DO10.13374斤.is00153x.20l.03.012 第33卷第3期 北京科技大学学报 Vo133 No 3 2011年3月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Mar 2011 冶炼超低碳钢内部脱碳机理及控制工艺 李崇巍☒成国光》王新华D 朱国森2》崔爱民》 1)北京科技大学治金与生态学院北京1000832)首钢迁钢有限责任公司，唐山064400 区通信作者.Ema!lichorgwei423@ah9cmm 摘要为了研究H真空处理过程脱碳反应速率及其影响因素，并有效地控制超低碳钢在阳真空处理过程中碳含量的变 化.根据热力学，动力学原理建立了RH真空处理脱碳数学模型，通过R田真空处理脱碳数学模型研究了内部脱碳反应深度和 脱碳速率之间的关系.模型计算结果表明，反应深度的变化和内部脱碳的反应速率是相对应的，采取预真空操作，提升了反应 深度.淡化了前期脱碳转折点的影响。加速了前期的脱碳反应。并在RH处理后期找到了内部脱碳向表面脱碳转变的时间临 界点 关键词炼钢：低碳钢：脱碳；数学模型 分类号TF7694 Internal decarburization m echan ism and control technology ofRH treatm ent for ultra low carbon steel LI Chongwep CHENG Guaguang)WANG X n hua ZHU Gua se?)CUIAim i) 1)SchoolofMeta llugical and Ecobgical Engmeering University of Science and Technopgy Be ijing Beijing 100083 Chna 2)ShougngQi a Ion and SteelCo Ld.Tangshan (64400 Chna Comespanding author Emal lichongwei 423@yahoo com cn ABSTRACT In oder o sudy he reacton rate ofRH vacuu decarburizaton and its nfuecing facprs and effectively contol the change n carbon content ofu ltra low carbon steel in theRH vacuum treament process am ahematicalmodel ofRH vacuum decarburi zation was estab lished a he basis of thek netc and themalynamic theorjes A reltionshp beween the reacton depth of intemal de carburization and the decarburizaton reacton rate was sud ed by he RH vacuum decarburizaton model The cakulated results of his molel show hat the change in reaction depth is correspondng p the decarburization reaction rate Takng a pre vacuum operation can increase the reaction dep b decrease the mpact of he early decarbonizaton uming pont and accelerate he decarburization reaction in the eary sage The critical pont of tie from intemal to surface decarbonization is found out n he ate of RH treament KEY WORDS steemaking pw carbon steel decarburizaton mathematicalmodes 对于超低碳钢，高效F精炼要求碳质量分数 要为内部脱碳，后期转为表面脱碳，如何确定转折点 ≤0003%，精炼时间控制在15m以内，H脱碳 极为重要.本文从内部脱碳反应深度角度出发，找 深处理作为最主要的精炼模式，其脱碳反应一般考 到了内部脱碳向表面脱碳转变的临界点. 虑发生在四个地点：真空室内钢液自由表面、氩气泡 Kuwabara等认为内部脱碳深度是随时间延 表面、真空槽钢液内部山与飞溅液滴表面.但是， 长而逐渐降低的，期间不会出现波动性变化： 钢液内部脱碳在整个脱碳过程中的脱碳量所占比重 Masam itst等l认为脱碳深度随时间延长会出现一 最大！)，其反应速率与真空室内钢液面下钢水碳氧 峰值，没有考虑钢液中气泡克服表面张力的临界压 反应深度密切相关，因此研究内部脱碳的反应深度 力值，所得到的脱碳反应深度偏大，并且没有给出影 对研究内部脱碳机理有重要意义.R处理前期主 响其深度变化的工艺参数.本文针对以上缺陷，进 收稿日期：2010-05-25 基金项目：“十一五"国家科技支撑计划资助项目(N93A13)
