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基于转炉反应动力学的钢液成分与温度的预测.pdf
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1、2023 年10 月第3 9 卷第5期炼钢SteelmakingOct.2023Vol.39No.5:17:基于转炉反应动力学的钢液成分与温度的预测马德文1,李晶,宋沈杨1,王长城,黄玉鸿,王翔宇2(1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京10 0 0 8 3;2.广西盛隆冶金有限公司,广西防城港53 8 0 0 0)摘要:顶底复吹转炉由于其复杂的过程热力学及动力学,针对转炉冶炼过程预测模型的搭建以及应用一直是炼钢研究的热点。为了实现过程及终点钢液成分以及渣成分的预测,建立了基于射流冲击区-乳化区-渣钢反应区内反应速率动态变化的转炉预测模型。实际运行结果表明,脱磷的主要区域在渣-钢反
2、应区,占脱磷量的7 2.5%,其次为乳化区,占脱磷量的2 7.5%;脱碳的主要区域在射流冲击区,占总脱碳量的8 7%,其次为乳化区,占脱碳量的13%。转炉终点C质量分数平均偏差在0.0 0 58%,终点P质量分数平均偏差在0.0 0 2 4%,温度平均偏差在5.8。关键词:转炉;脱磷;脱碳;动力学中图分类号:TF703文献标志码:A文章编号:10 0 2-10 43(2 0 2 3)0 5-0 0 17-10Prediction of molten steel composition and temperature based on converterreaction kineticsMA D
3、ewen,LI Jing,SONG Shenyang,WANG Changcheng,HUANG Yuhong,WANG Xiangyu?1.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China2.Guangxi Shenglong Metallurgical Co.,Ltd.,Fangchenggang 538000,ChinaAbstract:Because of the complex process thermodynam
4、ics and kinetics of top bottom combinedblowing converter,the establishment and application of prediction model for converter refiningprocess are always a hot topic in steelmaking research.In order to predict the composition of moltensteel and slag in the process and end point,a prediction model of c
5、onverter based on the reaction ratein jet impact zone,emulsion zone and slag-metal reaction zone was established in this paper.Thesimulation results showed that the main dephosphorization area was the slag-metal reaction zone,accounting for 72.5%of the total dephosphorization amount,followed by the
6、emulsion zone,accounting for 27.5%of the total dephosphorization amount.The main decarburization area was thejet impact zone,accounting for 87%of the total decarburization amount,followed by the emulsionzone,accounting for 13%of the total decarburization amount.The average deviation of C massfractio
