[工学]VOD冶炼不锈钢脱碳机理及相关模型1课件.ppt

1、汇报汇报内容内容前言前言VOD脱碳相关模型概述脱碳相关模型概述 不锈钢冶炼脱碳基本条件不锈钢冶炼脱碳基本条件 吹氧凹坑反应区吹氧凹坑反应区 底吹或侧吹气柱脱碳反应区底吹或侧吹气柱脱碳反应区 钢渣界面及下方区域反应区钢渣界面及下方区域反应区 风眼反应区风眼反应区 喷溅液滴反应区喷溅液滴反应区 不锈钢脱碳的特点及难点不锈钢脱碳的特点及难点 结论结论引言引言 不锈钢脱碳的关键是脱碳保铬，铁素体不锈钢要求碳含量越低越好。国内外对不锈钢AOD、 VOD精炼过程的数学模拟已做了不少研究，相继提出了不少模型，摸索了脱碳的一些规律，为不锈钢冶炼碳的控制作出了很大的贡献。 VOD脱碳微观过程与转炉、AOD等不锈

2、钢脱碳炉是一致的，这些炉子的脱碳模型对VOD脱碳模型都有一定的参考价值。 本文将综述不锈钢脱碳模型的进展，并分析这些模型对VOD脱碳模型的借鉴意义。 不锈钢冶炼脱碳基本条件不锈钢冶炼脱碳基本条件 （中低碳条件）低碳条件）真空条件下熔池上部（或低吹（侧底吹）入的）大气条件（高碳条件下钢中高溶解氧渣中氧化物余留氧）喷吹氧化物（）炉壁下方侧吹（底吹（转炉）炉门炉壁侧吹（电炉）、顶吹（转炉、吹入氧气外来氧氧的供给不锈钢脱碳条件局部2rNAPPPBVODAODVODAODeCOCO界面与裸露钢液接触的气液，当局部点在自由空间气液界面，当局部点在吹氧凹坑，当局部点在气泡表面，当局部点在熔体内部分压真空内局

3、部分压氧气内局部分压气泡内局部熔体局部COCOCOCOCOCOCOPPPPPPPPO2LIQUID STEELSLAGO2+ArCO+ArCOP0 吹氧凹坑吹氧凹坑 钢渣界面及以下钢渣界面及以下区域区域吹气风眼吹气风眼喷溅钢液滴喷溅钢液滴吹气气柱吹气气柱 VOD脱碳相关模型概述脱碳相关模型概述 吹氧凹坑反应区吹氧凹坑反应区 机理 直接氧化 间接氧化相关模型 参考日本人经典转炉顶吹脱碳模型 魏季和提出的脱碳模型 底吹或侧吹气柱脱碳反应区底吹或侧吹气柱脱碳反应区 机理 有氧吹入的条件下，如果氧在氩气气泡外，C、O可以自生成CO，相反，C、O只能在吹入的氩气气泡上进行反应. 不吹入氧气条件下，当碳含

4、量低时，气泡柱周围氧含量变高，为碳氧反应提供了氧源，VOD自由脱碳阶段满足这一条件 .相关模型 Fruehan系列 魏季和AOD脱碳模型 钢渣界面及下方区域反应区钢渣界面及下方区域反应区 机理 考虑了CO气泡的生成空间及排出，钢渣界面脱碳应该由钢渣界面通过传氧在界面及下方区域进行,不锈钢冶炼此反应区域的高度相对较小。相关模型 钢渣界面简单脱碳模型 VD深脱碳模型 机理 吹氩气柱风眼直接与自由空间接触，真空条件下此区域的脱氮过程研究较多，而脱碳过程基本没有什么研究，此区域的总体表现是，反应的热力学条件很好，反应面积小，但碳氧向表面传递的传质系数相对较大。 风眼反应区风眼反应区 喷溅液滴反应区喷溅

5、液滴反应区 机理 底吹气及吹氧冲击都会喷溅出液滴，文献13假定金属液滴在回落到熔池之前，液滴中的C、O与真空CO分压相平衡，这就意味C或O其间有一要消耗完。 不锈钢脱碳的特点及难点不锈钢脱碳的特点及难点 不锈钢脱碳和普碳钢脱碳之异同：不锈钢脱碳和普碳钢脱碳之异同：热力学上热力学上 不锈钢液氧、碳活度低。不锈钢液氧、碳活度低。间接氧化方式的差别间接氧化方式的差别 Cr对于不锈钢脱碳：O2 Cr2O3 CO Fe对于普碳钢脱碳：O2 FeO CO CC小结小结 对VOD脱碳区域进行了划分，并概述了脱碳区域内的脱碳机理及相关模型研究进展。 分析不锈钢脱碳与普碳钢脱碳在吹氧间接氧化方式上的差异，在此基

