n t h e m e t a l l u r g i e a l k i n e t i e s a n d t h e i n d u s t r i a l e o n d s t i o n s , a f o r m u l a o f d e e a r b o n i z a t i o n w a s o b t a i n e d , w h i e h 1 5 s u i t a b l e f o r t h e l a w e a r b o n r a n g e d u r i n g s t a i n l e s s s t e e l m a k i n g i n 2 0 t e o m b i n e d 一 b l o w n e o n v e r t e r 。 T 五e n u - m e r i e a l s l o u t i o n s b y R u n g e 一 K u t t a m e t h o d w e r e a p p r o x i m a t e l y i n a g r e e m e e t w i t h t h e s e m e a s u r e d o n 一 s i t e 。 K E Y W O RD S : e o m b i n e d b l o w n e o n v e r t e r , s t a i n l e s s s t e e l , d e e a r b o n i z a t i o n , o x i d a t i o n 复吹转炉冶炼不锈钢 , 熔池中C 一 C r氧化的动力学规律至今还没有深入的研究〔 ” , 从而难以确立合理的操作工艺和对冶炼过程进行准确而有效的控制。本文结合 C 一 C r 氧化反应的最 2 9 9 0 一 0 3 一 1 0收到初稿 , 1 9 9 1 一 0 6 一 1 5收到修改稿冶金系 ( D e P a t t ln e n t O f M e t a l l u r g y ) 3 1 9 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 06. 020

远研究结果，应用冶金反应动力学基本理论，以20复合吹炼转炉为对象，通过建立数学模型对低碳域C-C氧化动力学进行定量研究，为确立治炼工艺，控制治炼过程提供依据。 1动力学模型的建立 1.1物理机制近年来的研究r2)指出：复吹条件下C-C氧化反应的物理机制与AOD法相似，钢液表面形成的铁铬氧化物向熔池输氧，通过底吹惰性气体的稀释作用在惰性气泡与钢液界面上进行脱碳.文献C3)分析了熔池内部悬浊物和熔池表面氧化物的物化组成，对熔池内C-C氧化反应进行热力学计算，得到的结论是脱碳反应按下式进行： FeCr2O,+4〔C=4CO↑+2rCr)+Fe (1) 高碳范围的脱碳速度相当于向火点区的供氧速度（生成FeCr2O,速度)，低碳范围的脱碳速度相当于钢液中〔C)向铬铁氧化物颗粒的传质速度。综上所述可将复合吹炼转炉熔池中C-Cr 选择氧化反应机制描述如图1所示。 Pc0=0.15 P0=0.2、 ●0.144 0.151 0.21 Pc0=0, 500 00.198 01920-32 -Pco-0 300 0.300.20.a0 0.50053i.303 Pc0. 100 0.54 一Calculated .Experimental 1700 1750 1800 T/℃ AE 图1格池中CCr氧化机理示意图图2炉内C-Cr-Pco-T平衡关系 Fig.1 Scheme of C-Cr oxidation in the Fig.2 The cquilibrium of Cr-C-Pco-T melten. in converter 1,2动方学模型的建立由图1所示的物理机制并考察20t转炉工业实验有如下要点： (1)熔池表面直接氧化生成的铁铬氧化物在足够的搅拌条件下卷入熔池内部，并吸附在底吹的A气泡表面，钢液中〔C向附有铁铬氧化物的气泡表面传质进行脱碳反应，生成的CO 进人Ar气泡内，气泡不断地上浮，反应不断地进行直至穿过熔池进入炉气。