超純鐵素體不銹鋼精煉過(guò)程數(shù)學(xué)模型

1、1082007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集2007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007超純鐵素體不銹鋼精煉過(guò)程數(shù)學(xué)模型徐迎鐵陳兆平寶鋼股份研究院冶金工藝所，上海201900摘要本文分析了VOD冶煉超純鐵素體不銹鋼脫碳脫氮特性，并把脫碳脫氮過(guò)程分為兩種類(lèi)型和四個(gè)反應(yīng)區(qū)域。兩種類(lèi)型為鋼液裸露表面的脫碳脫氮和熔池內(nèi)部氣泡表面上的脫碳脫氮四個(gè)區(qū)域?yàn)椋捍笛醴磻?yīng)區(qū)、風(fēng)眼反應(yīng)區(qū)、吹氬氣柱區(qū)

2、、鋼渣界面區(qū)。在對(duì)脫碳脫氮?jiǎng)恿W(xué)分析基礎(chǔ)上建立了數(shù)學(xué)模型模擬脫碳脫氮過(guò)程。結(jié)合溫度模型，模型模擬了冶煉過(guò)程中鋼液成分的變化；得出了吹氧過(guò)程中熔池碳氧含量關(guān)系曲線，以便優(yōu)化臨界碳含量，保證熔池不被過(guò)氧化；分析了脫碳脫氮每個(gè)反應(yīng)區(qū)和每種類(lèi)型的脫碳脫氮速率，為強(qiáng)化脫碳脫氮生產(chǎn)超純鐵素體不銹鋼工藝提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞VOD；鐵素不銹鋼；脫碳；脫氮；數(shù)學(xué)模型鐵素體不銹鋼要求間隙元素(碳和氮)的含量遠(yuǎn)低于保證其常溫韌性所要求的含量，超純鐵素體不

3、銹鋼一般要求CN≤150ppm，日本川崎西宮廠用50tSSVOD生產(chǎn)出了CN≤100ppm的超高純鐵素體不銹鋼[1]。VOD冶煉的主要任務(wù)之一是降低鋼液中的CN總含量在把碳、氮降到合格含量前提下，也要求鋼中氧含量越低同時(shí)鉻氧化得越少越好，以減少還原劑的加入量，從而保證鋼液的潔凈度。本文建立了數(shù)學(xué)模型模擬VOD脫碳脫氮過(guò)程（此數(shù)學(xué)模型也可稱(chēng)為VOD脫碳脫氮數(shù)學(xué)模型），以便研究超純鐵素體不銹鋼精煉工藝。1VOD脫碳脫氮特性VOD脫碳脫氮反應(yīng)

4、是典型的氣液相界面化學(xué)反應(yīng)，C、O及N通過(guò)鋼液邊界層向氣液相界面?zhèn)鬟f，界面脫碳反應(yīng)CO=CO可以達(dá)到平衡，而脫氮反應(yīng)NN=N2反應(yīng)則需考慮其化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)整個(gè)脫氮速率的影響。不銹鋼中Cr的大量存在降低了C、O及N的活度[2]，需要通過(guò)其它氣體稀釋或降低局部壓力來(lái)降低CO和N2體分壓保證低碳條件下脫碳脫氮的正常進(jìn)行。對(duì)于吹氧脫碳過(guò)程優(yōu)先形成的氧化物Cr2O3在煉鋼溫度下為固體小顆粒，Cr2O3顆粒需再次將氧釋放到金屬熔體內(nèi)才能去脫碳[34

5、]，O需要象C、N一樣擴(kuò)散到反應(yīng)界面。2VOD脫碳脫氮分類(lèi)及反應(yīng)區(qū)域根據(jù)氣相類(lèi)型的不同，整個(gè)脫碳脫氮反應(yīng)可以分為兩大類(lèi)型：第一類(lèi)是鋼液裸露表面的脫碳脫氮過(guò)程，氣相為鋼液上方自由空間，為平面式；另一類(lèi)是鋼液內(nèi)部氣泡表面的脫碳脫氮過(guò)程，為立體式，氣相為熔池內(nèi)部氣泡，包括自形成的CO氣泡及底吹入的氬氣氣泡。按反應(yīng)區(qū)域劃分，可以分為四個(gè)反應(yīng)區(qū)域，其中吹氧反應(yīng)區(qū)還可以細(xì)分，具體劃分情況及所屬類(lèi)型如圖1所示[4，5]，幾何示意圖見(jiàn)圖2：??????