6、础上可以进一步分析VOD冶炼不锈钢脱碳动力学过程。 汇报汇报内容内容引言引言VOD脱碳动力学分析脱碳动力学分析 VOD冶炼不锈钢的脱碳机理简介冶炼不锈钢的脱碳机理简介 吹氧凹坑反应区吹氧凹坑反应区 底吹或侧吹气柱脱碳反应区底吹或侧吹气柱脱碳反应区 钢渣界面及下方区域反应区钢渣界面及下方区域反应区 风眼反应区风眼反应区 喷溅液滴反应区喷溅液滴反应区 VOD脱氮动力学分析脱氮动力学分析 结论结论传质系数计算传质系数计算 计算结果计算结果 引言引言 对铁素体铬不锈钢而言，为确保其耐蚀性和焊接点的延展性，要求间隙元素(碳和氮)的含量远低于保证其常温韧性常温韧性所要求的含量。人们通常把C+N150ppm

7、时称为超纯铁素体不锈钢，冶炼的主要任务之一就是降低钢液中的C+N总含量，再根据终点C、N含量，确定适宜的Ti、Nb含量，保证间隙元素的含量满足要求1。 当前VOD脱碳脱氮动力学模型基本是参考AOD、转炉相关的模型，真空对脱碳脱氮动力学过程的影响研究还不够充分，为此，本文展开了对VOD脱碳脱氮动力学的理论探讨，为超纯铁素体VOD深脱碳脱氮提供有价值的信息。 VOD冶炼不锈钢的脱碳机理简介冶炼不锈钢的脱碳机理简介 1）吹氧凹坑反应区）吹氧凹坑反应区 2）底吹气柱脱碳反应区）底吹气柱脱碳反应区 3）钢渣界面反应区）钢渣界面反应区4）风眼反应区）风眼反应区 5）喷溅液滴反应区）喷溅液滴反应区 VOD脱

8、碳动力学分析脱碳动力学分析 分析VOD冶炼过程钢液、气泡运动规律，计算每个反应区的反应面积、物相间的流动状况、反应区大小及反应介质的尺寸。 从而从宏观上分析VOD脱碳的动力学。 传质系数计算传质系数计算 nmbScCshRe 传质方式应用公式Cbmn应用气泡表面的传质（层流）（1）1.13 1/2 1/2 Ar、CO气泡表面的传质 界面有摩擦传质（湍流）（1）0.015 0.9 1/3 钢渣界靠钢液侧传质 自由表面的传质（层流）（1）1.13 1/2 1/2 _自由表面的传质（湍流）（2） （无）吹氧凹坑表面钢液侧和风眼内的传质 2/12/12/32/1)3 . 0(32. 0LLiiuD（1

9、）（2）inininTp,000,TpL0hLvCOvCv0r1r122rr 022 . 1 hh l吹氧凹坑反应区吹氧凹坑反应区 吹氧凹坑反应区示意图吹氧凹坑反应区示意图吹氧凹坑反应区吹氧凹坑反应区 1COm&gklQLL22*0100)(10002OOMrl gPRTOOLeL饱和间接氧化间接氧化CLcraterfCCOMCsm10) 0(,2&直接氧化直接氧化 小结 CO摩尔流率正比与吹氧流量，这符合几何相似的原则 在吹氧流量一定条件下，CO摩尔流率近似与C、O反应过程氧或碳饱和浓度平方成正比，表面C*、O*与局部熔体压力平衡 z*z hHb2)/(0LgpPorous plug底吹气柱

10、脱碳反应区底吹气柱脱碳反应区 底吹气柱反应区示意图底吹气柱反应区示意图upumulgssu 钢渣界面下方钢液流动层气泡柱zdzz底吹气柱脱碳反应区底吹气柱脱碳反应区 )(*022zzzbfuVGNGumGm&3/122*2002121)1ln(2GmuLLmVzzbfTTpu假定钢液上升流速和气体气隙分布符合高斯分布，有如下双方程： 钢液流动分析钢液流动分析2tanhzbu)(0000HgpTTpLLGNGLmGugpHzfuubb0*,底吹气柱脱碳反应区底吹气柱脱碳反应区 钢液流动计算结果钢液流动计算结果00.511.522.5300.20.40.60.8吹气流量（Nm3/min）熔体最大流

11、速（m/s）00.10.20.30.40.50.60.70.80.91tg(/2） 上方最大气隙率液体流速tg(/2）气隙率底吹气柱脱碳反应区底吹气柱脱碳反应区 自由脱碳阶段的脱碳自由脱碳阶段的脱碳 氩气泡平均大小与前面CO气泡相同，沿高度对脱碳量进行积分。气泡在上升过程中其内CO摩尔量变化的微分方程为： dhbrMCCdmArCLCCO2*33210)(*3Ccok)(0PhHgbath)(ArhCOhCOmmm1OhCOm hCOdm03 在自由脱碳过程中，此区脱碳速率正比于碳含量或吹氩流量。通过初步的求解，得出吹氩流量在600l/min条件下，当C=0.01自由脱碳时，脱碳速率为0.18