当熔池中碳较低时，碳的扩散为反应的限制性步骤。 (2)如图2所示，20t复吹转炉试验结果表明：当熔池中〔C)<0.6%时，炉内碳铬氧化反应基本接近Hity公式计算的平衡值r),故此时炉内C~C选择氧化反应可按Hilty公式假定条件写成(2)式： [C]+(CrO)=[Cr]+CO(g) (2) 520

近研究结果 , 应用冶金反应动力学基本理论 , 以20 t 复合吹炼转护为对象 , 通过建立数学模型对低碳域C 一 C r氧化动力学进行定量研究 , 为确立冶炼工艺 , 控制冶炼过程提供依据。动力学模型的建立 1 . 1 物理机制近年来的研究〔 “ ’ 指出 : 复吹条件下 C 一 C r氧化反应的物理机制与A O D 法相似 , 钢液表面形成的铁铬氧化物向熔池输氧 , ` 通过底吹惰性气体的稀释作用在惰性气抱与钢液界面上进行脱碳 . 文献〔 3〕分析了熔池内部悬浊物和熔池表面氧化物的物化组成 , 对熔池内C 一 C r 氧化反应进行热力学计算 , 得到的结论是脱碳反应按下式进行 : F e C r : O ` + 4〔C 〕 = 4 C O 个+ 2 〔C r 〕 + F e ( 1 ) 高磷范围的脱碳速度相当于向火点区的供氧速度 ( 生成 F e C r : O ` 速度 ) , 低碳范围的脱碳速度相当于钢液中〔C 〕向铬铁氧化物颗粒的传质速度。综上所述可将复合吹炼转炉熔池中C 一 C r 选择氧化反应机制描述如图 1 所示。 . 护 “ 一 c a , e么; t e d E x P e r i m e n t a l 00 únnl n 丈矛7 ù 21 试它乙] 1 7 0 0 1 7 5 0 1 8 0 0 、、 , 、 . T / 。 C 叫勺二勺`向u+ NO + 尸产O 己, 七一了净J1 图 l 熔池中 C 一 C r氧化机理示意图 F i g . i S e h e m e o f C 一 C r o x i d a t i o n i n t h e 也 e l t e n 。图 2 炉内 C 一 C卜尸 c 。一 T平衡关系 F i g . Z T五 e e 只u i l i b r i u . o f C r 一 C 一 P e o 一 T i红 e o n v e r t e r 1 。 2 动方学摸型的建立由图 1 所示的物理机制并考察 2 0t 转炉工业实验有如下要点 : ( D 熔池表面直接氧化生成的铁铬氧化物在足够的搅拌条件下卷入熔池内部 , 并吸附在底吹的 A r气泡表面 , 钢液中〔C 〕向附有铁铬氧化物的气抱表面传质进行脱碳反应 , 生成的C O 进人A r 气抱内 , 气泡不断地上浮 , 反应不断地进行直至穿过熔池进入炉气。当熔池中碳较低时 , 碳的扩散为反应的限制性步骤。 ` _ (2 ) 如图 2 所示 , 20 t复吹转炉试验结果表明 : 当熔池中〔C 〕< 0 . 6% 时 , 炉内碳铬氧化反应基本接近 1 lt y 公式计算的平衡值 ` 落 ’ , 故此时炉内C 一 C r 选择氧化反应可按iH l tY 公式假定条件写成 (2 ) 式 : 〔C 〕 + ( C r O ) 二〔C r 〕+ C O ( g ) ( 2 ) 尽2 0