第 33卷 第 3期 2011年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.3 Mar.2011 RH冶炼超低碳钢内部脱碳机理及控制工艺 李崇巍 1) 成国光 1) 王新华 1) 朱国森 2) 崔爱民 2) 1)北京科技大学冶金与生态学院, 北京 100083 2)首钢迁钢有限责任公司, 唐山 064400 通信作者, E-mail:lichongwei 423@yahoo.com.cn 摘 要 为了研究 RH真空处理过程脱碳反应速率及其影响因素, 并有效地控制超低碳钢在 RH真空处理过程中碳含量的变 化, 根据热力学、动力学原理建立了 RH真空处理脱碳数学模型, 通过 RH真空处理脱碳数学模型研究了内部脱碳反应深度和 脱碳速率之间的关系 .模型计算结果表明, 反应深度的变化和内部脱碳的反应速率是相对应的, 采取预真空操作, 提升了反应 深度, 淡化了前期脱碳转折点的影响, 加速了前期的脱碳反应, 并在 RH处理后期找到了内部脱碳向表面脱碳转变的时间临 界点. 关键词 炼钢;低碳钢;脱碳 ;数学模型 分类号 TF769.4 InternaldecarburizationmechanismandcontroltechnologyofRHtreatmentfor ultra-lowcarbonsteel LIChong-wei1) , CHENGGuo-guang1) , WANGXin-hua1) , ZHUGuo-sen2) , CUIAi-min2) 1)SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)ShougangQian' anIronandSteelCo.Ltd., Tangshan064400, China Correspondingauthor, E-mail:lichongwei 423@yahoo.com.cn ABSTRACT InordertostudythereactionrateofRHvacuumdecarburizationanditsinfluencingfactors, andeffectivelycontrolthe changeincarboncontentofultra-lowcarbonsteelintheRHvacuumtreatmentprocess, amathematicalmodelofRHvacuumdecarburizationwasestablishedonthebasisofthekineticandthermodynamictheories.ArelationshipbetweenthereactiondepthofinternaldecarburizationandthedecarburizationreactionratewasstudiedbytheRHvacuumdecarburizationmodel.Thecalculatedresultsofthis modelshowthatthechangeinreactiondepthiscorrespondingtothedecarburizationreactionrate.Takingapre-vacuumoperationcan increasethereactiondepth, decreasetheimpactoftheearlydecarbonizationturningpointandacceleratethedecarburizationreactionin theearlystage.ThecriticalpointoftimefrominternaltosurfacedecarbonizationisfoundoutinthelateofRHtreatment. KEYWORDS steelmaking;lowcarbonsteel;decarburization;mathematicalmodels 收稿日期:2010--05--25 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目(No.3A13) 对于超低碳钢 , 高效 IF精炼要求碳质量分数 ≤0.003%,精炼时间控制在 15 min以内 , RH脱碳 深处理作为最主要的精炼模式 ,其脱碳反应一般考 虑发生在四个地点:真空室内钢液自由表面、氩气泡 表面、真空槽钢液内部 [ 1]与飞溅液滴表面 [ 2] .但是 , 钢液内部脱碳在整个脱碳过程中的脱碳量所占比重 最大 [ 3] , 其反应速率与真空室内钢液面下钢水碳氧 反应深度密切相关, 因此研究内部脱碳的反应深度 对研究内部脱碳机理有重要意义 .RH处理前期主 要为内部脱碳 ,后期转为表面脱碳 ,如何确定转折点 极为重要 .本文从内部脱碳反应深度角度出发, 找 到了内部脱碳向表面脱碳转变的临界点 . Kuwabara等 [ 4] 认为内部脱碳深度是随时间延 长而逐渐 降低的 , 期 间不会 出现波 动性变 化; Masamitsu等 [ 1]认为脱碳深度随时间延长会出现一 峰值 ,没有考虑钢液中气泡克服表面张力的临界压 力值 ,所得到的脱碳反应深度偏大 ,并且没有给出影 响其深度变化的工艺参数 .本文针对以上缺陷, 进 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2011 .03 .012
