不銹鋼側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD精煉過(guò)程的數(shù)學(xué)和物理模擬.pdf

1、概述了不銹鋼AOD精煉的工藝及進(jìn)展，綜述了現(xiàn)有關(guān)于不銹鋼AOD精煉過(guò)程的一些物理模擬和數(shù)學(xué)模型的研究。以寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司120 t側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD爐為對(duì)象，研究了該裝置內(nèi)精煉過(guò)程中不同工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)下熔池內(nèi)流體的流動(dòng)和混合特性、側(cè)吹氣體射流的反沖現(xiàn)象及其對(duì)爐襯的蝕損作用；分析了側(cè)頂復(fù)吹條件下不銹鋼AOD精煉過(guò)程的實(shí)際情況，提出了一個(gè)不銹鋼側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD精煉過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 設(shè)計(jì)和建造了一幾何尺寸為該120 t側(cè)頂復(fù)

2、吹A(chǔ)OD爐1/4的模型。針對(duì)304型不銹鋼冶煉主脫碳期的吹煉過(guò)程，合理確定了原型和模型用套管式等截面噴槍對(duì)氣流的摩擦系數(shù)，計(jì)算了側(cè)吹用套管式等截面噴槍和頂吹用拉瓦爾(Laval)型噴槍的氣流特性參數(shù)，并由此較合理地確定了模型用側(cè)槍和頂槍的氣量，從而保證了模型和原型間足夠充分的運(yùn)動(dòng)相似性。對(duì)不銹鋼側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD精煉過(guò)程中熔池內(nèi)氣體射流的攪拌和流體的流動(dòng)狀態(tài)及熔池液面的穩(wěn)定性、流體的流動(dòng)和混合特性、側(cè)吹氣體射流的反沖現(xiàn)象及其對(duì)爐襯的蝕損作用

3、等作了較系統(tǒng)的物理模擬研究。考察了側(cè)吹氣量、側(cè)槍支數(shù)和相鄰兩側(cè)槍間的夾角，以及頂吹氣量等的影響。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的頂吹氣流的沖擊深度，基于wakelin的能量衡算法估算了本實(shí)驗(yàn)條件下頂吹氣體射流對(duì)熔池的攪拌強(qiáng)度和對(duì)氣體射流總攪拌功率密度的貢獻(xiàn)。 結(jié)果表明，吹煉過(guò)程中熔池內(nèi)流體處于激烈的攪拌和循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，熔池內(nèi)不存在明顯的死區(qū)，混合效果極好，混合時(shí)間短。側(cè)吹主槍的吹氣量對(duì)熔池內(nèi)流體的流動(dòng)和混合有決定性的影響，．側(cè)吹副槍氣體射流對(duì)側(cè)吹主

4、槍氣體射流有顯著的物理屏蔽效應(yīng)。適當(dāng)提高側(cè)吹副槍吹氣量可提高混合效率。頂吹氣體射流會(huì)改變?nèi)鄢貎?nèi)氣體攪拌和流體流動(dòng)的狀態(tài)，使紊流強(qiáng)度增大，混合效率降低，混合時(shí)間延長(zhǎng)，頂吹氣量越大越明顯。在給定的側(cè)槍支數(shù)和吹氣量下，增大相鄰兩槍間夾角，有利于提高氣體射流對(duì)熔池的攪拌效率，縮短混合時(shí)間；在給定的側(cè)槍槍位和吹氣量下，增加側(cè)槍支數(shù)未必會(huì)有類(lèi)似的效果，而且會(huì)使單槍的吹氣量減少，側(cè)吹氣體射流的水平滲透距離變短，熔池內(nèi)的高溫(反應(yīng))區(qū)會(huì)移向甚至貼近爐壁

5、，影響爐襯壽命。就熔池混合效果而言，對(duì)應(yīng)于工藝規(guī)定的6600 Nm<'3>/h的頂吹氧量，采用6槍、27°的側(cè)槍配置，在各精煉期均可達(dá)到良好的熔池混合效果。對(duì)現(xiàn)行工藝中采用的18°的側(cè)槍間夾角，無(wú)論是7槍?zhuān)€是6槍或5槍?zhuān)荒苓_(dá)到理想的混合效果。 與純側(cè)吹和底吹過(guò)程中氣體射流的反沖現(xiàn)象相比，側(cè)頂復(fù)吹條件下水平側(cè)吹氣體射流的反沖現(xiàn)象具有自己的特征。在側(cè)頂復(fù)吹條件下，采用套管式側(cè)槍時(shí)，主槍氣流對(duì)水平側(cè)吹氣體射流的反沖現(xiàn)象具有決定性

6、的作用；副槍氣體射流對(duì)之有明顯的抑制和緩解效應(yīng)；頂槍氣體射流使水平側(cè)吹氣體射流的反沖變得較均勻，同時(shí)使反沖強(qiáng)度(壓力)增大。與純側(cè)吹過(guò)程一樣，在側(cè)頂復(fù)吹條件下，熔池內(nèi)液體的循環(huán)運(yùn)動(dòng)也是引起水平側(cè)吹氣體射流反沖現(xiàn)象的另一個(gè)重要原因。在側(cè)頂復(fù)吹條件下，浮力對(duì)水平側(cè)吹氣體射流的反沖作用有相當(dāng)大的影響，它不僅使水平側(cè)吹氣體射流的反沖強(qiáng)度增大，而且使?fàn)t襯蝕損區(qū)域擴(kuò)大。與純側(cè)吹下的情況相比，在側(cè)頂復(fù)吹條件下，浮力使水平側(cè)吹氣體射流反沖強(qiáng)度增大的幅度