12、mol/s。 钢渣界面及下方区域反应区钢渣界面及下方区域反应区 heboilingcorradiusPhHgP:)(0)(hOh钢渣界面及下方反应区示意图钢渣界面及下方反应区示意图钢渣界面及下方区域反应区钢渣界面及下方区域反应区 自由脱碳阶段的脱碳自由脱碳阶段的脱碳 由于强烈搅拌作用，渣内的氧足以弥散到此区域促使氧饱和，需要考虑钢液进入反应区后碳含量的变化。设定在Hboiliing 中的仅含一反应CO气泡的单元，此单元在经过反应区的过程中高度不变，即CO气泡压力不变，有此单元周围钢液中碳含量变化的积分式为： ， trinouteCeCCCC)1(2*2*22)(VHStboilingsslg

13、在氩气柱带来钢液流速um2.5m/s条件下， 单元经过反应区时间为10t，取re1.5cm，计算得出钢液微元通过此反应区后，内部碳相对平衡值能脱去一半。 风眼反应区风眼反应区 喷溅液滴反应区喷溅液滴反应区 仿照凹坑直接氧化计算脱碳 底吹气造成金属液滴喷溅量与吹气流量成正比关系，直接通过物理方法很难计算。吹氧冲击造成金属液滴喷溅量与氧流量、氧枪高度及气流稳定性相关，一般模型把此脱碳过程考虑在凹坑冲击反应区内。 Time (min)CO flow rate(mol/s)24Gas purgingBoilingsplashing喷溅液滴反应区喷溅液滴反应区 底吹气造成金属液滴喷溅量与吹气流量成正比关

14、系，直接通过物理方法很难计算。吹氧冲击造成金属液滴喷溅量与氧流量、氧枪高度及气流稳定性相关，一般模型把此脱碳过程考虑在凹坑冲击反应区内。 脱碳初步计算结果脱碳初步计算结果 条件吨位：120tVOD% C:0.25% Cr:18吹氧流量：1600Nm3/h当前氧利用率凹坑反应利用率：40.5%总体利用率：48.3% 脱碳速度(mol/s)14430.470间接氧化直接氧化钢渣风眼氩气柱VOD脱氮动力学分析脱氮动力学分析 脱氮区域 CO气泡表面 Ar气泡表面 吹氧凹坑表面 风眼表面 脱氮微观动力学 气液表面上的反应，反应的限制性环节一般认为是氮在钢液边界层的传递和界面化学反应之间的一个，或由它们混

15、合控制 。 有效脱氮阶段 自由脱碳阶段，由于钢中氧含量升高，阻止了脱氮的进行。脱氮难点 eNCr -0.047 ,fN0.14 VOD脱氮动力学分析脱氮动力学分析 )(102224NNsurfNaNPKNfKJ%(10surfNLNNNM脱氮通量考虑到气液界面氧、硫对化学反应的影响，表面反应速率常数： 38. 16340lgTkaaKakSSOOaKaK11对于不同反应区的氮分压考虑 2NPCOOsurfNPOONN)()(*饱和COOsurfNPOONN)()(*平均)()()(*ArhCOhCOCOCsurfNmmmPCCNN)(0PhHgbath02PnN（吹氧凹坑反应区CO气泡内）（钢

16、渣界面反应区CO气泡内）（Ar气泡内）（真空自由空间内）脱氮初步计算结果脱氮初步计算结果 条件吨位：120tVOD% C:0.25% Cr:18N=100ppm吹氧流量：1600 Nm3/h吹氩： 600 Nl/min 脱氮速度(mol/s)0.560.10.140.0160.045间接氧化CO气泡凹坑表面钢渣CO风眼氩气柱结论结论 VOD VOD冶炼不锈钢过程中，吹氧凹坑反应区间接氧化速率与氧冶炼不锈钢过程中，吹氧凹坑反应区间接氧化速率与氧饱和度的平方成正比，碳含量的降低会降低氧饱和度，间接氧饱和度的平方成正比，碳含量的降低会降低氧饱和度，间接氧化在碳含量不是很高条件下占主导地位。化在碳含量

17、不是很高条件下占主导地位。 VOD VOD深脱碳的主要途径在于提高吹氩流量。不仅氩气泡能脱去一深脱碳的主要途径在于提高吹氩流量。不仅氩气泡能脱去一定碳，且加大吹氩力度使得底部钢液熔体进入钢渣反应区的循环流定碳，且加大吹氩力度使得底部钢液熔体进入钢渣反应区的循环流速加快，加速了脱碳。速加快，加速了脱碳。 由于由于CrCr与与N N有很强的亲和力，有很强的亲和力，VODVOD脱氮相对困难，吹氧产生脱氮相对困难，吹氧产生COCO气气泡脱氮占主导地位，泡脱氮占主导地位，ArAr气泡脱氮量很有限。提高气泡脱氮量很有限。提高COCO气泡的面积、适气泡的面积、适度提高真空度是提高脱氮速率的关键所在。度提高真空度是提高脱氮速率的关键所在。