原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的基他同志對本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明 簽名 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿?分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名： 師簽名：弘吼幽 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 在a o d 冶煉中終點碳和終點溫度的命中率是提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān) 鍵。只有控制好終點碳和終點溫度，才能保證質(zhì)量、提高爐齡并減少鉻的吹損。 目前，大多數(shù)a o d 冶煉中終點碳控制是借助經(jīng)驗公式來預(yù)測的，主要還是通過 取樣分析來確定，終點溫度往往取決于終點碳和多次搖爐測溫來獲得。由于不能 做到通過吹氣量和氬氧氣體比例的調(diào)整來控制，因此自動化程度低，經(jīng)驗操作的 因素大，容易造成工藝不穩(wěn)定，其結(jié)果不但浪費(fèi)氣體，而且使鉻的回收率降低， 還造成爐襯損耗嚴(yán)重，爐齡下降。本課題的目的就是在充分利用現(xiàn)有操作數(shù)據(jù)的 基礎(chǔ)上應(yīng)用冶金原理建立終點碳及終點溫度預(yù)報數(shù)學(xué)模型。通過分級調(diào)整氧氣、 氬氣、氮氣比例達(dá)到所需的控制效果。 通過本模型，由初始溫度、初始成分及補(bǔ)加合金量等原始數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?數(shù)，可預(yù)報達(dá)到目標(biāo)終點碳所需要的脫碳時間以及相應(yīng)的終點溫度。本模型計算 得到的終點碳與實際終點碳極為接近，可作為一般a o d 冶煉中預(yù)報終點碳與脫 碳時間關(guān)系之用，還可根據(jù)不同工況( 如爐令，氧壓等) 隨時調(diào)整模型相關(guān)系數(shù)， 得到更佳脫碳效果并提高終點碳的命中率。終點碳命中率可由原來的9 5 提高到 9 8 以上，最高溫度可以控制不超過1 7 5 0 。 本模型可與基礎(chǔ)級自動化配合進(jìn)行脫碳全過程的( 0 2 ：a t ) 比自動控制，使 之獲得最佳脫碳效果，最優(yōu)化的氣體消耗，最長的爐襯壽命，為小型a o d 爐的 改造提供理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：不銹鋼，a o d ，脫碳，( 0 5 ：a r ) 比，計算機(jī)模擬 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h eh i tr a t eo fa i mc a r b o nc o n t e n ta n df i n a lt e m p e r a t u r ei sak e yf o rr a i s i n g p r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t yi na o ds m e l t i n g o n l yi fa i mc a r b o nc o n t e n ta n df i n a l t e m p e r a t u r ea r ew e l lc o n t r o l l e dc a nf u r n a c el i f eb ep r o l o n g e da n dc rl o s sb ed e c r e a s e d a tp r e s e n t ，t h ec o n t r o lo fa i mc a r b o nc o n t e n ti sd e t e r m i n e db ye m p i r i c a lf o r m u l a ， w h i c hi sm a i n l yd e t e r m i n e d b ys a m p l i n ga n a l y s i s f i n a lt e m p e r a t u r ed e p e n d s n o r m a l l y o na i mc a r b o nc o n t e n ta n di so b t a i n e d w i t hm u l t i p l et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tf r o mf u r n a c et i l t i n gb u tn o tc o n t r o l l e dw i t ha d j u s t m e n to fg a sq u a n t i t y a n dd e c r e a s i n g0 2 a r 2b l o w i n gr a t i o l o wa u t o m a t i o nl e v e la n dm o r ei n f l u e n c eo f e m p i r i c a lo p e r a t i o nc a u s ev a r i a b i l i t ya n du n s t a b i l i t y , w h i c hw a s t e sn o to n l yg a s ，b u t a l s od e c r e a s e sc rr e c o v e r yr a t i o ，m a k e sl o s so