低碳清潔鋼冶煉細(xì)節(jié)研究

劉曉鴻　楊再華

摘 要：減少夾雜物，保持高潔凈度，這些都是低碳清潔鋼生產(chǎn)過(guò)程中存在著較大的難題，但是國(guó)內(nèi)存在著較大的低碳清潔鋼的用量要求，所以需要在生產(chǎn)過(guò)程中降低冶煉過(guò)程中其他因素對(duì)于低碳清潔鋼冶煉的影響，實(shí)驗(yàn)中使用清潔鋼超低碳作為原材料，通過(guò)復(fù)合錘煉轉(zhuǎn)錄技術(shù)進(jìn)行清潔鋼低碳的冶煉，同時(shí)精細(xì)化低碳鋼加工工藝，利用RH真空處理技術(shù)進(jìn)行混合特性環(huán)流研究。減少夾雜物，保持高潔凈度，這些都是低碳清潔鋼生產(chǎn)過(guò)程中存在著較大的難題，但是國(guó)內(nèi)存在著較大的低碳清潔鋼的用量要求，所以需要在生產(chǎn)過(guò)程中降低冶煉過(guò)程中其他因素對(duì)于低碳清潔鋼冶煉的影響，實(shí)驗(yàn)中使用清潔鋼超低碳作為原材料，通過(guò)復(fù)合錘煉轉(zhuǎn)錄技術(shù)進(jìn)行清潔鋼低碳的冶煉，同時(shí)精細(xì)化低碳鋼加工工藝，利用RH真空處理技術(shù)進(jìn)行混合特性環(huán)流研究。

關(guān)鍵詞：脫碳化；脫磷；復(fù)合吹煉

一 轉(zhuǎn)爐復(fù)合吹煉和低碳清潔鋼

1 轉(zhuǎn)爐復(fù)合吹煉技術(shù)特征

復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐技術(shù)是在上個(gè)世紀(jì)歐洲在對(duì)于氧氣頂吹爐的改造發(fā)生而來(lái)，復(fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐有著相對(duì)明顯的特征，這主要包括著吹煉的氣體多是惰性氣體，利用惰性氣體促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生，抑制反應(yīng)區(qū)過(guò)氧化；吹煉時(shí)進(jìn)行攪拌處理加速反應(yīng)進(jìn)行，擴(kuò)大反應(yīng)接觸面積。這種技術(shù)在一定程度上降低了爐渣轉(zhuǎn)換不均勻的特點(diǎn)們能夠降低渣鋼與吹損之間存在的狀態(tài)上的不平衡，可以很大程度上使得熔池內(nèi)部的氧化性收到了抑制，能夠有效提升最終脫硫效果的進(jìn)程與成材鋼水的質(zhì)量保證。

對(duì)于這項(xiàng)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)開發(fā)以來(lái)，受到了世界各大鋼廠的改進(jìn)與應(yīng)用開發(fā)，目前在各大鋼廠通過(guò)研究已經(jīng)改造出了超過(guò)20種的吹煉復(fù)合模式。國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼煉轉(zhuǎn)爐底吹使用的大多都是惰性氣體，這就使得鋼廠會(huì)進(jìn)行對(duì)于底吹裝置的再研究與精準(zhǔn)開發(fā)，使得底吹吹氣氣流量可以在一定程度內(nèi)進(jìn)行受到調(diào)節(jié)，以此來(lái)促進(jìn)反應(yīng)的充分發(fā)生，并且通過(guò)可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)爐滿足更多需求的低碳清潔鋼冶煉需求。

2 轉(zhuǎn)爐熔池中的碳氧反應(yīng)

清潔鋼冶煉過(guò)程中碳氧反應(yīng)是貫穿始終的，碳氧反應(yīng)同樣的也會(huì)對(duì)于錳、磷等元素反應(yīng)進(jìn)行一定程度上的影響。脫碳反應(yīng)整個(gè)過(guò)程是在鋼液進(jìn)行反應(yīng)到CO過(guò)程中的相對(duì)臨界反應(yīng)，吹入的氧氣供給鋼中的【O】，所以通過(guò)動(dòng)力學(xué)定律可知，當(dāng)供養(yǎng)強(qiáng)度與界面積發(fā)生變化時(shí)，脫碳反應(yīng)也會(huì)因此發(fā)生較大變化。

