不锈钢AOD精炼过程数学模拟进展

此基础上 , 以该模型为约束条件 , 对精炼过程作 了最优化分析 , 提出了优化的操作工艺。 该模型的不足之处在于没有注意到高碳和低 碳浓度下脱碳模式的差异。另外 , 钢中各有关组 分对应的速率常数必定各不相同, 取 I 为同一常
1 AOD 过程脱碳模型概述 1. 1 Asai 和 Szekely 的脱碳数学模型
[ 2, 3]
数显然是一种过分的简化。关于剩余氧气均积聚 于钢液的假设也与实际情况不符。所有这些都可 能导致对 AOD 过程动力学估计的失误。
该模型是对不锈钢精炼过程数学模拟的早期 研究成果。其基本假设是 : 吹入熔池的氧气除参
基金项目 : 国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目 ( 50374047) 作者简介 : 舒杰辉 ( 1980- ) , 男 ( 汉族 ) , 江西南昌人 , 上海大学材料学院钢铁冶金专业 , 硕士研究生 , 从事炉外 精炼及冶金反应 工 程研究。
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在
讨论过程优化方法时 , 首次考察和分析了低碳高 铬不锈钢 AOD 精炼过程的数学模拟。此后 , 文 献中相继涌现了不少有关的数学模型, 对该过程 的数学模拟研究也逐步深入, 为该工艺的发展提 供了一定的支持。
) 和 40 t 电炉上的数据 ( 取 I 为
) 进行了验证, 都取得了较好的结果。在
究该精炼过程具有重要的理论和实际意义。 关键词 : 不锈钢 ; AOD 过程 ; 数学模拟 中图分类号 : T F769. 1 文献标识 码 : A 文章编号 : 1002 1043( 2004) 03 0053 04
Progress in Math Modelling of Argon Oxygen Decarburization Refining Process for Stainless Steel
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Deb Roy 等的不锈钢冶炼模型
[ 7, 8]
Deb Roy 等认为所有吹入熔池的氧气与钢液 内的 Cr 、Si、M n 反应生 成 Cr 2 O3 、SiO 2 、M nO, 且这些元素的氧化与其摩尔浓度成正比 ; 生成的 这些氧化物在随氩气泡上升过程中被碳还原, 同 时考虑了熔池高度对 CO 分压的影响, 引入热衡 算以考虑熔池的非等温特性, 提出了 1 个不锈钢
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T ohge 等的不锈钢精炼模型
[ 10]
T ohge 等在 70 t AOD 炉上试验研究了采用 高的 底 吹 气 量 配 以 顶 吹 氧的 操 作 工 艺 , 初 始 w ( C) 很高( > 2. 5 % ) 的奥氏体不锈钢的精炼过 程。基于质量和热量衡算 , 他们提出了一个理论 模型。该模型考虑了一定量的 FeO 的生成, 不等 温条件 , 速率控制环节 , 以及渣料、废钢、合金 料的 添加。根据 他们 的模 型, 钢 中 C 、Si、Cr、 Mn 和 F e 在 AOD 过程 的氧化 期被 氧化 , 生成 CO 、 SiO2 、Cr 2 O3 、MnO 和 FeO。 相对于 前述几 个模型 , 该模型 充分 考虑了 AOD 精炼过程的实 际情况。然 而, 必须再次指 出, 在高碳和低碳水平下速率控制环节都为液相 传质的假定是不合理的。此外, 惰性气体对生成 的 CO 气体的稀释作用及其对脱碳速率的影响在 该模型中未予充分反映, 从炉底吹入的氧气也不 可能完 全被钢中各元 素的氧化所消 耗。对反应 1/ 3( Cr 2 O3 ) + [ Fe] = ( FeO) + 2/ 3[ Cr] 的 Gibbs 自 由能的估算表明, 即使在他们的实验条件下也不
d [ w c] =dt [ w c] +
2/ 3 a Cr W m P t 1/ 3 K Cr- C M Fef c
应用该模型于 304 不锈钢冶炼过程 , 估计的 钢中碳、铬、硅浓度及熔池温度与实测数据相当 吻合。与以往的数学模型相比, 该模型的成功之 处在于不仅反映了 AOD 精炼过程固有的不等温 特性 , 且考虑了吹入熔池的氧气在各元素间的分 配, 还注意到了熔池高度对 CO 分压的影响。但 是, 氧气在各元素间的分配率与各元素的摩尔浓 度成正比的处理和吹入熔池的氧气被完全吸收的 假设都会带来较大的误差。
第3期
舒杰辉 , 等: 不锈钢 AOD 精炼过程数学模拟进展 下的平衡
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可能按该反应发 生铁的氧化 ( 1 700 F eO 的假设难以成立。
炉气 ; 整个精炼过程中熔池成分和温度连续变化, 在任何瞬刻呈均匀分布。据此, 高碳下各元素氧 化的速率方程为: W m d[ w B ] 2 Qo = x 100 M i d t 22 400 i