fl i n i n gs e v e r sa n dr e d u c ef r n a c el i f e t h ep u r p o s eo f t h i ss t u d yi st oa p p l ym e t a l l u r g i c a lt h e o r ya n dp l e n t yo f o p e r a t i o nd a t a t ob u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rf o r e c a s t i n ga i mc a r b o nc o n t e n ta n df i n a lt e m p e r a t u r e ， a n dt or e a l i z eo p t i m u mc o n t r o lf r o md i f f e r e n ta d j u s t i n gr a t i oo f 0 2 ，a ra n dn 2 t a k i n gi n i t i a it e m p e r a t u r e ，i n i t i a lc o m p o s i t i o na n da n a o u n to fa d d e da l l o y sa s i n p u td a t a ，t h ed e e a r b u r i z a t i o nt i m en e e d e df o rr e a l i z i n ga i mc a r b o nc o n t e n tc a nb e f o r e c a s t e dt h r o u g ht h i sm o d e l ，t h ef i n a lt e m p e r a t u r ea ta i mc a r b o nc o n t e n tc a na l s ob e e s t i m a t e d a tt h es a n l ec o n d i t i o n ，t h ea i mc a r b o nc o n t e n tc a l c u l a t e db yt h i sm o d e li s i d e n t i c a lw i t hm e a s u r e dv a l u ea n dc a nb eu s e df o rp r e d i c t i o no f r e l a t i o n s h i pb e t w e e n a i mc a r b o nc o n t e n ta n dd e c a r b u r i z a t i o nt i m ed u r i n gt h eo r d i n a r ya n ds m a l la o d s m e l t i n g ，i no r d e rt oi n c r e a s eh i t - r a t eo fa i mc a r b o nc o n t e n t 。t h er e l a t i v ec o e f f i c i e n t i nm o d e lc a na l s ob ea d j u s t e df o rb e a e rd e c a r b u r i z a t i o nr e s u l ta n dh i t - r a t eo fa i m c a r b o nc o n t e n t ，a c c o r d i n gt ov a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ( 1 i k ef u r n a c el i f e ，o x y g e n p r e s s u r e ，e t c ) c o n c e r t i n gw i t l lb a s i ca u t o m a t i o ns y s t e m ，t h i sm o d e lm a yc o n t r o l ( 0 2 ：a t ) r a t i o f o rw h o l ed e c a r b u r i z a t i o np r o c e s ss o 嬲t oa c h i e v eb e s td e e a r b u r i z a t i o nr e s u l t ，o p t i m a l g a sc o n s u m p t i o na n dl o n g e s tl i n i n g l i f et h u sp m v i d i n gt h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e r 4 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 m o d i f i c a t i o no fs m a l la o df u r n a c e k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l ，a o d ，d e c a r b u r i z a t i o n ，( 0 2 ：a r ) r a t i o ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章序言 1 1a o d 冶煉發(fā)展歷史 克虜伯公司于1 9 1 2 年發(fā)明了不銹鋼，并進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)，但是直到5 0 年代中期以前，世界不銹鋼的年產(chǎn)量始終未超過1 0 0 萬噸，主要原因是不銹鋼冶 煉工藝技術(shù)一直沒有得到重大突破。