整個(gè)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程分為三個(gè)主要階段：

首先是剛水溫度較低的階段，非金屬雜質(zhì)（硅，錳等）會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，會(huì)直接抑制脫碳反應(yīng)的發(fā)生，但隨著溫度的逐漸提升，脫碳速度也會(huì)因此變得更快；第二個(gè)階段屬于平穩(wěn)發(fā)展階段，這個(gè)階段隨著溫度提升，被吹進(jìn)的氧氣全部被用于脫碳反應(yīng)，所以會(huì)造成C被大量脫離，第三個(gè)階段屬于反應(yīng)發(fā)生后期，C含量降低，造成氧氣充入后不會(huì)和大量碳進(jìn)行反應(yīng)，造成脫碳速度降低。

3 轉(zhuǎn)爐脫碳過(guò)程中的脫磷技術(shù)

磷含量會(huì)對(duì)于低碳清潔鋼的冶煉造成較大的危害，首先是會(huì)使得清潔鋼的物理屬性發(fā)生變化，磷含量過(guò)高會(huì)直接導(dǎo)致清潔鋼易折斷，所以需要在冶煉清潔鋼的過(guò)程中降低清潔鋼內(nèi)部中的磷含量，國(guó)內(nèi)外鋼廠對(duì)于脫磷工藝來(lái)說(shuō)有著較為一致的，主要使用大罐噴吹脫磷技術(shù)，細(xì)分為噴吹石灰體系與噴吹蘇打粉體系兩種方式，兩種方式都可以將最終鐵水中的磷元素含量降低到0.01wt%以下。

轉(zhuǎn)爐復(fù)吹技術(shù)能夠相對(duì)較為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)脫磷的目的，而且對(duì)于脫磷的效果展示較好，呈現(xiàn)的爐渣氧化性較低，由于這些優(yōu)點(diǎn)國(guó)內(nèi)外清潔鋼冶煉鋼廠更愿意使用經(jīng)過(guò)改造后的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)進(jìn)行脫磷。

二 低碳鋼精煉技術(shù)

1 真空處理工作原理

清潔低碳鋼冶煉需要進(jìn)行脫氣裝置的設(shè)置，與其他市面上的脫氣裝置相比，在1958年海羅爾斯公司發(fā)明的RH真空脫氣法處理脫氣能力更大，實(shí)現(xiàn)目的周期更短，脫氣整體效果更好，所以本文主要研究RH真空脫氣法來(lái)進(jìn)行的脫碳脫氣作用。

RH真空脫氣法是利用氣泡泵的原理進(jìn)行統(tǒng)一工作的，當(dāng)真空室里面的空氣被抽擠出去后，鋼水會(huì)隨著壓強(qiáng)的變化而向著真空室進(jìn)行流轉(zhuǎn)，與此同時(shí)由上升管進(jìn)入負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)的惰性氣體在清潔低碳鋼冶煉過(guò)程中膨脹壓縮，在RH中的氣泡的推動(dòng)作用下，鋼液也會(huì)被擠壓到真空室；隨著鋼水向著真空室流動(dòng)，氣泡出現(xiàn)破裂，抑制驅(qū)動(dòng)力上升，所以在真空室的鋼水被壓力作用下留回液體表面。在整個(gè)過(guò)程中，氣體與液體表面的臨界面發(fā)生許多反應(yīng)，氣體被外來(lái)真空抽走，所以鋼水會(huì)隨著重力的效果進(jìn)入鋼包，鋼包與鋼水在不斷地根據(jù)壓強(qiáng)的變化而變化，重復(fù)以往實(shí)現(xiàn)RH真空脫氣法。

2 真空脫碳反應(yīng)基礎(chǔ)

生產(chǎn)清潔低碳鋼首要任務(wù)就是脫碳，RH裝置也會(huì)實(shí)現(xiàn)這一目的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于整個(gè)脫碳過(guò)程進(jìn)行建模處理，主要的模型分為兩種：

1）質(zhì)量平衡模型

模型建立要首先提出假設(shè)，質(zhì)量平衡模型假設(shè)主要有以下幾點(diǎn)：鋼水與真空室內(nèi)部存在的鋼包完全融合；真空室內(nèi)部發(fā)生著全部的脫碳反應(yīng)；選擇性的忽略氣相側(cè)內(nèi)CO的傳質(zhì)。

該模型的優(yōu)點(diǎn)在于著重的考慮氧的傳質(zhì)控制流程，對(duì)于碳氧臨界反應(yīng)能夠做出及時(shí)回應(yīng)，當(dāng)【C】>0.66【O】時(shí)，傳質(zhì)著的氧會(huì)變成脫碳速率調(diào)控環(huán)節(jié)。