从要点得低碳范围脱雄速度式为 ( ) l , d〔 % C ) d t 一一 a (〔% C〕一〔% C〕。 ) ( 8 ) 式 (3 ) 中 : a — 脱碳速度常数 ( m in 一 ` ) ; 〔% C〕 . — 与反应界面金属侧铬浓度及熔池中C O分压相平衡的碳浓度 ( % ) 。对反应式 ( 2) 有 : K 二〔% C r 〕一 P 。 o a e r o 一〔% C 〕。令 a 。 : 。 = i ( H i l t y 公式假定条件 ) 则〔% C〕。〔纬 C r 〕一 P 。 o = 一一甲万— 一吸4 ) 据 H i lt y 公式 : l o g l K = 1 0 9 〔% C r〕 . P 。 o 〔% c 〕 , , = 1 3 8 0 0 一 T + 4 。 2〔肠N i〕 + 8 。 7 6 ( 5 ) 熔池中 C O 分压 : 尸。。二 N e o N e o + N X 尸 ( 6 ) N co 二 d 〔% C 〕 2 2 。 4 x 1 0 一 “ . 、一一 - 一百下尸一一- - 一 X 妙尸 ~ a t 粼 e ~ ( 7 ) 以上各式中 : 万 C 。 — C o 生成速率 ( N m “ 加i n ) ; N A : — 底吹 A r 流量 ( N m ” / m i n ) , P — 炉气总压 (0 . 10 M P a) ; M 。 — 碳的原子量 , K — 反应式 (2 )的平衡常数 ; 班 m — 钢液总量 k( g ) , P 。。 — 熔池中C O分压 ( 0 . 1协 l p a ) 。由 ( 4 ) 、 ( 6 ) 、 ( 7 ) 得 . 8 6 6 7班。 x 〔写 C〕。 = 卫迪丝些 v , K N A r 一 1 。 d 〔写C 〕 d t 8 6 6 7 矽益x 〔% C 〕 X 尸 ( 8 ) (8 ) 式代入 ( 3) 式得 : d〔% e ! , 。一、 . 〔一瞥 1 · 8 6 6 7牙二 · 旦袋尸 “ 。 } - 不厂一 = 一 “ 口七为七 J 卞一一一一一一一一了下布万下二蔺一入三 1 a ` . 、二 _ _ _ , , ~ u L 为、 J ! 又 ` , A ’ 一 ` ’ ` 。。 ` 叮 “ 一不 , , 少 ( 9 ) 假定炉气压力 P 近似等于气抱在熔池中的平均压力尸 , P 的计算如下 : 20 t复吹转炉金属池深度为 90 o m m , 渣层厚度为30 。。 m , 则气泡在熔池内的压力为 : 十。 , . 、产爷呈 0成人簇 2 0 ( 1 0 ) 一皿一g r 一2 十斑、矛、 , U + 自 2 0夕 P 。 + 夕户。 ( h 一 2 0 ( h ( 1 1 0 沪卜汤|f 一一 lP, 5 2 1

。匹终卑、 ( “ 一、。 ( 。一。〔% e 〕十、 A r ,健粤孕一。、 A : 〔 % C〕 = 。 \ Q l , u 。解上式有 : d 〔% C 〕 d t 一 a ( a 一 b 〔% C 〕) + N A r 2b 二了 ( a a 一 a b〔% C〕 + N 人 , ) “ + 4 b a N A , 〔% C〕二 - . 一- 一一 ~ 一一一一 - 一二压甲一一一 -一一、 1 任 , 乙 O 分析 ( 1 4 )式 , 因为兰亘三巫塑旦匕丛少兰 -些型生二脸担> 2 b a ( a 一 b〔% C 〕) + N A , 2 6 故有 : 一了一 ( a 石一。战% C 〕不N ^ r ) 2 + 连6 a N ^ : 〔纬C 〕) 一一 - - - - - - 2 b a ( a 一 b 〔% C〕 ) + N ^ r 2 6 - 一一 < O 因此 , 为满足 d 〔纬 C 〕 d t ) O必须对 ( 14 ) 式取正号运算 , 即 : d〔 % C 〕 d t a ( a 一 b〔肠 C 〕 + N ^ r 二 — 一 2 吞 — 斌〔。 a 一 a b 〔肠c 〕 + 万A r ) “ + 4 石口方 A丁〔卿万 b2 一 ( 1 5 ) 由 ( 1 5) 式结合实验初始条件有常微分方程定值问题 : 〔丝丝鱼 } dt ,〔% C 〕 , . 。 