7、相對(duì)要小，但使反沖力的作用區(qū)域，即爐襯受損區(qū)域更大。在本工作給定的側(cè)槍支數(shù)和側(cè)吹與頂吹氣量下，側(cè)頂復(fù)吹過(guò)程中，在18°～27°的相鄰兩側(cè)槍夾角范圍內(nèi)，合宜地增大相鄰兩側(cè)槍間的夾角有利于緩解側(cè)吹氣體射流反沖的影響。相對(duì)而言，在給定的側(cè)吹和頂吹氣量下，采用7槍22.5°和6槍、27°的側(cè)槍配置時(shí)，無(wú)論是純側(cè)吹還是側(cè)頂復(fù)吹過(guò)程，爐襯的受損程度都比采用其它槍位和槍數(shù)時(shí)要輕。針對(duì)該AOD爐內(nèi)的精煉過(guò)程，考察了側(cè)頂復(fù)吹條件下120 t AOD爐的傳

8、熱特性和爐壁內(nèi)的溫度分布；分析了側(cè)頂復(fù)吹條件下不銹鋼AOD精煉過(guò)程的實(shí)際情況，包括鋼液中各元素的競(jìng)爭(zhēng)性氧化、熔池成分的變化以及不等溫特性，提出了一個(gè)不銹鋼側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD精煉過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。該模型假設(shè)經(jīng)頂槍吹入的氧氣，一部分與逸出熔池的CO在熔池上方氣相內(nèi)發(fā)生反應(yīng)生成CO<,2>，一部分使從熔池噴濺出的金屬液滴內(nèi)的各元素氧化，其余部分經(jīng)射流沖擊熔池而形成的凹坑(一次反應(yīng)區(qū))向熔池內(nèi)部滲透和溶解；進(jìn)入熔池的氧氣使溶于鋼液中的碳、鉻、硅和錳，

9、以及作為基體的鐵同時(shí)發(fā)生氧化，生成的FeO也會(huì)氧化其它元素，基本上是精煉過(guò)程的一個(gè)中間產(chǎn)物。在復(fù)吹操作期間，所有可能的氧化一還原反應(yīng)分別在鋼液/氣泡界面以及鋼液/熔渣界面同時(shí)發(fā)生，并在競(jìng)爭(zhēng)中分別達(dá)到各自的綜合平衡；在頂吹操作停止后的側(cè)吹精煉過(guò)程中，各精煉反應(yīng)主要在鋼液/氣泡界面同時(shí)發(fā)生，并在競(jìng)爭(zhēng)中達(dá)到一綜合平衡，精煉過(guò)程中總的脫碳速率為側(cè)吹過(guò)程和頂吹過(guò)程兩者的貢獻(xiàn)之和。同時(shí)還假設(shè)在高的碳含量水平下，各元素的氧化速率主要與供氧速率有關(guān)；在

10、碳濃度低時(shí)，脫碳速率主要取決于鋼液中碳的傳質(zhì)。進(jìn)而假設(shè)吹入鋼液未被吸收的氧氣將逸出熔池，在熔池上方的氣相內(nèi)參與生成CO<,2>的反應(yīng)，不在鋼液中溶解和積聚。以二維導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型處理了整個(gè)AOD爐的導(dǎo)熱損失，并對(duì)整個(gè)精煉過(guò)程作了體系的質(zhì)量和熱量衡算，考慮了添加合金料和造渣料等操作因素，精煉過(guò)程的不等溫特性，鋼液質(zhì)量和熔渣質(zhì)量的變化等因素，提出了一個(gè)不銹鋼側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD精煉過(guò)程的數(shù)學(xué)模型?；赑HOENICS計(jì)算軟件，對(duì)該模型進(jìn)行了數(shù)值求解，

11、將該模型應(yīng)用于120 t側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD爐內(nèi)304型不銹鋼的精煉過(guò)程，以28爐數(shù)據(jù)對(duì)該模型作了檢驗(yàn)。 結(jié)果表明，由該模型估計(jì)的吹煉各期終點(diǎn)鋼液內(nèi)碳、鉻、硅、錳的濃度和熔池溫度與實(shí)測(cè)值相吻合。無(wú)論是氧化精煉過(guò)程中各元素間的競(jìng)爭(zhēng)性氧化和相應(yīng)的氧氣分配率，還是氬氣攪拌和還原精煉過(guò)程中各氧化物的競(jìng)爭(zhēng)性還原和對(duì)應(yīng)的供氧率，均可用氧化和還原反應(yīng)的Gibbs自由能來(lái)表征和確定。對(duì)120 t側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD爐內(nèi)304型不銹鋼的精煉，對(duì)應(yīng)于頂吹，側(cè)吹

12、和總脫碳過(guò)程，脫碳的臨界碳濃度(在該濃度后，脫碳變?yōu)橛射撘簝?nèi)碳的傳質(zhì)控制)分別在0.942～0.895，0.078～0.224，0.14～0.245 mass％的范圍。頂吹氧量和側(cè)吹氣量及氧氣與惰性氣體的比率，對(duì)精煉過(guò)程有重要影響。對(duì)于該側(cè)頂復(fù)吹精煉過(guò)程，合宜地減少頂吹氧量，增大側(cè)吹氧量，可加速脫碳進(jìn)程；在臨界點(diǎn)后適當(dāng)減少側(cè)吹氧量，增大氮?dú)饬髁拷档脱醯?，可進(jìn)一步促進(jìn)脫碳反應(yīng)；適當(dāng)加大還原期氬氣流量，也可進(jìn)一步促進(jìn)脫碳及鉻的還原，提高降