第3期 李崇巍等：RH冶炼超低碳钢内部脱碳机理及控制工艺 ·277° 一步考虑了钢液的表面张力，得到了内部脱碳反应 钢液中碳氧含量以及吹氩流量都会对内部脱碳产生 深度随时间的变化规律以及对脱碳速率的影响，并 影响，并且其影响相互交叉，具体机理并不清楚，因 且优化了工艺参数，取得了较好的脱碳效果. 此有必要建立具体的数学模型以找到内部脱碳的一 1有关RH脱碳限制性环节的研究 些规律. 2.1RH内部脱碳数学模型的建立 进入R炉内的钢水在通常情况下，脱碳反应 在接近真空室表面的钢水内部区域，当CO气 一般分为三个步骤：液相中CO的质量传输；液相 体的分压超过钢水的静态压力时，就会发生脱碳反 中CO之间的化学反应：生成的CO在气相中的质 应.反应条件表示为 量传输. ≥Pydome十巳ricN (5) Harash ma等Is-和Amano等I曾经研究过液 设钢液中CO的平衡压力8≥Rydnoue十 相中CO之间的化学反应不是RH脱碳的速率控 Pc4并且在满足该条件的最深点有一刚刚生成的 制环节.对于自然脱碳，钢液中O含量远远高于C 气泡，气泡直径为气泡顶部距离真空室表面的距 含量，不是速率控制环节，所以在发生内部脱碳的区 离为日则气泡内的压力为 域，主要是C的扩散控速9 LR+p8(4)+22 (6) 2RH内部脱碳数学模型的建立及讨论 整理得 针对RH处理时脱碳反应发生的四个地点，即 pg一(p-R-p斗2o=0 (7) 真空室内钢液自由表面、氩气泡表面、真空槽钢液内 -(PR-p±JPR-PD-80% 部与飞溅液滴表面，建立了RH真空处理自然脱 2pg 碳的数学模型，如图1所示. (8) 表面脱碳反应 C0液滴脱碳反应 当P-R一p8P高时，方程有两个实根 CO 分别表示气泡大小的上下限.当P-R一pHk 8P哥时方程无实根，说明此条件下不能生成 气泡. A+C0气泡脱碳反应内部脱碳反应 将PR一P=8P哥代入式(8中，可得 20 上 (9) R4-29-2p5 (10) 图1RH脱碳地点示意图 把钢液的物性数据代入式(9和式(10)中，可 Fg1 Dingramm atic se tch of RH decaburization sites 以得到生成钢液气泡的临界半径和临界压力分别为 =0.7X1029ba=525Pa 自然脱碳数学模型的整体框架如下： 由此可以根据是否发生内部脱碳的原则把真空 W(4qL/d9=Q[9v-[9L) (1) 室内钢水划分为两个区域边界点为临界钢水高度. W(4OL/d9=Q([qv-[9) (2) 根据各个时间点操作条件的不同，内部脱碳反应的 w(d qv/d= 临界钢水高度是不同的，其具体数值可以表示如下： Q[qL-[9v)-(4+d4n+k.+d)(3) H-9L9B-R-525 w(d av/d=Q[qL-[9v)- (11) 08 说(dr+d+da+d) 如果内部脱碳模型的结构仅限于此，那么其脱 (4) 碳速率应该为4 式中，下标LV分别代表钢包、真空室. A~m峰f 由式(1)~(4)可知，R的脱碳能力与循环流 dh=- (q-[9.)dh(12) 量以及四个脱碳地点的脱碳速率有关.在四个脱碳 R+p4H+525 地点中，钢液内部脱碳在整个脱碳过程中总脱碳量 【9= K[O·B (13) 占有最大的比重，宏观上考虑，真空室内的真空度、 但是，在RH脱碳的整个过程中，由于所吹入氩
第 3期 李崇巍等:RH冶炼超低碳钢内部脱碳机理及控制工艺 一步考虑了钢液的表面张力 ,得到了内部脱碳反应 深度随时间的变化规律以及对脱碳速率的影响 ,并 且优化了工艺参数,取得了较好的脱碳效果. 1 有关 RH脱碳限制性环节的研究 进入 RH炉内的钢水在通常情况下 ,脱碳反应 一般分为三个步骤:液相中 C、O的质量传输 ;液相 中 C、O之间的化学反应;生成的 CO在气相中的质 量传输 . Harashima等 [ 5--6]和 Amano等 [ 7] 曾经研究过液 相中 C、O之间的化学反应不是 RH脱碳的速率控 制环节 .对于自然脱碳 ,钢液中 O含量远远高于 C 含量, 不是速率控制环节, 所以在发生内部脱碳的区 域 ,主要是 C的扩散控速 [ 8] . 2 RH内部脱碳数学模型的建立及讨论 针对 RH处理时脱碳反应发生的四个地点 ,即 真空室内钢液自由表面、氩气泡表面 、真空槽钢液内 部与飞溅液滴表面 [ 9] , 建立了 RH真空处理自然脱 碳的数学模型,如图 1所示 . 图 1 RH脱碳地点示意图 Fig.1 DiagrammaticsketchofRHdecarburizationsites 自然脱碳数学模型的整体框架如下: W(d[ C] L /dt)=Q([ C] V -[ C] L) (1) W(d[ O] L/dt)=Q([ O] V -[ O] L) (2) w(d[ C] V /dt)= Q([ C] L -[ C] V)-(dAr+din +dface +dspl)(3) w(d[ O] V /dt)=Q([ O] L -[ O] V)- MO MC (dAr +din +dface +dspl) (4) 式中, 下标 L、V分别代表钢包 、真空室 . 由式(1)～ (4)可知, RH的脱碳能力与循环流 量以及四个脱碳地点的脱碳速率有关 .