不銹鋼應(yīng)用和發(fā)展從成本，質(zhì)量和工藝適應(yīng) 性方面提出以下要求： ( 1 ) 允許選用更廉價的原料，降低生產(chǎn)成本。如采用高碳或中碳鉻鐵代替價格 昂貴的微碳鉻或金屬鉻。應(yīng)用不銹鋼返回料以回收合金元素。 ( 2 ) 能生產(chǎn)出高純度，高均勻性的不銹鋼，在冶煉過程中能大幅度地去除原材 料中帶入的碳、硫、磷、氣體、夾雜以及其他有害元素，使這些雜質(zhì)元素 的含量只有按常規(guī)方法冶煉的同鋼種中含量的幾分之一或幾十分之一。如 要求碳小于2 0 0 x 1 0 。4 ，硫、磷小于5 0 x 1 0 4 ，氮小于3 0 x 1 0 。4 【”。 ( 3 ) 冶煉工藝能更好地與澆注配合，特別是與連鑄的配合。如冶煉的生產(chǎn)率能 適應(yīng)連鑄的要求。 a o d 法就是為了解決上述問題而發(fā)展起來的一種專門用于冶煉高鉻不銹 鋼的方法，該方法可以在不太高的冶煉溫度下，在大氣中將高鉻鋼液中的碳降到 極低水平，而鉻又沒有明顯的燒損。在冶煉一般超低碳不銹鋼( 如3 1 6 l 、3 0 4 l ) 時，碳含量一般在0 0 2 左右，如有特殊要求，可將碳含量降至o 0 1 以下( 真 正的超低碳不銹鋼) 。由于a o d 爐對鋼水有非常強(qiáng)的攪拌能力，有利于脫硫、 脫氧及去除其他氣體，使鋼水中的雜質(zhì)含量、氣體含量達(dá)到理想值，可充分保證 鋼材的內(nèi)在質(zhì)量和改善鋼材的冷熱加工性能。通過精煉，使不銹鋼雜質(zhì)得到有效 的控制，從而大大提高不銹鋼的耐腐蝕性能。此外，這種氬氧精煉工藝還具有投 資省、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)費(fèi)用低、產(chǎn)品質(zhì)量高、操作簡便等優(yōu)點。所以，在世界 各國得到迅速推廣。發(fā)達(dá)國家的不銹鋼產(chǎn)品百分之七十五以上是由a o d 爐生產(chǎn) 的?，F(xiàn)在世界上約有a o d 設(shè)備1 4 0 臺，最大容量1 6 0 噸。據(jù)資料介紹，全世 界不銹鋼總產(chǎn)量的7 5 以上是由a o d 生產(chǎn)的。西歐、美國、日本等主要不銹鋼 生產(chǎn)國a o d 法生產(chǎn)不銹鋼的比例，美國9 5 、芬蘭1 0 0 、英國8 8 、意大利9 5 ， 原西德為7 5 ，日本6 5 0 5 。 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 1 2a o d 工藝過程 a o d 工藝是氬氧脫碳法( a r g o no x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 的簡稱，其基 本原理是在常壓下向鋼液吹氧脫碳的同時加入氬氣或氮氣降低c o 分壓以實現(xiàn) 去碳保鉻。 a o d 爐的爐體類似于氧氣轉(zhuǎn)爐，是由鋼板圍制的爐殼和內(nèi)砌耐火材料的爐 襯所組成見圖1 - 1 。為了提高爐子的作業(yè)率通常采用活動爐殼。吹入精煉用混 合氣體的風(fēng)口安裝在出鋼盯側(cè)對面、靠近爐底的側(cè)壁上。當(dāng)裝料和出鋼時，爐體 前傾定角度，風(fēng)口處于鋼液面i 三l 上。正常吹煉時，風(fēng)口沉入熔池深部。根據(jù)爐 容量的大小，可安有二個或三個以上的風(fēng)口。由于爐體下部設(shè)計成2 0 。傾斜的圓 臺形，所以風(fēng)口噴出的氣體在熔池中上浮時，不會沖刷風(fēng)口上方的爐壁。a o d 爐風(fēng)口的型式是特有的，它屬于是用氣體冷卻的消耗式風(fēng)口。風(fēng)口采用雙層套管 結(jié)構(gòu)，其外管只通氬氣( 或氮氣) 以冷卻風(fēng)口，內(nèi)管通氬氧混合氣體。 1 - - - 爐殼；2 - - - 爐帽；3 - - - 爐堂；4 - - - 噴槍；5 - - - 鋼水；6 - - - 爐襯 圖1 - 11 8 噸a o d 爐示意圖 采用a o d 工藝精煉不銹鋼時，可用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐作為初煉爐。當(dāng)用電爐 熔煉供a o d 爐精煉的半鋼時，電爐的爐料可由廢鋼、不銹鋼的返回鋼、高碳鉻 鐵、高碳鎳鐵等原料組成，按需要還可使用少量的鉻礦。電爐所煉的半銅對碳含 量沒有嚴(yán)格的要求，通常波動于1 2 。它比v o d 法對原料選擇的自由度要更 量沒有嚴(yán)格的要求，通常波動于1 。2 。它比v o d 法對原料選擇的自由度要更 9 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 大些?？紤]到a o d 爐的爐襯壽命，硅的含量一般控制在o 2 0 4 。電爐熔化 終了，如果硅高，可以進(jìn)行脫硅處理。脫硅用氧化劑可以是氧氣、氧化鎳或氧化 鐵皮，但考慮到鋼液溫度，一般建議吹氧。為了還原爐渣中的氧化鉻，初煉爐出 鋼前可加硅鐵和碳化硅等還原劑。a o d 精煉條件下具備較強(qiáng)的脫硫能力，所以 在初煉爐中一般不強(qiáng)調(diào)脫硫。初煉爐的出鋼溫度控制在t 6 2 0 - - + 1 0 。c “。 初煉爐出鋼后，在運(yùn)往a o d 爐的過程中，對鋼液稱量和除渣，然后兌入 a o d 爐中。為防止鋼液灌入風(fēng)口，兌鋼液時由風(fēng)口吹入氬或氮氣。根據(jù)初煉爐 出鋼的碳、硅、錳含量和鋼液的質(zhì)量，計算出吹入氧的總量。為了盡量減少鉻的 氧化和防止鋼液溫度過高，在吹煉時要改變氬氧的混合比。在理想的情況下，應(yīng) 按照熔池的含碳量和溫度，連續(xù)地變化混合比。