a ( a 一 b〔% C〕 + N 人 r ~ 恻鱼杂进逆毕丛鱼鱼} ( 1 6 ) = 〔% C〕。 ( 2) 模型计算结果用 R un g e 一 k n t at 法〔 ` ’ 解 ( 1 6) 式。将20 t复吹转护工业实验各工艺条件和实测数据输入计算机 , 得模型解如图 3 、图 4 所示。可见 (1 3) 式在一定程度上可以描述 2 0t 复吹转炉冶炼不锈钢低碳域的脱碳过程。 0 〔 x p e r 工匆e n t a l - C a l e u l a t e d 欲卜 é口[ 任 : 0 。 D7 丁二 1 6 8 2 ℃ J犷二 2 3 1 0 0 k o 凡 r七 5 2 6枷 ,向生n 二c r ] 二 1 , . 1 名 [ Ni〕二 1 0 . 0 , %— \ _ U Lx P e r 劲此 n t 妞 1 - N。 ` l 一 Ca l e u l 盖〕 t e d 〔二 0 一 0 9 T 二 1 7 1多t 那二 2 1 1 1兀曦 g 对直 , 二弓 . ,枷 , /吐n 一 \ 入陌 B, 龙 [习笼一冈! {卜一 ~ .0 2 辞认 é口[ 0 2 0 4 O t加i n 60 8 0 t / m i n 图 5 o C r i s M o Z炯的脱碳曲线 F i g . 3 T五 e C u r v e o f d e e a r b o n i : a t i o n i公 s t e e l m a ki n g o C r z 8 Mo Z 图 4 o o C r l s N i i o钢的脱碳曲线 F i g . 4 T h e C u t 7 e o f d e c a r b o n i 名名 t i o n i n o t e e l m 盆 k i n g o o C r i 名N i i o 2 。 2 结果讨论 (1 ) 模型应用的途径和可能性将 (1 3 )式计算得到的曲线与实验点拟合求得脱碳反应速 5君3

度常数a,作a-8(e为熔池搅拌能)、：-r(t为炉内均匀混合时间)关系曲线如图5、图6所示。从图中可以看出熔池搅拌状况与脱碳速度常数有明显的相关关系。对目前国内炼钢生产中计算机应用较落后的情况，实际生产中若在大量实验基础上用上述方法得出a与e之间的经验回归关系式，用此经验式就可以通过控制炉内搅拌能来把握脱碳过程。搅拌能取决于熔池温度、顶底供气强度、钢水装入量等参数，因此治炼中根据操作条件便可以判断C-C:氧化反应精况，或者通过控制操作工艺用-ε回归式结合操作经验，实现对不锈钢脱碳反应的静态控制。 0.16 0.150 0.14 0.130 10/0 0,12 0.110 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.051 0.04 2000 2500 30003500 4000 37 41 43 46 E/W-t T/s 图5搅拌对脱碳反应速度常数的影响图6炉内均匀混合时间与速度常数的关系 Fig.5 The influence of stirring on the Fig.6 The telationship between the reaction rate of decarbonization complete mixing time in the vessle and the rate coefficient 另一方面，在配有副枪和计算机的条件下向计算机输入有关的取样数据和工艺参数，由微分方程定值问题(16)式解得〔%C)-t曲线，以达到动态控制的要求。当然，这仅仅是一种可能性和思路，离实际应用还有相当距离。 (2)应用条件及存在的问题图8、图4的脱碳曲线是通过选择合适的à值，使数值解与实际值相吻合得出的。因此要使该模型应用于实际的动态控制，首先应解决的求值问题，找出“与各工艺因素间的定量关系。