在四个脱碳 地点中 ,钢液内部脱碳在整个脱碳过程中总脱碳量 占有最大的比重 ,宏观上考虑, 真空室内的真空度 、 钢液中碳氧含量以及吹氩流量都会对内部脱碳产生 影响 ,并且其影响相互交叉 , 具体机理并不清楚, 因 此有必要建立具体的数学模型以找到内部脱碳的一 些规律. 2.1 RH内部脱碳数学模型的建立 在接近真空室表面的钢水内部区域 ,当 CO气 体的分压超过钢水的静态压力时 , 就会发生脱碳反 应.反应条件表示为 [ 8] p eq CO≥phydrostatic +pcritical (5) 设钢液 中 CO的平衡 压力 p eq CO ≥ phydrostatic + pcritical,并且在满足该条件的最深点有一刚刚生成的 气泡 ,气泡直径为 r,气泡顶部距离真空室表面的距 离为 H, 则气泡内的压力为 p=pV +ρg(H+r)+ 2σ r (6) 整理得 ρgr 2 -(p-pV -ρgH)r+2σ=0 (7) r= (p-pV -ρgH)± (p-pV -ρgH) 2 -8ρgσ 2ρg (8) 当 p-pV -ρgH≥ 8ρgσ时, 方程有两个实根, 分别表示气泡大小的上下限.当 p-pV -ρgH< 8ρgσ时方程无实根 , 说明此条件下 不能生成 气泡 . 将 p-pV -ρgH= 8ρgσ代入式 (8)中 ,可得 r= 2σ ρg (9) pcritical= 2σ r = 2ρgσ (10) 把钢液的物性数据代入式 (9)和式 (10)中, 可 以得到生成钢液气泡的临界半径和临界压力分别为 r=0.7 ×10 -2 m, pcritical=525Pa. 由此可以根据是否发生内部脱碳的原则把真空 室内钢水划分为两个区域,边界点为临界钢水高度. 根据各个时间点操作条件的不同 , 内部脱碳反应的 临界钢水高度是不同的 ,其具体数值可以表示如下: H= K[ C] [ O] p0 -pV -525 ρg (11) 如果内部脱碳模型的结构仅限于此 , 那么其脱 碳速率应该为 [ 4] din =- AS·ρmk1 w ∫ H 0 ([ C] -[ C] n)dh (12) [ C] n = pV +ρgH+525 K·[ O]·p0 (13) 但是 ,在 RH脱碳的整个过程中, 由于所吹入氩 · 277·
。278 北京科技大学学报 第33卷 气的影响，存在一个气液两相区，所以内部脱碳的脱 240 碳速率公式应该再乘以一个系数？.”可以表 一模拟碳质量分数 200 ·实际碳质量分数 示为 160 V 初始碳：230x10 =1 xR耳 (14) 初始氧：617×10 120 到站温度：1909K 由以上讨论可以得到内部脱碳的反应速率 80叶 A°Amk 40F d,= πRH (-[g.)dh g 3579111315 (15) 时间/min 把式(11代入到式(15)可得 图308303643炉次模型计算值与实测值的比较 A院跳 y f Fg 3 Conparison beween cakulated results by model with πR可2kT9g16) observed va les of the08303643 heat 由式(16)河以看出，内部脱碳的反应速率和脱 碳深度之间成二次方的关系，因此了解脱碳深度随 220F 一模型碳质量分数 时间的变化关系就间接得到了脱碳速率的变化规 180 实际碳质量分数 律.由式(11)河得脱碳深度随钢液中碳氧含量的增 140 初始碳：200x10 初始氧：555×10h 加而增加，随真空度的提高而增大.在初始碳、氧一 到站温度：1919K 定的情况下，真空度的高低就是影响内部脱碳大小 60 的最直接的因素 2.2模型计算结果的讨论分析 3579111315 图2~图4分别描述了迁钢08203131炉次、 时间min 08303643炉次以及08102177炉次实际碳含量与模 图4081021刀炉次模型计算值与实测值的比较 型碳含量的对比[9.由图可以看出模型计算值与实 Fg 4 Comparison beween ca loula ted results by modelwith d 验实测值吻合较好说明所建立的模型符合实际生 senved values of the08102177 heat 产情况.以下讨论均以此模型计算为基础。 图5描述了08203131炉次冶炼过程中真空度 280 一模拟碳质量分数 以及吹氩流量随时间的变化，模型以此参数为基础 240 ·实际碳质量分数 来进行计算.图6根据式(11)描述了08203131炉 200 初始碳：270x10 次内部脱碳反应深度随时间的变化.与模拟碳含量 160 初始氧：621×10 到站温度：1895K 相对比可以看出，在08203131炉次的工况条件下， 120- 内部脱碳反应深度出现了两个峰值的变化，其峰值 80F 对应时间点分别为3m和7m识在3m以前，碳 40- 的质量分数在1.94X104~2.70X10‘区间内，脱碳 0 3579111315 深度随时间逐渐增加；3~6m9碳的质量分数在 时问/min 7.4×103~1.94×10区间内，脱碳深度随时间逐 图208203131炉次模型计算值与实测值的比较 渐降低：在6~7.5m之间，脱碳深度又出现另一 Fg2 Conparion beween cakcukted results by molel with ob 峰值的变化：7.5m以后，脱碳深度随时间的变化 served vales of the08203131 heat 开始降低，脱碳速率越来越慢，此时对应的碳的质量 由式(11)可得，钢液中碳、氧含量以及外界真 分数为48×103 空度的大小是影响内部脱碳反应深度的主要因素， 为了进一步得到内部脱碳反应深度和脱碳速率 其脱碳反应深度会随着碳、氧含量的降低而减小，随 之间的对应关系，作图7.