但是，由于操作、檢測、控制等 方面的原因，目前，在實際操作中，則是分三或四個階段變化氬氧比例。每個階 段所用的混合比，按該階段終了時的含碳量和溫度來確定。一般吹煉初期，碳含 量較高，采用o 。：a t = 4 ：1 ( 或3 ：1 ) 0 1 。在這個比例下，將熔池中含碳量降到 0 2 左右。這時的溫度大約為1 7 0 0 左右。第二階段按o 。：a r = 2 ：1 的比例供 氣。將含碳量降到0 1 左右，此時熔池溫度大約為1 7 0 0 。第三階段按o 。：a r = 1 ：2 的比例，將碳含量降至0 0 2 ，此時溫度約為1 7 0 0 1 7 5 0 1 2 。當(dāng)吹煉碳含量 小于0 0 1 的極低碳鋼種時，可增設(shè)第四階段，以o 。：a r = l ：3 ( 或1 ：4 ) 的比 例繼續(xù)脫碳。 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章課題目的 2 1 五鋼a o d 目前的現(xiàn)狀 上海五鋼a o d 精煉裝置投產(chǎn)1 0 多年來，主要生產(chǎn)各種不銹鋼諸如： 3 0 4 l 、3 1 6 l 、3 1 0 l 、3 0 4 、3 1 6 、3 2 1 、3 r e 6 0 ( 雙相鋼) ，尿素級0 0 c r 2 5 n i 2 0 m 0 3 m n 3 n ( u 3 ) 等超低碳不銹鋼和特種合金，制造出了大批無縫鋼管、焊絲、焊帶、鍛 件、棒材、耐高溫材料及市場難以尋購的多品種、多規(guī)格、制造難度大的產(chǎn)品。 五鋼1 8 噸a o d 爐齡一般在4 0 5 0 爐之間，爐膛的內(nèi)形為爐帽部分的圓臺體、爐 體中部的圓柱體和下部的倒置圓臺體所組成。爐容比為1 - 0 7 m 3 t ，從而保證有較 大熔煉室空間，以減少噴濺。熔池深度、熔池直徑、爐膛的有效高度三者之比取 1 ：2 ：3 。 目前，五鋼a o d 生產(chǎn)面臨著四個方面的問題： ( 1 ) 坦監(jiān)丕宣。目前平均為4 8 爐，而國內(nèi)現(xiàn)在較好的爐齡在7 0 - 1 0 0 爐之間。 ( 2 ) 終點醛控制與縫盛迢廑趨制過于保守，使得終點碳過低，終點溫度過高，這 一高一低是造成爐齡不長的主要原因。 ( 3 )氣住配比采用固定模式( 見圖2 - 1 ) ，不能結(jié)合爐況隨機(jī)調(diào)整。 ( 4 ) 鉻回監(jiān)盔不穩(wěn)定，鉻損較大。 圖2 - 1 氣體配比 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 圖2 - 2a o i ) 精煉現(xiàn)場 2 2 本課題研究的內(nèi)容和目的 根據(jù)五鋼a o d 冶煉情況，終點碳和終點溫度的命中率是影響a o d 冶煉的 關(guān)鍵。只有控制好終點碳和終點溫度，爐齡才能提高，鉻的吹損才能減少。目前， 大多數(shù)a o d 工廠中終點碳控制是借助經(jīng)驗公式來預(yù)測的，主要還是通過取樣分 析來確定，終點溫度往往取決于終點碳和多次搖爐測溫來確定，由于不能做到通 過吹氣量和氣體比例的調(diào)整來控制，因此自動化程度低，經(jīng)驗操作的因素大，容 易造成工藝不穩(wěn)定，不但浪費(fèi)氣體，而且使鉻的回收率降低，爐襯損耗嚴(yán)重，爐 齡下降。本課題的目的就是應(yīng)用冶金物化理論及大量數(shù)據(jù)，建立終點碳及終點溫 度控制數(shù)學(xué)模型，通過調(diào)整o ：、m 、n 。氣比例達(dá)到控制最佳效果。 根據(jù)冶煉時間，實際溫度、成分、爐齡，通過數(shù)學(xué)模型調(diào)節(jié)氣體流量和配 比，使鉻損減少到最低，同時提高爐齡并降低包括氣體消耗在內(nèi)的生產(chǎn)成本，最 終獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。 根據(jù)實際生產(chǎn)已知，多吹o z 能使【c 】降低，但鉻損增加，溫度升高，爐襯損 耗增加，多吹m 能使溫度降低，鉻損減少，但成本增加。為此，在冶煉過程中， 每一時間點上，必須尋找一個能使溫度保持一定值的條件下，成本最低的a r 、 0 。配比和流量。 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章課題研究的依據(jù) 為了研制數(shù)學(xué)模型，首先必須確定工藝參數(shù)。a o d 吹煉過程的工藝參數(shù)可 分為兩類。一類是與吹煉供氣系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù)，如氧氬比、氧氣流量、氬氣( 氮 氣) 流量、吹純氬的時間、風(fēng)口直徑、風(fēng)口個數(shù)、風(fēng)口距熔池表面距離、混合氣 體壓力等。另一類是與冶煉工藝有關(guān)的參數(shù)，如爐容量、入爐半鋼的化學(xué)成份、 半鋼的溫度、吹氧脫碳時間等。以上兩類參數(shù)均可在冶煉過程中獲得，并把這些 參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)來控制終點碳和終點溫度。 3 1 熱力學(xué)方面的理論依據(jù) 鉻溶解在鐵液中，它和鐵的原子、離子半徑相近似，f e c r 系近似理想溶液。 在煉鋼溫度下最穩(wěn)定的氧化物是c r 2 0 3 。據(jù)f e c r - o 系平衡研究的結(jié)剁“，穩(wěn)定 的析出相隨鐵液中的鉻的含量而變化。以 c r 】表示鐵液中的鉻，當(dāng)【c r 】 3 】時，平衡的析出相尚未得到完全確認(rèn)。 由實測結(jié)果【lj ，【c r 在【6 】【3 0 】時，平衡析出相為c r 2 0 3 ?？