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·