7、n at the end point of converter was 0.005 8%,that of P mass fraction at the end point was 0.002 4%,and that of temperature was 5.8 .Key words:converter;dephosphorization;decarbonization;kinetics转炉炼钢是一个多元、多相、高温物理化学反应过程,吹炼过程中的温度、成分变化等动态信息难以采集 1。一般通过建立模型进行转炉终点控制。转炉终点控制模型分为静态模型和动态模型 2-3 。转炉炼钢的动态控制是利用副枪测
8、试手段,比较真实地掌握了接近吹炼终点时熔池情况,终点命中率比静态控制高,具有更大的适应性和基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 17 YFB0304000)通信作者:李晶(19 6 7 一),男,博士,教授;准确性 2,4-5,但是动态控制还不能对冶炼过程的碳、磷及温度情况进行预测。三輪守等 6 开发了一个动力学模型来解释铁水中氧化铁的形成,并基于氧化铁形成模型和耦合反应模型建立了铁水脱磷的数学模型。林东等 7 将各元素在金属侧的传质视为稳态过程,据此建立了描述转炉冶炼过程的动力学模型并确定E-mail:;收稿日期:2 0 2 2-11-2 1:18冶炼过程化学反应的限制性环节,从而得到各化
9、学反应的综合速率方程。Rout等 8 进一步提出了耦合动态造渣模型的多区域反应综合模型,将转炉主要反应区划分为射流冲击区、乳化区和渣-钢反应区。在转炉炼钢过程中,由于氧枪喷射出的超音速氧气流冲击熔池中的铁水,导致金属液滴溅出,穿过渣层,形成金属液滴、熔渣和气相组成的乳化区。乳化区的形成增加了反应的界面面积,在一定程度上解释了快速脱磷动力学。上述模型预测的金属液滴在转炉冶炼过程中的有效性有限。然而形成的液滴数量与乳化相中存在的金属量直接相关,且有研究人员测量出转炉冶炼过程乳化相中的金属量 9。一般通过建立动力学模型,模拟研究转炉冶炼过程中钢液和炉渣成分变化情况 10-1。本文将液滴生成量与转炉动
10、力学模型相结合,通过整个冶炼过程射流冲击区、乳化区和渣-钢反应区内反应速率随转炉冶炼过程实时变化情况展开研究,提高转炉终点钢液成分、温度预测的可靠性,并应用于12 0 转炉生产。1转炉分区热力学-动力学预测模型概述转炉炼钢过程是多个反应环境以及多个反应界面之间的传热传质的结果,如图1所示。根据反应环境和传质条件的不同,主要反应区分为 8 :射流冲击区:该区域转炉氧枪吹人的氧气直接与钢液发生反应,反应温度在2 10 0 2 6 0 0。渣-钢-气乳化区:该区域转炉氧枪吹人的氧气射流对熔池钢液进行冲击,金属液滴飞溅穿过渣层,与炉渣、气体形成乳化相。渣-钢反应区:该区域内转炉炉渣与钢液大面积接触进行
11、传质以及反应。一乳化区渣一钢反应区熔渣铁水射流冲击区图1转炉三个反应区域及射流冲击面积计算示意图Fig.1Schematic diagram for calculation of threereaction zones and jet impact zone of converter炼钢Table 1 Oxidation reactions in different reaction反应区氧化元素射流冲击区气-钢乳化区渣-钢液滴渣-钢反应区渣-钢1.1射流冲击区假设速率由钢液中的质量传输控制,射流冲击区中Si、M n 和C的氧化速率可以写成 12 1:d汇%(L%-%)(1)k1zdtVm式中
12、:%订是钢液中的元素浓度(i=Si、M n、C);Aiz是射流冲击区的反应界面积,m;V m 是钢液质量,kg;k 是氧气传质系数,m/s。射流冲击区限制性环节是氧气在钢液中的传质,计算公式如下:k=2/元=D=2D;,(ui+U bottom)N元100u1c0s 0=(0.026 0.004):V100hm-(0.02 0.006)式中:D;是钢液中不同组元的扩散系数,m/s;t是接触时间,s;r i m 为冲击半径,m;u i 是顶吹工况下熔池钢液的环流更新速度,m/s;0是凹坑形状夹角,(),0=tan1();h m为冲击深度,m;Ubtom是底吹工况下熔池钢液的环流更新速度,m/s;