紤]到測定精度的問 題，目前認(rèn)為鉻的氧化產(chǎn)物在 c f 】 【3 】時是c r 2 0 3 。因 此，按熔池中c r 含量的不同，其氧化反應(yīng)的熱力學(xué)值如下 2 1 ： 【c r 3 】2 【c r 】+ 3 o 】= c r 2 0 3c 。， a g o = 一1 0 2 2 7 0 0 + 4 3 8 8 t l g k = l g 口尚- 墻一4 4 r 0 4 1 ) + 1 9 4 2 當(dāng)金屬液中【c 】和 c r 】同時氧化時，按下列反應(yīng)可以達(dá)到碳鉻間的平衡： 3 c 】+ c r 2 0 3 ( s ) 2 3 c o g ) + 2 o r 】 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 假定 可以得出 k ：垡 口玉】a c 0 3 口吼q2 1 口南，】口玉】= k 瑞 根據(jù)中村【7 】的測定，在p c o = 1 、 c r = l o 一2 5 1 n l g ! 粵：一i 4 0 9 9 0 + 2 5 8 3 “蟊1 1 推廣到p c o 1 時 l g 魚：一( 蘭嬰+ 2 5 8 3 ) 一l g p c o a c 1 1 ac r - f c ， c r 】 a c - - - f c 【c 】 f c ，、f c 由表3 - 1 求得。 表3 - 1 各元素的相互作用系數(shù)e ，如 c c rc um nm o n iopss is nw c0 1 4- 00 2 4 0 0 1 6o 0 1 2- 0 80 0 1 20 3 4o o s lo t 3 4 6 0 0 8o 0 4 1i o 0 0 6 m n0 0 7 0 0 8 3- 0 0 0 400 4 8 s i0 1 8 00 0 10 0 1 40 0 0 2 0 0 0 5- 02 30 “0 0 5 60 1 10 0 1 7 c r0 1 20 0 0 1 0 0 1 60 0 0 20 0 0 1 0 1 40 0 5 30 0 2- 0 0 0 40 0 0 9 l g f c = 0 1 4 c l - 0 0 2 4 c r + 0 0 1 6 c u - 0 0 1 2 m n 一0 0 0 8 【m o + 0 0 1 2 n i 】 o 3 4 1 0 1 + 0 0 5 1 p + 0 0 4 6 s 1 + 0 0 8 s i + 0 0 4 1 s n - 0 0 0 6 w l g f m 。= 0 0 7 c l 一0 0 8 3 o - 0 0 0 3 5 p - 0 0 4 8 s l g f s i - - 0 1 8 c - 0 o o l c r 】+ o 0 1 4 c u + 0 0 0 2 t m n + o o o s t n i - 0 2 3 0 + 0 1 l p + 0 0 5 6 s + 0 1 l s i + o 0 1 7 s n l g f c ，= 0 1 2 c 一0 o o l c r 】+ o 0 1 6 c u + 0 0 0 2 m o + 0 o o l n i 1 4 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 0 1 4 1 0 1 0 0 5 3 p 一0 0 2 0 s 1 - 0 0 0 4 【s i + 0 0 0 9 s n 由以上分析可得到：平衡時終點 c 1 與p c o 、溫度、各成分之間存在一定的 關(guān)系。 終點 c 】與p c o 、溫度、各成分關(guān)系式如下： 3 1 9 c + 0 6 6 【c 】- 2 l g c r 】+ 3 ( 4 0 9 9 0 t - 1 + 2 5 8 3 ) o 3 3 3 + 3 1 9 p e o + 0 0 7 c r 】一0 0 1 6 c u + 0 0 3 6 m n + 0 0 0 2 8 m o - 0 0 3 5 - n i + 0 7 4 o - 0 3 1 2 p 1 - 0 1 7 8 s 0 2 4 8 s i l 0 1 0 5 s n + 0 0 1 8 w 】 - - ( 3 - 1 ) 由式( 3 - 1 ) 可見，當(dāng)c o 分壓一定時，要實現(xiàn)降碳保鉻就必須提高熔池溫 度。碳越低，轉(zhuǎn)化溫度就越高。如果c o 分壓降低，則轉(zhuǎn)化溫度也可降低。a o d 就是利用這個原理來進(jìn)行降碳保鉻的。 3 2 冶金動力學(xué)依據(jù) a o d 過程中吹入鋼水的氧首先與c r 、m n 、s i 、f e 發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生混和氧 化物： 【m 】+ 0 2 ( 蜀。( m x o y ) 它們吸附于吹入氣體形成的氣泡并隨之上浮，在吹氧初期，混和氧化物中 的n i o 、c r 2 0 3 、f e o 等在上浮時被【c 】，【s i 】、【m n 】還原，隨著【s i 】、【m n 】的不 斷降低，熔池中碳對氧化物的還原速度不斷增大，此時混和氧化物的還原基本由 碳來完成。 c 】+ ( m x o y ) = 【m 】+ c o g 該過程從冶金動力學(xué)上講應(yīng)分為三步進(jìn)行【4 】= ( i ) 熔池中【c 對流擴(kuò)散至混和物； ( 2 ) 發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)： ( 3 )產(chǎn)物c o 、m 分別進(jìn)入氣泡和熔池。 