2）脫碳反應(yīng)區(qū)模型

整個(gè)RH脫碳真空反應(yīng)都是發(fā)生在惰性氣體的氣泡表面，碳氧反應(yīng)生成的CO氣泡的表面與鋼液-氣表面三個(gè)位置，但是在整個(gè)實(shí)際操作過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，鋼水中存在著更高于鋼中【C】的【O】，所以通過(guò)氧傳質(zhì)無(wú)法真正表達(dá)脫碳限制化環(huán)節(jié)，所以要進(jìn)行三個(gè)位置的三種脫碳反應(yīng)的設(shè)置模型。

3 快速深脫碳技術(shù)

在對(duì)于脫碳速率過(guò)程方程中可以明顯看出，脫碳速率與多個(gè)外界因素有關(guān)，分別是碳氧濃度、真空度、鋼水流動(dòng)速度以及體積傳質(zhì)系數(shù)等等，所以研究快速深脫碳技術(shù)首先就要對(duì)于逐個(gè)因素進(jìn)行分析，首先是鋼水流動(dòng)循環(huán)速度。

通過(guò)脫氮平衡方程可以明顯看出鋼水流動(dòng)循環(huán)速度與流量體積分?jǐn)?shù)是存在關(guān)系的，當(dāng)鋼水流動(dòng)循環(huán)大的時(shí)候，脫碳的整體速率會(huì)變得更大。所以為了深脫碳，可以進(jìn)行管內(nèi)徑的擴(kuò)大，同時(shí)加速惰性氣體的流量，可以有效的降低脫碳所需時(shí)間，控制住碳含量。

三RH真空處理的環(huán)流與混合特性研究

1 研究原理

根據(jù)建模的相似理論要求，原型與模型之間必須要存在滿足幾何與動(dòng)力兩個(gè)方面的相似，幾何相似的意義在于要滿足整個(gè)模型是按照原型的一定比例上縮小建立的，真空室與鋼包的整個(gè)體系是根據(jù)氣泡浮力進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)模型，整個(gè)實(shí)驗(yàn)以水進(jìn)行對(duì)于剛也得模擬，以空氣進(jìn)行對(duì)于惰性氣體的模擬進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)Froude準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，

2 研究裝置

實(shí)驗(yàn)裝置分為三個(gè)部分，分別為供氣部分，真空部分與數(shù)據(jù)采集部分，在供氣部分主要使用空氣儲(chǔ)存罐，壓力計(jì)數(shù)表，調(diào)節(jié)閥等設(shè)備；在真空設(shè)備中主要組成部分由真空泵、真空壓力計(jì)與氣體調(diào)節(jié)裝置等；在數(shù)據(jù)采集部分由電導(dǎo)儀與計(jì)算機(jī)進(jìn)行組成，組成效果如下：

3 研究方案

1）水模實(shí)驗(yàn)方案

水模實(shí)驗(yàn)方案主要是進(jìn)行對(duì)于鋼包液化過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一觀察與數(shù)據(jù)采集，根據(jù)整體氣體流動(dòng)循環(huán)出現(xiàn)的變量輸入進(jìn)行對(duì)于氣體流量的變量輸出。變量觀察主要依靠示蹤粒子，通過(guò)追蹤示蹤粒子來(lái)進(jìn)行對(duì)于整體流譜的觀察與實(shí)現(xiàn)，整體實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要使用多墨汁進(jìn)行對(duì)于數(shù)據(jù)的體現(xiàn)。

2）RH裝置混勻時(shí)間方案

RH裝置的混勻時(shí)間很難通過(guò)時(shí)間計(jì)表進(jìn)行采集，主要是因?yàn)殡y以抓住開始與結(jié)束的標(biāo)志性記點(diǎn)，所以需要在150RH上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的示蹤粒子才去的是不容易被實(shí)驗(yàn)氧化的元素，一般使用的是Cu離子，每隔十秒進(jìn)行對(duì)于鋼包的采樣，采樣次數(shù)為36次并且記錄每次采樣的時(shí)間。

4 研究結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是氣泡的大量出現(xiàn)，在空氣吹入實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)程中出現(xiàn)大量氣泡，這些氣泡漂浮，破碎驅(qū)動(dòng)著鋼水進(jìn)行向著真空室流向，又經(jīng)過(guò)重力作用流轉(zhuǎn)回到鋼包形成一個(gè)有效循環(huán)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣泡大小會(huì)一定程度上的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先當(dāng)空氣吹入量較小時(shí)，氣泡會(huì)分散成較多的氣泡粒，這些氣泡粒會(huì)在壁管內(nèi)外部進(jìn)行附著聚集，這樣就在一定程度上表明清潔低碳鋼需要進(jìn)行氣體流量的擴(kuò)大，用來(lái)降低氣泡對(duì)于實(shí)驗(yàn)整體結(jié)果的負(fù)面影響。

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