13、QB是底吹流量,m/s;Hbath是熔池深度,m。不同元素的扩散系数如表2 8 所示。表2 钢液中组元的扩散系数 8 1Table 2 Diffusion coefficients of componentsin hot metal(s87组元值/(ms=1)CDc=1.1 (1+w(C)/5.3)10-8SiDsi=5.1 exp(-9 150/RT)10-7MnDmm=1.8 Xexp(-13 000/RT)10-7PDp=6 10-9冲0确定射流冲击区界面反应的关键因素是反应界面面积,图1是射流冲击面积计算示意图。射流冲击形成的抛物面空腔表面积计算可以通过以下公式计算 13-14;第3
14、9 卷表1转炉不同反应区的氧化反应zones of converter反应界面HDo=(3 1)10-7C.Si.MnC,Si、M n、PC.Si.Mn、P(2)Yim(3)(4)第5期Aizhim=KP1+1./d.B)-Per im=0.63mg式中:n为氧枪喷嘴数;P。为供氧压力,为0.8 MPa;do为氧枪出口直径,文中转炉为0.0 53 m;h l为枪位,m;pm为钢液密度,为7 0 0 0 kg/m;d。为氧枪喉口直径,文中转炉为0.0 4m;B为常数,一般低黏度液体取40;K为考虑转炉实际吹炼特点系数,等于40;n为氧枪喷嘴数,n=5;pe为出口气体密度,1.3 kg/m;g 为
15、重力加速度,m/s;U e 为出口气体流速,文中转炉为6 8 0 m/s;b 为常数,b=69,马赫数小取下限。研究表明,对于多孔氧枪喷头而言,当喷孔倾角小于9 时,氧气射流发生聚并,形成单一凹坑;当倾角增大时,射流不发生聚并,射流冲击区呈现与喷孔数相对应的独立凹坑 15。本研究氧枪倾角为13.5,射流不发生聚并。试验测量表明,射流冲击区域的温度极高(比钢液温度高出50 0 10 0 0),该区域形成的任何熔渣都会由于高压射流施加的冲击力而被推开。由于石灰不能形成稳定的磷酸钙,该区域生成的P,Os或磷酸铁可通过熔池立即还原。因此,射流冲击区内不考虑脱磷反应发生。1.2渣-钢反应区渣-钢反应区的
16、形成是由于来自氧枪喷出的氧气的冲击力,将熔渣从射流冲击区域和转炉壁附近的区域持续向外推,熔渣和钢液之间发生持续接触。钢液中的溶质元素(Si、M n 和P)可以与炉渣中的氧化铁反应,形成各自的氧化物,渣-钢的混合控制速率方程可以表示为:dL%订Adt(1/(pmkm)+1/(psksL;)W(%订-%订*)式中:Aw是渣钢界面动态面积,m;W m 是钢液的质量,kg;pm和ps是钢液和熔渣的密度,kg/m。转炉冶炼过程伴随着剧烈的顶底吹搅拌,搅拌能和温度对元素在渣钢间的传质有着重大影响。采用基于有效平衡反应理论的反应体积法,假定有效平衡反应区内本体相各组元的传质速率相同,渣钢中的传质系数由以下公
17、式计算得出 15-1 马德文,等:基于转炉反应动力学的钢液成分与温度的预测4h盗3/2n元ri6hmimPod1(Vedo)619:(etop+ebtom)Vm h2一1(5)(6)(7)(8)km=10exp/1.98+0.5 lg(155 000ks=Eexp(etop+ebtom)RT式中:ks、k m 分别是渣和钢液中的传质系数,m/s;ps和pm分别是渣和钢液的密度,kg/m;eiop和btom分别为顶吹和底吹的搅拌能,W/t;h为熔池高度,m;D为熔池直径,m;E和Z是常数,数值分别是1.7 和0.2 5。渣钢界面动态面积的计算是基于静态面积进行修正得到的,渣钢界面静态面积具体的计
18、算方法如下所示:Asm=元(D?/4-nrm)式中:Am是渣钢界面静态面积,m。由于氧枪射流对熔池的冲击作用,熔池表面是一个振荡的状态,产生表面波并从射流冲击区传播到其他区域。Rout对渣钢界面面积进行修正,计算出渣钢界面动态面积 13 :Am=?.fAsm式中:是曲线与直线的比率,=1.21;f 是振荡频率,f=1012 Hz。1.3乳化区通过射流冲击区将Si、M n、C 元素氧化,并在渣-钢反应区将氧化物吸附是冶炼过程模型中通常存在的两相。由于射流冲击区温度过高,不易形成稳定的脱磷产物磷酸钙,该区域生成的五氧化二磷或磷酸铁可通过金属熔池立即还原,所以忽略射流冲击区的脱磷。前人在实验室研究中