因為高溫使界面化學(xué)反應(yīng)處于化學(xué)平衡，氣相擴(kuò)散速度比液相擴(kuò)散速度快得 多，所以( 1 ) 為限制性環(huán)節(jié)【8 】： 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 掣k 。等( c 】- c 】i ) 1 2 0 0 ( 3 - 2 ) 其中： 【c 】+ 反應(yīng)界面碳的濃度。( ) c 】_ 熔池中碳的濃度。( ) kc 碳的傳質(zhì)系數(shù)。( c m 2 s 。) a 反應(yīng)界面積。( c m 2 ) v 鋼水體積。( c m 3 ) p 女一鋼水密度。( g c m 3 ) t 脫碳時間。( s ) 對上式分離變量積分： 葚南d c 】= k c 可a 麗p r o , f a t 得： 器= c ) 【p ( - k c 揣t ) ( 3 - 3 ) 式中： c o 一鋼液中碳初始濃度。( ) 由( 3 2 ) 式可從理論上得到鋼液中碳與時間的關(guān)系。 3 3 國外已研究的a o d 過程模型 a o d 自投產(chǎn)以來，隨著生產(chǎn)量不斷提高，工藝過程的改進(jìn)也在不斷推進(jìn)。 各種a o d 過程模型也相繼推出。下面是幾種含鉻金屬液脫碳反應(yīng)模型 3 3 1t e t s u y a 和w a t a n a b e 脫碳反應(yīng)模型1 9 1 該模型適合于初始碳大于2 5 ，頂?shù)讖?fù)合吹的a o d 爐。 a o d 工藝中的脫碳反應(yīng)可以設(shè)想為以下幾個步驟： ( 1 ) 通過吹入的精煉氣體產(chǎn)生氣泡。這些氣泡的氧全部與鐵水中的c 、s i 、m n 和c r 反應(yīng)生成c o 、s i 0 2 、m n o 和c r 2 0 3 。 0 2 ( g ) + c 】_ c o ( g ) 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 0 2 ( g ) 十4 3 c r = 2 3 c r 2 0 3 0 2 ( g ) + 2 m n _ 2 ( m n o ) 0 2 ( g ) + t s i - ( s i 0 2 ) 這些氧化物的數(shù)量取決于向氣體一金屬界面的物質(zhì)傳遞速率。 每種元素向一個氣泡的質(zhì)量流量j i ( m o l c m 之s 1 ) 可用下述等式表 不。 j 。= ( p 鋼水1 0 0 m j ) k j a b ( c b ，j 一 c 】i ，) ( t o o l 。e m 。s 一) 0 4 ) k j 一元素( j ) 的質(zhì)量傳遞系數(shù) a b 氣泡總表面積( c m 2 ) m 一一元素( j ) 的摩爾質(zhì)量( g m o l 。1 ) p 自m 一鋼水密度( g - c m 。3 ) c b j 【c i j 分別表示反應(yīng)界面上和氣泡中元素( j ) 百分含量( ) 。 ( 2 ) 通過 c 和 s i 來還原上升氣泡中的氧化物?？筛鶕?jù)( 3 - 5 ) 一( 3 8 ) 等式的 反應(yīng)速度來確定哪一種反應(yīng)較快，從而計算鋼水中元素的物質(zhì)傳遞速率。 ( c r 2 03 ) + 圭【c 】= 2e c r 】+ c o 。( 3 - 5 ) ( m n o ) + 【c 】= 【m n 】+ c o ( g ) ( 3 6 ) 導(dǎo)( c r 2 0 3 ) + l s i 】= 扣】+ 丟( s i 0 2 i o ) ( 3 - 7 ) ( m n o ) + 丟【s i 】= 【m n 】+ 丟( s i 0 2 ) ( 3 - 8 ) 熱平衡計算： 鋼水的溫度變化由下式計算： 墮：旦墼 d t ( cp s ws+cp m wm ) t m - 鋼水的溫度( k ) c p s 渣的比熱( j g k 1 ) 。 c p m 鋼水的比熱( j g k 。) 。 q r t 單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量( j s 1 ) 通過以上分析及計算得到鋼水的溫度、各主元成分和時間的關(guān)系。 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 3 3 2 韓企韜脫碳模型1 1 0 i 低碳鐵水的脫碳速度與噴吹氣體中的氧分壓、流量以及鐵水的碳含量有關(guān)。 作為支配整個反應(yīng)速度的主要因素，要考慮氧的傳遞速率和碳的傳遞速率以及生 成c o 的氣相物質(zhì)移動等等。 最初，鐵水的脫碳速度為單純的氧的傳遞速率所控制，脫碳后期由碳的傳遞 速率所支配，故用下列等式計算脫碳速度： 脫碳前期： c + o - c o 。g ，ag 。2 2 2 0 0 3 8 3 4 t k = 二旦l 一 。 f c c 】f o 【o 】 爭= 2 ( k 。 0 2 r t ) ( a v ) ( p 0 2 一p 0 2 0 脫碳后期： 一魯= k l , c ( a v ) ( 【c c h c c d ( 1 0 0 m c ) 式中： c 廣鐵水中碳的百分濃度( ) c o 一鐵水中氧的摩爾濃度( m o l c m 3 ) k lc 、k q 0 2 物質(zhì)移動系數(shù)( c m s ) r 氣體常數(shù)( c m 3 a 1 1 t i k m 0 1 ) t 韞度( k ) a 鐵水表面積( e m 2 ) v 鐵水體積( 鋤3 ) p 0 2 _ 一氧氣壓力( a r m ) m c 一碳的分子量( g m 0 1 ) 注腳字母： c 表示碳；0 2 為氧氣；g l 分別為氣體和液體；i 表示反應(yīng)界面。 應(yīng)用以上分析通過計算可得到鐵水吹氧時的脫碳速度。 