SHU Jie hui , WEI Ji he , CHI He bing , CH E L i bing , ZHANG Kai ( 1. Met allic Material School of Shanghai Universit y, Shanghai 200072, China; 2. Shang hai no. 1 Iron & Steel Co. , L t d. , Bao Steel( Group) Corporation, Shanghai 2000431, China) Abstract: Math models available for AOD stainless steel making process are reviewed and advantages and disadvantages of various models concerned analyzed. It is proved true that further in depth study on the AOD refining process is of great theoretical and practical significance. Key words: st ainless steel; AOD process; mat hematic modeling 与不锈钢的其它精炼过程相比 , AOD( 氩氧 脱碳) 过程具有一系列显著优点。因而自第一台 AOD 炉于 1968 年建成并投产以来 , 该工艺在世 界范围内获得了越来越广泛的应用和发展, 已成 为生产不锈钢的主要方法。目前 , 全世界 75 % 以上的不锈钢是用该法生产的。 为了搞清 AOD 过程的机理和本质 , 以实现 过程工艺的优化和计算机控制, 对 AOD 过程的 数学模拟已做了很 多研究。 Ray 和 Szekely
式 中, [ w c ] 为钢液中的 碳质量分 数, % ; t 为时间 , s; 为反应速率常数, a Cr 为钢液中 Cr 的活度; W m 为钢液质量 , g; P t 为 AOD 炉内的无 量纲总气压 ; Q i 为气体 i 的流量, cm / s; M i 为 i 物质的摩尔质量, g / mol; f c 为钢液中碳组分的活 度系数 ; K C r C 为碳还原氧化 铬反应的平衡常数。 F ruehan 还假定了钢中大部分 Si 在吹炼初期先于 Cr 被氧化。 将该模型应用于 91 t AOD 炉上 409 不锈钢 的精炼过程, 证实脱碳速率在高碳阶段由氧气流 量控制, 在低碳阶段 则取决于钢中 碳的传质速 率。这也与氧气炼钢 过程的大量观 测结果相一 致。与 Asai 和 Szekely 的模型相比, 该模型考虑 了高碳和低碳时脱碳控速环节的不同, 反映了脱 碳过程的真实情况, 是 AOD 过程数学模拟研究 的一大进步。但 F ruehan 用该模型处理实际精炼 过程时认为吹入的氧气全部被吸收, 将精炼过程 视为等温过程, 都不尽合理。对精炼反应方式的 假设也欠妥。 有必要指出 , 该模型于低碳条件下的速率方 程曾被用作 68 t AOD 炉在线实时控制模型的基 础[ 6] 。由于此速率方程本身的不足, 因此控制模 型的精度也不高。
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炼
钢 冶炼过程数学模型。
第 20 卷
1. 2
Fruehan 的脱碳动力学模型[ 5]
1976 年 , Fruehan 发表了著名 的 AOD 过程 反应模型。 Fruehan 假设吹入熔池的氧气在风口 附近主要耗于 Cr 的氧化 , 生成的 Cr 2O 3 在随氩 气泡上升过程中使溶于钢液的碳氧化, 并假设在 低碳水平下该反应为钢液内的碳向气泡界面的传 质所控制 , 相应的脱碳速率方程为
[ 1] 1 1 2 2 2
与氧化反应外, 剩余部分全部积聚于钢液 ; 反应 的主要产物是 CO, Cr 2 O3 , SiO 2 , 不考虑 FeO 的 生成。由此出发, Asai 等对钢液中氧、碳、铬和 硅等成分作了质量衡算 , 并对体系作了热衡算, 导出了该精炼过程的数学描述。 该模 型可用 于描述 Fe C Cr 熔 体分别 与纯 氧、空气 ( 顶吹或底吹) 和氩氧混合气体之间的反 应。应用该模型于实验室试验和工业生产 , 分别 以 Barnhardt[ 4] 的数据 ( 取体系总的反应神经参数 I 为 5/ 3 600 s 1/ 25 s
2004 年 6月 第 20 卷 第 3 期
炼 钢 St eelm aking
Jun. 2004 Vol. 20 No. 3
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不锈钢 AO D 精炼过程数学模拟进展
舒杰辉 1 , 魏季和 1 , 池和冰 2 , 车立冰2 , 张 恺2
( 1. 上海大学 材料学 院 , 上海 200072; 2. 宝钢集团 上海第一钢铁有 限公司 , 上海 200431) 摘 要 : 综述了不锈钢 A OD 精炼过程的数学 模拟。分 析了有关模型的成功和不足 , 指出进一步深入研
常数大约为 0. 024 5) 。因此, 关于按该反应生成
1. 6
Reichel 等的精炼脱碳数学模型
ห้องสมุดไป่ตู้
[ 11]
采用与 F ruehan 模型类似的假设, Reichel 等 提出了一个不锈钢精炼过程数学模型。该模型与 F ruehan 模型的不同之处在于假定了脱碳速率在 高碳浓度下正比于供氧速率, 在低碳水平下脱碳 速率与钢液碳含量和供氧速率均有关, 但后者影 响较弱, 脱碳由恒定速率转向渐降速率时, 精炼 过程中存在一临界态或临界点, 相应的碳浓度为 临界碳含量。这与实际观测完全相符。 基于该模型 , Reichel 等还探讨了最优的吹炼 方案。该方案的基本思路是使供入钢液和渣相的 反应物相匹配, 并为脱碳提供适当的化学位, 关 键是确定最优的吹氧量, Q o = Q o , c + aQ o, Me + ( 1 - a) f c, crit Qo, c ( 3) 22 400 W m d[ W c] , 为脱碳 200 w cd t 初期的供氧速率; Q o, Me 为用于氧化金属的氧气; 式中, Q o, c = a 为经 验控制参数 , 其值在 0~ 1 之间 ; f c, crit = Q o, Me/ Q o, c为在临界点氧的最佳分配率。据此可 进行吹炼过程的实时控制。 由于所作的基本假设与 Fruehan 模型相似, 该模型存在与 Fruehan 模型同样的不足。