由图7可以看出：对应反 着真空度的提高而增加.H珀然脱碳的过程是碳、 应深度的变化，内部脱碳反应速率也出现了两个峰 氧含量逐渐降低并且真空度逐渐提高的一个过程. 值，前期随着抽真空操作的进行，内部脱碳反应速率 所以脱碳反应深度的具体变化并不明确，有待进一 逐渐增大：在3.5m左右，真空度的变化出现平 步探索。 台，内部脱碳速率达到最大；之后随着碳、氧浓度的
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 气的影响,存在一个气液两相区 ,所以内部脱碳的脱 碳速率公式应该再乘以一个系数 η [ 9] .η可以表 示为 η=1 - Vj πR 2 H1 (14) 由以上讨论可以得到内部脱碳的反应速率 din =- AS·ρmk1 w 1 - Vj πR 2H1 ∫ H 0 ([ C] -[ C] n)dh (15) 把式(11)代入到式 (15)可得 din =- AS·ρ 2 m gk1 w 1 - Vj πR 2H1 H 2 2K·[ O]·p0 (16) 由式(16)可以看出, 内部脱碳的反应速率和脱 碳深度之间成二次方的关系 ,因此了解脱碳深度随 时间的变化关系就间接得到了脱碳速率的变化规 律 .由式(11)可得脱碳深度随钢液中碳氧含量的增 加而增加,随真空度的提高而增大 .在初始碳、氧一 定的情况下 ,真空度的高低就是影响内部脱碳大小 的最直接的因素 . 2.2 模型计算结果的讨论分析 图 2 ～ 图 4 分别描述了迁钢 08203131 炉次 、 08303643炉次以及 08102177炉次实际碳含量与模 型碳含量的对比 [ 9] .由图可以看出模型计算值与实 验实测值吻合较好, 说明所建立的模型符合实际生 产情况 .以下讨论均以此模型计算为基础. 图 2 08203131炉次模型计算值与实测值的比较 Fig.2 Comparisonbetweencalculatedresultsbymodelwithobservedvaluesofthe08203131 heat 由式 (11)可得, 钢液中碳 、氧含量以及外界真 空度的大小是影响内部脱碳反应深度的主要因素 , 其脱碳反应深度会随着碳 、氧含量的降低而减小,随 着真空度的提高而增加.RH自然脱碳的过程是碳 、 氧含量逐渐降低并且真空度逐渐提高的一个过程 . 所以脱碳反应深度的具体变化并不明确, 有待进一 步探索 . 图 3 08303643炉次模型计算值与实测值的比较 Fig.3 Comparisonbetweencalculatedresultsbymodelwith observedvaluesofthe08303643 heat 图 4 08102177炉次模型计算值与实测值的比较 Fig.4 Comparisonbetweencalculatedresultsbymodelwithobservedvaluesofthe08102177 heat 图 5描述了 08203131 炉次冶炼过程中真空度 以及吹氩流量随时间的变化, 模型以此参数为基础 来进行计算.图 6根据式 (11)描述了 08203131炉 次内部脱碳反应深度随时间的变化.与模拟碳含量 相对比可以看出, 在 08203131炉次的工况条件下, 内部脱碳反应深度出现了两个峰值的变化, 其峰值 对应时间点分别为 3 min和 7min.在 3 min以前 ,碳 的质量分数在 1.94 ×10 4 ～ 2.70 ×10 4区间内 ,脱碳 深度随时间逐渐增加 ;3 ～ 6 min, 碳的质量分数在 7.4 ×10 5 ～ 1.94 ×10 4区间内, 脱碳深度随时间逐 渐降低;在 6 ～ 7.5 min之间 , 脱碳深度又出现另一 峰值的变化;7.5 min以后, 脱碳深度随时间的变化 开始降低 ,脱碳速率越来越慢 ,此时对应的碳的质量 分数为 4.8 ×10 5. 为了进一步得到内部脱碳反应深度和脱碳速率 之间的对应关系, 作图 7.由图 7可以看出 :对应反 应深度的变化 ,内部脱碳反应速率也出现了两个峰 值, 前期随着抽真空操作的进行, 内部脱碳反应速率 逐渐增大 ;在 3.5 min左右 , 真空度的变化出现平 台, 内部脱碳速率达到最大 ;之后随着碳 、氧浓度的 · 278·