6、??????????????鋼渣界面區(qū)吹氬氣柱區(qū)間接氧化噴濺液滴裸露液面直接氧化吹氧反應(yīng)區(qū)風(fēng)眼反應(yīng)區(qū)第二類(lèi)型第一類(lèi)型????????????圖1VOD脫碳脫氮區(qū)域及所屬類(lèi)型Fig.1ReactionzonesitstypeinVOD圖1中，吹氧反應(yīng)區(qū)的裸露液面為吹氧造成鋼液翻滾暴露的液面；直接氧化為吹氧凹坑表面直接脫碳；間接氧化為吹氧形成的柱型反應(yīng)區(qū)內(nèi)氣泡表面的脫碳。鋼渣界面區(qū)實(shí)際為鋼渣界面下方熔體內(nèi)脫碳脫氮反應(yīng)區(qū)。3VOD脫碳脫氮數(shù)學(xué)

7、模型3.1模型總體描述先根據(jù)熱力學(xué)條件計(jì)算某個(gè)局部區(qū)域能否發(fā)脫碳脫氮反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上建立如下模型。第一類(lèi)反應(yīng)脫碳脫氮速率（單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)區(qū)域脫去C或N的摩爾量）可以表示為：??SJmII?(1)式中下標(biāo)I：C、N及O中的一個(gè)；?S：反應(yīng)區(qū)域裸露的面積；IJ：傳質(zhì)通量。?110?2007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集2007年7月方；P：局部壓力；COn、2Nn：爐氣中CO或N2摩爾分率；lgsH：渣層厚度；??hArCmd0?、表1模型相關(guān)參數(shù)的

8、確定Table.1Parametersfcalculationofthemodel類(lèi)型第一類(lèi)（平面式）第二類(lèi)（立體式）區(qū)域風(fēng)眼反應(yīng)區(qū)吹氧反應(yīng)區(qū)（直接氧化）吹氧反應(yīng)區(qū)（裸露液滴）吹氧反應(yīng)區(qū)（間接氧化）吹氬氣體柱鋼渣界面區(qū)?S2eyeeyeRNk??4.0lg??seyeHk凹坑面積反應(yīng)區(qū)截面積———P0P101300)(lglg0ssLgHghP????COPPnCO?0PnCO?PPmmdmdmdArhArNArC))2((00????

9、???????P2NPPnN?20PnN?2POONNON)][]([)][]([????PmmdmdmdArhArNArN))2((200???????????POONNON)][]([)][]([????bubr———0.25~1.5cm.034.044.0sV0.1~1.5cm?———0.3~0.7中心為m?(呈高斯分布)0.001～0.42umuLuLu2bubgr02.1I?21212321)3.0(32.0?LLIuD??2

10、121Re13.1ScDlshIbI???20??hArNmd?及Arm?：氬氣柱區(qū)當(dāng)前位置CO、N2及Ar的摩爾流率，即從底部到當(dāng)前位置氣泡群脫碳脫氮速率的積分；sV：氣泡運(yùn)動(dòng)的表觀速率，即某一截面氣泡體積流速與該截面面積之比；ID：擴(kuò)散系數(shù)；L?：表面張力；bl：定性尺寸。、shSc及Re：謝伍德數(shù)、雷諾數(shù)及施密特?cái)?shù)。溫度和氧含量對(duì)脫碳脫氮有著重要的影響，而VOD爐內(nèi)的溫度和氧量分布并不均勻。吹氧凹坑表面為熱點(diǎn)，其溫度高于熔池其它區(qū)

11、域，其它區(qū)域溫度均勻，從熱點(diǎn)到其它區(qū)域溫度線性過(guò)度。吹氧凹坑表面和鋼渣界面靠鋼液側(cè)一定厚度邊界內(nèi)氧化物Cr2O3、MnO和SiO2釋放氧的反應(yīng)達(dá)到平衡，在VOD冶煉條件下，此處局部氧含量為固體Cr2O3釋放的飽和氧含量，其它區(qū)域氧含量均勻相等，氧含量也為線性過(guò)度。自由脫碳時(shí)期碳、氮含量低，需考慮反應(yīng)單元在鋼渣反應(yīng)區(qū)內(nèi)停留一定時(shí)間后碳、氮含量的衰減。反應(yīng)單元在反應(yīng)區(qū)停留t?時(shí)間后，元素I進(jìn)、出反應(yīng)區(qū)含量變化如式（8）所示。攪拌越強(qiáng)烈，t?

12、越小，但單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入鋼渣反應(yīng)區(qū)的鋼液量變大，脫碳脫氮速率加快。trinoutbubIeIIII??????)1(2)][]([][][???(8)式中inI][、outI][：進(jìn)、出反應(yīng)區(qū)I元素的百分含量。模型計(jì)算參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合溫度模型，就能模擬冶煉過(guò)程中碳、氮、氧含量的變化，探索每個(gè)反應(yīng)區(qū)域及反應(yīng)類(lèi)型的反應(yīng)速率。4計(jì)算結(jié)果及討論模型對(duì)寶鋼股份不銹鋼分公司120tVOD冶煉超純鐵素體不銹鋼脫碳脫氮過(guò)程進(jìn)行了模擬。冶煉前階段為吹