要得到这类关系式必须在积累大量生产实验数据基础上对炉内反应的热力学和动力学机制进行深入、细致的研究。脱碳速度式(1I3)是C-C选择氧化反应热力学上满足Hilty平衡条件时得出的，只有熔池搅拌较强，C-C氧化反应接近平衡时，模型计算值才具有一定的准确程度。 3。结论 (1)运用治金反应动力学基本原理结合具体工业试验条件，分析得到20t复吹转炉治炼不锈钢低碳范围脱碳速度式： 0.2712Wm〔%Cr〕 dt%C) d%C)=-ac%C+一 10-13800/(T+4.2C%Ni)+8.76 X dt dt Wa:-1,8667w。dC%C dt 524

度常数。 , 作“ 一认二为熔池搅伴能 ) 、。一 , ( , 为炉内均匀混合时间 ) 关系曲线如图 5 、图 6所示。从图中可以看出熔池搅拌状况与脱碳速度常数有明显的相关关系。对目前国内笋钢生产中计算机应用较落后的情况 , 实际生产中若在大量实验基础上用上述方法得出口与。之间的经验回归关系式 , 用此经验式就可以通过控制炉内搅拌能来把握脱碳过程。搅拌能取决于熔池温度、顶底供气强度、钢水装人量等参熬 , 因此冶炼中根据操作条件便可以判断C 一 Cr 氧化反应情况 , 或者通过控制操作工艺用 “ 一 “ 回归式结合操作经验 , 实现对不锈钢脱碳反应的攀毒锌制。下州u 卢 } 提诊邢月, 一, 泛芍讨u 2 0 0 0 2 , 00 J 0 0 0 ) , 0 0 4 0 0 0 云次 · t 、、未、厂狡闷1 图 5 F i g 。 5 掩拌对脱碳反应速度常数的影响 T h e 呈n f l u e 九 e e o f s t i r r i众 9 o n t五e r e a e t邃o n r a t e o f d e e a r b o 红立么 a t i o n 图 6 扩 F 19 . 6 可均匀混合时间与速度常救的关系 T h e r e l a t i o n s h i P b e t w e e n t h e e o m P l e t e 功 i x i 刀 9 t i m e i n t h e v e s s l e a n d t h e r a t e e o e f f i e i e 皿 t 另一方面 , 在配有副枪和计算机的条件下向计算机输入有关的取样数据和工艺参数 , 由微分方程定值问题 ( 1 6 ) 式解得〔% C〕一 t 曲线 , 以达到动态控制的要求。当然 , 这仅仅是一种可能性和思路 , 离实际应用还有相当距离。 ( 2) 应用条件及存在的问题图 3 、图 4 的脱碳曲线是通过选择合适的 a 值 , 使数值解与实际值相吻合得出的。因此要使该模型应用于实际的动态控制 , 首先应解决 “ 的求值向题 , 找出 a 与各工艺因素间的定量关系。要得到这类关系式必须在积累大量生产实验教据基础上对炉内反应的热力学和动力学机制进行深入、细致的研究。脱碳速度式 ( 13 ) 是 C 一 C r选择氧化反应热力学上满足 H ilt y 平衡条件时得出的 , 只有熔池搅拌较强 , C 一 C r 氧化反应接近平衡时 , 模型计算值才具有一定的准确程度。 3 。结论 ( l) 运用冶金反应动力学基本原理结合具体工业试验条件 , 分析得到 20 t复吹转炉冶炼不锈钢低碳范围脱碳速度式 : 0 。 2 7 1 2牙二〔写C r 〕 d 〔% C〕 _ d t 一 … ( % C〕 ` 1 0 一 13 8 0 0 / ( T + 4 . 2 〔% N i 〕) + 8 . 7 6 N 人 : 一 1 。 8 6 6 7平 m - d 〔% C 〕 d t 丛丝竺、 } 5君4 洲