第3期 李崇巍等：RH冶炼超低碳钢内部脱碳机理及控制工艺 279° 可以分为三个阶段：0~3m识速率常数为K= 100 2100 一真空度 0.196mT,3-7mgK=0394mr:7-12m单 吹氩量 K=0247m行1 1500每 3模型的实际应用 1200 如上所述，初始碳、氧含量一定的情况下，外界 10 15 真空度的高低决定了反应深度的大小，为了提高内 时间/mn 部脱碳的反应速率，采取预真空的操作，模型计算预 图5RH处理相关的工艺参数(08203131炉次) 真空操作条件下反应深度以及脱碳速率的变化趋 Fig 5 Related parmeters of RH trea ment(the08203131 heat 势，如图8所示.采取预真空操作，加速了前期的脱 碳反应，并且达到反应深度最高值的时间提前了 280 1m?3m之后，由于内部脱碳消耗了大量的碳、 240 氧。内部脱碳的反应速率明显低于没有预真空操作 的脱碳速率. 16 30 40 无预真空反应深度 25 ·预直空反应深度 80 无预直空的脱碳速率 7.4x10- 0 、4.8x ·预真空反应速率 40 20L 反应深度 15* 6810121416 时间/min 10 图6模型碳含量与脱碳深度随时间的变化(082031B1炉次) F6 Changes of cakuled carbon content and reaction dept wih tme(he08203131 heat) 6 10 时间/min 降低，反应深度急剧减薄：7m时，真空室进行深抽 图8预真空操作对反应速率和反应深度的影响 操作，&5m达到极限真空，期间反应深度和脱碳 F8 Effect of the pre vacuum operation on the eact ion rate and 速率出现另一峰值的变化；10.5m之后，内部脱碳 depth 速率变为0RH脱碳逐渐转变为表面脱碳. 图9描述了预真空操作条件下碳含量以及脱碳 100r 40 3.5 90 22 ,=0.247 3.0 速率的变化情况.在7m以前，碳含量明显低于没 税碳 32 18 速 2.5 有预真空的情况.尤其在3m咗右，碳含量的变化 三5 前后相差4.9X103.在常规操作条件下，脱碳速率 10 0.394 反应深度 在3m咗右会出现由低到高的转变，但在采取预 0 1.0 真空操作之后，淡化了该转折点的影响，使得脱碳速 5 0.5 0- =0.196 Jo 率一开始就保持在一较高值，从而在前期达到了较 6 2 时间min 280 一没有预真空 图7内部脱碳反应速率与反应深度之间的关系(08203131炉次) 240 一一顶直字 Fg7 Relationshp beween the reac tion rate of intemal decarburizaton 200 and the reaction depth(the08203131 hea 160 49x10 2 120 由此可得：反应深度的变化和内部脱碳的反应 80 速率是相对应的，在初始碳、氧含量一定的情况下， 40 真空度的变化是影响内部脱碳速率的最主要的因 6.810121416 素.由于内部脱碳在总体的脱碳量效果中所占比重 时间min 最大，所以其脱碳速率的变化基本上反映了整体脱 图9预真空操作对碳含量的影响 碳的变化趋势.如图7所示，整体脱碳的变化趋势 Fg 9 Effect of pre vacuum opemation on caibon content
第 3期 李崇巍等:RH冶炼超低碳钢内部脱碳机理及控制工艺 图 5 RH处理相关的工艺参数(08203131炉次) Fig.5 RelatedparametersofRHtreatment(the08203131 heat) 图 6 模型碳含量与脱碳深度随时间的变化(08203131炉次) Fig.6 Changesofcalculatedcarboncontentandreactiondepth withtime(the08203131 heat) 降低,反应深度急剧减薄;7min时,真空室进行深抽 操作, 8.5 min达到极限真空 , 期间反应深度和脱碳 速率出现另一峰值的变化 ;10.5 min之后 ,内部脱碳 速率变为 0, RH脱碳逐渐转变为表面脱碳 . 图 7 内部脱碳反应速率与反应深度之间的关系(08203131炉次) Fig.7 Relationshipbetweenthereactionrateofinternaldecarburization andthereactiondepth(the08203131 heat) 由此可得 :反应深度的变化和内部脱碳的反应 速率是相对应的 ,在初始碳、氧含量一定的情况下 , 真空度的变化是影响内部脱碳速率的最主要的因 素 .由于内部脱碳在总体的脱碳量效果中所占比重 最大, 所以其脱碳速率的变化基本上反映了整体脱 碳的变化趋势.如图 7所示 , 整体脱碳的变化趋势 可以分为三个阶段 :0 ～ 3 min, 速率常数为 Kc = 0.196 min -1 , 3 ～ 7 min, Kc =0.394 min -1 ;7 ～ 12 min, Kc =0.247 min -1 . 3 模型的实际应用 如上所述 ,初始碳、氧含量一定的情况下, 外界 真空度的高低决定了反应深度的大小 ,为了提高内 部脱碳的反应速率 ,采取预真空的操作 ,模型计算预 真空操作条件下反应深度以及脱碳速率的变化趋 势, 如图 8所示.采取预真空操作,加速了前期的脱 碳反应, 并且达到反应深度最高值的时间提前了 1 min;3 min之后 , 由于内部脱碳消耗了大量的碳、 氧, 内部脱碳的反应速率明显低于没有预真空操作 的脱碳速率. 图 8 预真空操作对反应速率和反应深度的影响 Fig.8 Effectofthepre-vacuumoperationonthereactionrateand depth 图 9 预真空操作对碳含量的影响 Fig.9 Effectofpre-vacuumoperationoncarboncontent 图 9描述了预真空操作条件下碳含量以及脱碳 速率的变化情况.在 7 min以前,碳含量明显低于没 有预真空的情况.尤其在 3 min左右,碳含量的变化 前后相差 4.9 ×10 5 .在常规操作条件下 , 脱碳速率 在 3 min左右会出现由低到高的转变 , 但在采取预 真空操作之后 ,淡化了该转折点的影响 ,使得脱碳速 率一开始就保持在一较高值, 从而在前期达到了较 · 279·