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章a o d 脫碳反應(yīng)的建立 以上兩個模型在工業(yè)生產(chǎn)中都取得較好的結(jié)果，但兩模型均建立在高碳鐵 水條件下，不適應(yīng)目前a o d 的狀況。另外，在處理鋼液中各組元氧化速率時， 將反應(yīng)速率常數(shù)作為定值是不盡合理的，隨著鋼液中成分，溫度的變化，各反應(yīng) 速率常數(shù)問的差別還會加大，這樣無疑對實際操作會帶來相當(dāng)大的偏差。本課題 就是要建立一個能真實反映a o d 脫c 過程的數(shù)學(xué)模型，能服務(wù)于生產(chǎn)，能取得 最大效益的模型。 4 1 a o d 脫c 過程基本假設(shè) 關(guān)于a o d 脫碳過程中氧氣吹煉金屬時元素氧化機(jī)理的問題，目前還存在著幾 種不同的看法，本論文假定： ( 1 ) 精煉初期，吹入熔池的氬氧混合氣體中的氧與鋼液中碳、鉻、硅、錳和鐵等元 素發(fā)生反應(yīng)而被吸收，生成的c o 進(jìn)入氬氣泡中。也就是說，氧氣直接進(jìn)行氧 化反應(yīng)。各元褒蠅氈速室量氫冬亟量盛匿趔。 ( 2 ) 生成的氧化物在上浮過程中部分分解，碳、鉻、錳、硅等元素的氧化在鋼液 渣氣泡界面同時進(jìn)行，達(dá)到平衡， ( 3 ) 精煉后期，只有碳和鉻繼續(xù)氧化， 碳的傳質(zhì)控制。 即各反應(yīng)物在界面處達(dá)到一總的平衡。 、，一一一。一一“ 碳的濃度較低，此時碳的氧化速率將受 ( 4 ) 吹入熔池的氧氣除大都分參與氧化反應(yīng)外，其余部分 鏈超出廈廛熔池。一丕壟塑 渡安鯊鰹。 ( 5 ) 假設(shè)脫碳至一棗時耷j 墮晷堡魚量【g k ! 當(dāng)塑查史堡魚里盔王 k 瞳! 避毯婆姿 電堡氫量圭量盔虹當(dāng)鋼撾壁壘量塵乏【里l 篁墮! 髓越遮塞唐【g 墮芏墼墼劍。 4 2a o d 吹煉過程數(shù)學(xué)模型的建立 4 2 1 吹煉過程中鋼液各組元的變化速率 根據(jù)假設(shè)，氧氣射流噴射到鋼液中，氣泡中的氧與鋼液中的c 、s i 、m n 、c r 、 f e 反應(yīng)，生成c o 、s i 0 2 、m n o 、c r 2 0 3 、f e o 。在氣泡液界面上發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)【2 1 。 2 c 】+ 0 2 ) 一2 c 0 ) 一( 4 1 ) 1 9 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 g o = 一2 7 5 2 8 0 8 4 1 2 t 蚰c “o o 瑚m 擊 【s i + 0 2 2 ( s i 0 2 ) g o 一7 4 7 2 6 0 + 17 7 8 t a g s i = g 。+ r t l n 磊a s i o 2 2 【m n 】+ 0 2 。2 ( m n o ) g o 一8 0 6 4 7 5 + 2 4 0 5 4 t 舳曠尉+ r t m 燾 4 3 c r + 0 2 = 2 3 ( c r 2 0 3 ) ag o 一7 7 4 6 9 3 + 2 3 3 4 t g c ，：g 。+ r t l n 季盟 a ；，p o 2 【f e 】+ 0 2 ) 52 ( f e o ) 八g o ：一4 7 6 1 4 0 + 9 8 9 t 崛。一o + 蹦n 喪 ( 4 一- 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) 一( 4 5 ) 根據(jù)所作假設(shè)，精煉初期各元素的氧化速率為 等一a 。s 等一s 警一s 。s 垃：一三6 。s d t3 。1 其中： s ：供氧速度 。：三盟( t o o l 曲 2 2 4 0 0 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 。卜各組元摩爾濃度( m 0 1 c m 3 ) a j - j 組元活度。 q 。吹0 。量( n m 3 s ) 氧氣利用率 6 、氧氣在各元素間的分配比。 分配比8 ，由下列式子得到。 8c = a g c e a g j 8c r = a g c d 5 2a g j 6m n = a g m 。ea g j 8s i = a g s i g j g 尸g c ：+ a g c r + a g m n + a g s i 其中： g j 一_ j 物質(zhì)氧化反應(yīng)吉布斯自由能變化。 精煉后期，只有碳和鉻繼續(xù)氧化，碳的濃度較低，此時碳的氧化速率 將受碳的傳質(zhì)控制 1 8 】。 11 圭( c r 2 0 3 ) + 【c 】= c r l + c o ( g ) ( 4 6 ) 1 i g k ，：一半+ 1 9 5 1 8 三三 一p c 0 堪 c r 】3 kc c r = 魯- 巡 a b f c c 】 ( 4 7 ) j 。= ( p 徘l o o m 。) k 。等( 【c 】。- 【c ( t 0 0 1 c m 一s _ 1 ) ( 4 - 8 ) j c ，= ( p 鋼水1 0 0 m c ，) kc | c r 】b 一【c r 】i ) ( t o o l c m - 3 , s - | ) ( 4 - 9 ) j ，：曇j ，( 4 - - 1 0 )c2 j c r竹 假定，反應(yīng)瞬間在界面得到平衡，則由( 4 7 ) 式得： 蘭! 【c 】j ：監(jiān)獸墮4 - - 1 1 ) k c c r 8 吼30 3 t 由( 4 - 8 ) ，( 4 9 ) ，( 4 1 0 ) ，( 4 1 1 ) 得 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 c r 卜 c r 卜畿 【c 卜篡，卜 由( 4 - 1 2 ) 求得 cr i 代入( 4 一i l ) 中求得 c 。