(2)用Runge-kuttai法计算(13)式可知，模型的数值解与实验值吻合良好，这表明该模型在一定意义上可以描述20t复吹转炉炼不锈钢低碳范围的脱碳过程。 (3)模型对治炼过程静态控制有一定意义，也为动态控制提供了一种思路。然而，离实际应用还有较大距离，模型参数ā与工艺参数之间的定量关系有待于进一步研究。参考文献 1中村莫夫.铁七钢，1984,70(13)：S1020 2增田诚一，铁匕钢，1986,72(9)：71-78 3 北村信也.铁七钢，1986,72(1)：47-54 4郭木星.北京科技大学硕士论文，1988,71-72 5易大义等。数值方法.杭州：浙江科技出版社，1984,350-360 热冒技术推广由北京科技大学、洛阳耐火材料研究院、武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司等单位共同研制的热冒技术，其成果是采用绝热板、防缩化剂、保护渣与冒口形状合理设计等多项技术，以改善钢锭的补缩，冒口处的偏析及优化开坯轧制时金属变形，达到提高钢锭成坯率的目的。绝热板研究是在大量配方测试、建立结构和传热模型的基础上，提出绝热板的保温性能在材料保证耐火度的前提下，取决于物料粒度，而与物料本身导热系数影响较少。为此项技术发展，稳定产品质量打下基础，也为防缩孔剂开发提供理论根据。对于轻质绝热板，研究了轻质骨料高温特性，加变质剂的效果，研讨了容重、气孔率、气孔大小与保温性能的关系。保护渣研究了化学成分、原料粒度、矿相组成、原料组合模式及凝固过程保护渣与金属间相互作用对钢锭表面质量的影响，为生产无缺陷钢锭（或钢坯）提供保证。冒口形状设计不仅影响保温性能、冒口处钢锭偏析程度及形状，而且影响开坯轧制过程的金属变形，从而造成不同程度钢锭头部的机械收缩与表面延伸缺陷的损失。合理形状设计能它使上述缺陷取在最小值，得到最大经济效益。 525

( 2) 用R u n g e 一 k u t ta 法计算 ( 1 3) 式可知 , 模型的数值解与实验值吻合良好 , 这表明该模型在一定意义上可以描述 20 t复吹转炉炼不锈钢低碳范围的脱碳过程。 (3 ) 模型对冶炼过程静态控制有一定意义 , 也为动态控制提供了一种思路。然而 , 离实际应用还有较大距离 , 模型参数 a 与工艺参数之间的定量关系有待于进一步研究。参考文献中村莫夫 . 铁己钢 , 1 9 8 4 , 7 0 ( 1 3 ) : 5 1 0 2 0 增田诚一。铁己钢 , 1 9 8 6 , 7 2 ( 9 ) : 7 1 一 7 5 北村信也。铁己钢 , 1 9 8 6 , 7 2 ( 1 ) : 4 7 一 5 4 郭木星 . 北京科技大学硕士论文 , 19 8 , 7 1 一 7 2 易大义等 . 数值方法 . 杭州 : 浙江科技出版社 , 1 9 84 , 3 5。一 3 6 0 热冒技术推广由北京科技大学、洛阳耐火材料研究院、武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司等单位共同研制的热冒技术 , 其成果是采用绝热板、防缩化剂、保护渣与冒口形状合理设计等多项技术 , 以改善钢锭的补缩 , 冒口处的偏析及优化开坯轧制时金属变形 , 达到提高钢锭成坯率的目的。绝热板研究是在大量配方测试、建立结构和传热模型的基础上 , 提出绝热板的保温性能在材料保证耐火度的前提下 , 取决于物料粒度 , 而与物料本身导热系数影响较少。为此项技术发展 , 稳定产品质量打下基础 , 也为防缩孔剂开发提供理论根据。对于轻质绝热板 , 研究了轻质骨料高温特性 , 加变质剂的效果 , 研讨了容重、气孔率、气孔大小与保温性能的关系。保护渣研究了化学成分、原料粒度、矿相组成、原料组合模式及凝固过程保护渣与金属间相互作用对钢锭表面质量的影响 , 为生产无缺陷钢锭 ( 或钢坯 ) 提供保证。冒口形状设计不仅影响保温性能、冒口处钢锭偏析程度及形状 , 而且影响开坯轧制过程的金属变形 , 从而造成不同程度钢锭头部的机械收缩与表面延伸缺陷的损失。合理形状设计能它使上述缺陷取在最小值 , 得到最大经济效益。右2 5