。280 北京科技大学学报 第33卷 好的脱碳效果. 一平衡的CO分压，取决于溶解的CO浓度 4结论 以及钢液温度，P? 一临界压力，其大小和CO气泡的稳定形 (1)建立了RH内部脱碳的数学模型，得出钢 核有关P? 液中生成O气泡的临界半径、临界压力分别为 Rams一钢水的静态压强。P? 0.7mm525Pa Q环流量，tmr; (2)碳含量的模型计算值与实验实测值吻合 RA一真空室半径及横截面积，mni: 较好. W气液两相区体积m: (3)反应深度的变化是和内部脱碳的反应速率 WW-钢包内、真空室内的钢水质量，t 相对应的，其峰值的变化基本上反映了整体脱碳的 变化趋势. 参考文献 (4)在首钢迁钢有限公司现有的操作条件下， 【刂TakahashiM Matmop日SaiT Mechanim of decarburiza 内部脱碳向表面脱碳转变的临界点大概在10mn tion in RH degasser ISU Int 1995 35(12):1452 [2 Yu NW.Ma thimatical and PhysicalModelng ofMultifunction RH 左右. Refn ing Poces Dissera tin.Shanghai ShanghaiUniversit (5)初始碳、氧含量一定的条件下，外界真空度 2001 的高低决定了反应深度的大小. (郁能文.多功能RH精炼过程的数学和物理模拟【学位论 (6)采取预真空操作，加速了前期的脱碳反应， 文].上海：上海大学，2001) 淡化了其脱碳转折点的影响，使得脱碳速率一开始 [3 Liu B Decarturiztion Model and mprovement of RHMFB Poces[Dissenation.Hebej Hebei Poly technic Universi, 就保持在一较高值，从而达到了较好的脱碳效果. 2005 符号表 (刘柏松.R-MB脱碳过程模型与工艺优化【学位论文1 河北：河北理工大学，2005) [9、【9一钢水中碳、氧的质量分数，%： [4 KuwabamT Umezawak Morik et al Investgation of decar [9一反应地点与外界压强相平衡时碳的质 burization behavior n RH-reac or and its operation mpovem ent 量分数，%： Trans Ion Steel Inst JPn 1988 28 305 4一A气泡表面单位时间的脱碳量。tmr': I5 Harashma K MimguchiS Kajcka H Kinetics of decarburiz de一真空室自由表面单位时间的脱碳量， tion of bw cabon lnud iron under reduced pressures Tets o Hagane198874449 miri, 【日Harashma K Mizguchi S MatsoM et al Rates of nitoge知 d一内部脱碳单位时间的脱碳量，tmr; and carbon removal fiom liquid ion in bw content regin underre dp一真空室内飞溅液滴单位时间的脱碳量。t duce pressures Bl ht 1992 32 111 mni, I7 Amaok Ik SakaoH et a]Kinetics of carbon and oxygen degassing from IAuid ion by agon strea TetsutoHagane &-自由落体加速度，9.8ms: 197663344 H脱碳反应临界钢液高度，門 [8 Pak YG YiK W.A new numericalmodel for predicting carban H一真空室内钢液高度，四 concentm tion during RH degassing trea ment ISIJ Int 2003 43 K脱碳反应的平衡常数： (941403 峰一待拟和参数，m扩； [9 LiCW ChengGG The constuctin of RH naural decarburiza tionm atema tica lmodel and he sudy ofm echanism of decarbur M-原子的摩尔质量，gmoT': zatin JChin RareEanh Soc 2010 28 112 P上钢液内气泡的压强、半径，PA9 (李崇巍。成国光.RH自然脱碳数学模型的建立以及脱碳机 R、R一分别为大气压强以及真空室压强P? 理研究.