，把 c r 。， c 。分別代入( 4 8 ) ( 4 - 9 ) 中求得j 。和j 。，然后應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)四階龍格一庫塔公式求解。見第五章。 式中： k 。，平衡常數(shù) 1 ( c 、k c r 傳質(zhì)系數(shù)( c m s ) a b 氣泡總表面積( c m 2 ) v 鋼水體積( c m 3 ) 下標(biāo)i 表示反應(yīng)界面，b 表示鋼水。 m j - j 元素的分子量( t 0 0 1 ) j 廠一傳質(zhì)速率( m o l c m 。3 s 。1 ) 精煉前期和精煉后期的分界線是由臨界碳含量【c k 來劃分的。臨界碳含量 c k 由下列方法確定，當(dāng)由供氧量控制的脫碳速率與由 c 】的擴(kuò)散控制的脫碳速率相等時， 此時的 c 】就是【c 】l r 。 4 2 2 吹煉過程鋼液中溫度的變化率 熔池溫度t 可由針對熔池的熱量衡算得出。 里豎竺堡二蘭生_ 攀= q ；+ q 。一q 。一q 。一q 。一q 。( 4 1 3 ) c d s ：渣子熱熔，( j g z 1 ) c 口m 鋼水熱容，( j g k 1 ) w 。：渣量( g ) w 。：鋼水量( 曲 q 。：反應(yīng)表面單位時間的直接氧化放熱。( j s 1 q 。鄧舊等 + 扣，等 州，等 + 知，竺掣，羆 q 。：單位時間內(nèi)鋼和渣攜帶的熱量?！? j s ) q 。= 0 0 1 7 5 _ 挈 + 0 0 1 5 4 5 一_ _ d m n l j + 0 0 2 5 州一d s i 。l ，i1 w 麗“o t ( i ti l 兒) 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 q “單位時i 司內(nèi)通過爐渣表面的輻射熱損失( 5 s ) q 。= k s r a 。( t 4 _ t a 4 ) = 1 6 3 3 1 0 “a 。 t 4 _ 3 7 3 4 k s r 輻射當(dāng)量傳熱系數(shù)，取k s r = 1 6 3 3 1 0 4 ( j c m - 2k 。4 ) ”1 t a 一爐口溫度，取1 0 0 * c = 3 7 3 k a 。一一爐渣表面面積( c m 2 ) q ；：氣體帶走的熱量( j s ) q g = q c n t s + 1 羆0 0 一掣】2 1 2 v c 8 c 。t g q np 。c n t 。：為輔助氣體帶走的熱量( j s ) 等 _ 掣】 。 c c o t g 為一氧化碳帶走的熱量( j s ) 式中：q 。是a r ( 或n ) 氣的流量c m 3 s p 。是a r ( 或n ) 氣的密度i 2 4 9 9 1 0 1g c m “ c 。是a r ( 或n ) 氣的比熱2 4 4 8 ( j g 一k 1 ) n 3 1 l 是爐氣溫度，取t g = l o o o c = 1 2 7 3 k c 。是c o 的比熱1 2 3 4 ( j g k 。) m 1 q g = 1 ：4 ，x 1 0 sx 2 4 4 8 x 1 7 7 3 q 。+ w m 【- 警】琶等棚7 3 = 5 4 2 5 q n + 5 1 0 5 一百d c l 】w m q m ：爐殼對環(huán)境散熱。73 ( j ) q m2 f 奇( t - t a ) “九i 旺o ：! ：塑! ! t 一2 9 8 ) 3 3 4 9 6 、 = 2 7 9 5 ( t 一2 9 8 、 a 廣- a o d 爐壁與鋼水接觸的面積( c m 2 ) ，是與爐齡有關(guān)的函數(shù)。 l 。一各層耐火材料的厚度( c m ) ：一各層耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)( j c m - 1 k - 1 ) n 。一爐殼對環(huán)境散熱的給熱系數(shù)0 0 3 5 ( c m l k l ) 上海大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 t f 一環(huán)境溫度( k ) t a = 2 5 。c ：2 9 8 k a l = 丁c ( r r ) 2 + h 2 ( r + r ) + + t r 2 1 ，一鎂鉻厚度是與爐齡有關(guān)的函數(shù) m ：導(dǎo)熱系數(shù)i 9 8 1 0 1 ( j c m - 1 k ) m 3 l 。：粘土磚厚度3 c m a 2 ：粘土磚導(dǎo)熱系數(shù)1 7 7 1 0 。2 ( j c m k 1 ) 五2 1 ；：石棉板厚度l c m 山：石棉板導(dǎo)熱系數(shù)0 1 6 1 0 。( j c 盯1 k 1 ) “3 3 1 。：鋼板厚度0 6 c m 4 ：鋼板導(dǎo)熱系數(shù)5 0 1 0 。2 ( j c m k - i ) “3 1 q 。一為單位時間內(nèi)加入合金的熔化熱 q s c 一胡。牮 式中： h m 一固體合金的熱含( j g ) w 。f 一固體合金的質(zhì)量( g ) f 。( t ) 一固體合金的熔化分?jǐn)?shù) c “渣子熱容，取c 。= 1 1 9 6 6 1 0 3 ( j g - k 1 ) 嘲 c 。= 鋼水熱容，取c 。= o 8 4 x 1 0 3 ( j g k - ) ?！?4 2 3 迭代格式 t 時間步長節(jié)點i = n + l ，n 上的數(shù)值