中国稀土学报，20102公112)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 好的脱碳效果. 4 结论 (1)建立了 RH内部脱碳的数学模型 ,得出钢 液中生成 CO气泡的临界半径 、临界压力分别为 0.7mm、525 Pa. (2)碳含量的模型计算值与实验实测值吻合 较好. (3)反应深度的变化是和内部脱碳的反应速率 相对应的,其峰值的变化基本上反映了整体脱碳的 变化趋势. (4)在首钢迁钢有限公司现有的操作条件下 , 内部脱碳向表面脱碳转变的临界点大概在 10 min 左右. (5)初始碳 、氧含量一定的条件下, 外界真空度 的高低决定了反应深度的大小 . (6)采取预真空操作 ,加速了前期的脱碳反应 , 淡化了其脱碳转折点的影响 ,使得脱碳速率一开始 就保持在一较高值,从而达到了较好的脱碳效果. 符号表 [ C] 、[ O] —钢水中碳、氧的质量分数 , %; [ C] n—反应地点与外界压强相平衡时碳的质 量分数 , %; dAr— Ar气泡表面单位时间的脱碳量, t·min -1; dface—真空室自由表面单位时间的脱碳量, t· min -1 ; din—内部脱碳单位时间的脱碳量 , t·min -1 ; dspl—真空室内飞溅液滴单位时间的脱碳量, t· min -1 ; g—自由落体加速度 , 9.8 m·s -1 ; H—脱碳反应临界钢液高度 , m; H1—真空室内钢液高度 , m; K—脱碳反应的平衡常数 ; k1 —待拟和参数 , min -1 ; M—原子的摩尔质量, g·mol -1 ; p、r—钢液内气泡的压强、半径 , Pa、m; p0 、pV—分别为大气压强以及真空室压强, Pa; p eq CO—平衡的 CO分压 ,取决于溶解的 C、O浓度 以及钢液温度 , Pa; pcritical—临界压力, 其大小和 CO气泡的稳定形 核有关, Pa; phydrostatic—钢水的静态压强, Pa; Q—环流量 , t·min -1 ; R、AS—真空室半径及横截面积 , m、m 3 ; Vj—气液两相区体积, m 3; W、w—钢包内 、真空室内的钢水质量, t. 参 考 文 献 [ 1] TakahashiM, MatsumotoH, SaitoT.MechanismofdecarburizationinRHdegasser.ISIJInt, 1995, 35(12):1452 [ 2] YuNW.MathematicalandPhysicalModelingofMultifunctionRH RefiningProcess[ Dissertation] .Shanghai:ShanghaiUniversity, 2001 (郁能文.多功能 RH精炼过程的数学和物理模拟 [ 学位论 文] .上海:上海大学, 2001) [ 3] LiuB S.DecarburizationModelandImprovementofRH-MFB Process[ Dissertation] .Hebei:HebeiPolytechnicUniversity, 2005 (刘柏松.RH-MFB脱碳过程模型与工艺优化 [ 学位论文 ] . 河北:河北理工大学, 2005) [ 4] KuwabaraT, UmezawaK, MoriK, etal.InvestigationofdecarburizationbehaviorinRH-reactoranditsoperationimprovement. TransIronSteelInstJpn, 1988, 28:305 [ 5] HarashimaK, MizoguchiS, KajiokaH.Kineticsofdecarburizationoflowcarbonliquidironunderreducedpressures.Tetsu-toHagane, 1988, 74:449 [ 6] HarashimaK, MizoguchiS, MatsuoM, etal.Ratesofnitrogen andcarbonremovalfromliquidironinlowcontentregionunderreducepressures.ISIJInt, 1992, 32:111 [ 7] AmanoK, ItoK, SakaoH, etal.Kineticsofcarbonandoxygen degassingfrom liquidironbyargonstream.Tetsu-to-Hagane, 1976, 63:344 [ 8] ParkYG, YiKW.Anewnumericalmodelforpredictingcarbon concentrationduringRHdegassingtreatment.ISIJInt, 2003, 43 (9):1403 [ 9] LiCW, ChengGG.TheconstructionofRHnaturaldecarburizationmathematicalmodelandthestudyofmechanismofdecarburization.JChinRareEarthSoc, 2010, 28:112 (李崇巍, 成国光.RH自然脱碳数学模型的建立以及脱碳机 理研究.中国稀土学报, 2010, 28:112) · 280·