19、观察到,作为脱碳反应的产物,液滴内部形成CO气体,使液滴具有浮力,并增加了在乳液中的停留时间,因此转炉冶炼过程中的元素氧化可以通过形成渣-钢-气体乳化区来进行 17 。从钢液中喷射出的具有钢液初始浓度的液滴一旦与氧化渣接触,元素C、Si、M n、P开始氧化。针对单个液滴的元素氧化和所有液滴的元素氧化均属于本文研究范围。1.3.1乳化区单个液滴元素氧化动力学在乳化区中移动的单个液滴元素的氧化速率方程可以用钢液侧传质控制的速率方程描述,如下所示:d%il=-kAaen(L%ila-%ila)(13)dt式中:kl表示传质系数,m/s;A a 表示乳液中金属Wm125 0002.3RTmdD(9)(
20、10)(11)(12)20液滴的面积,,m;d 表示乳液中金属液滴的质量,kg;%a 和%分别是液滴和反应界面的元素浓度。金属液滴的初始元素浓度等于熔池内金属液元素浓度。乳化区金属液滴中C、Si、M n、P的反应机理炼钢如图2 所示 13 。由于氧气射流的冲击,金属液滴从钢液中穿过渣层,飞溅至乳化区,金属液滴中C.Si、M n、P的氧化反应发生迅速,在金属液滴进入乳化区几秒钟后接近平衡,炉渣和钢液中的传质控制着反应速率。第3 9 卷SiO2,MnO,钢水C,SiMn,P渣乳化区SiO2,MnO,P2OsCOC,SiMn,PP2O5COCOC,Si,Mn,PSiO2,MnO,P20s图2 炉渣-
21、钢乳化液中金属液滴的元素氧化机理Fig.2 Removal mechanism of impurities from metal droplets in slag-metal emulsion渗透理论可用于模拟渣-钢乳化液中移动金属液滴脱碳速率的传质系数。根据渗透理论,假设当金属液滴在乳化区中移动时,熔渣通过瑞流接触并进行非稳态扩散或渗透。对于在渣层中上升或下降的球形液滴,可以假设接触时间是球形液滴直径与速度的比值。钢液相中的传质系数可以计算为 13,18-19 (14)元d元U=Fe.1.0.002.86Nk/pm0mg/RB.Td=5.513 10-3式中:P是环境压力,Pa;Po是喷嘴出
22、口压力,Pa。转炉冶炼过程中,液滴直径随枪位变化而变化,如图3 所示。某一炉次冶炼过程中枪位采用高-低-高((1.8-1.6-1.7 m)的模式,液滴直径随枪位降低而增大,冶炼前期液滴直径为0.7 6 mm冶炼中期液滴直径为1.0 1mm,冶炼后期液滴直径为0.8 7 mm。该钢厂的最低枪位是1.0 m,当枪位降至1.0 m时,液滴直径达到3.14mm,最高枪位是1.8 m,液滴直径为0.7 4mm,所以液滴直径的式中:ki是传质系数,m/s;D;是不同组元在金属液滴中的扩散系数,m/s;t是渣与金属液滴的接触时间,s;u 是液滴的速度,m/s;d是金属液滴的平均直径,m;FG.T是顶吹气体流
23、量,m/s;RB.T是液滴生成量,kg/s;NB.T 是吹炼数,无量纲;0 m是金属液表面张力,N/m。金属液滴可近似看作是球体,其表面积计算D;u如下式 19 :(15)6.91105 n(d?/h)P1.27(Po/P-1)|cos 0Ad=元d21.206n范围取0.7 4 3.14 mm。1.3.2乳化区总元素氧化动力学乳化区的转炉元素氧化可以表示为 8 :dWimWgject,t-Wretumn,tdtem式中:dWdtlm是乳化区的元素氧化速率,kg/s;Wgiett是时间t内喷溅出的金属液滴所含元素i(i=C、Si、M n 和P)的质量,kg;而Wretumt是时间(16)(17
24、)(18)t第5期4.03.53.02.52.0F1.51.00.5012 34567810111213吹氧时间/min图3 液滴直径与枪位的关系Fig.3 Relationship between droplet diameterand lance positiont内返回熔池的金属液滴所含元素讠的质量,kg。金属液滴穿过渣层与渣和空气混合成乳化球进人乳化区,在乳化球中元素有一次传质过程,生成SiO2、M n O、CO 和P,Os。乳化区的乳化球落回渣钢反应区又会有一次新的传质过程,这两次的传质结合起来的结果是乳化区的元素氧化量1.4FeO生成模型转炉冶炼过程中采用氧质量平衡的方法计算了吹炼
25、时氧化铁的变化情况。假定进入转炉的所有氧都被化学反应消耗掉,利用输人氧量与Si、Mn、P、C氧化反应耗氧量的差值来估算渣中的氧化铁。通过顶吹氧气进入转炉的氧气总质量,计算了铁矿石的有效氧气量。根据C、Si、M n 和P的动力学模型分别计算了它们的耗氧量。此外,通过FeO/O平衡反应估算了钢液中的溶解氧含量。转炉炉渣组成测定结果表明,(%FeO)/(%Fe 2 0,)的平均值在0.2 0.4。本研究中设置(%FeO)/(%Fe2 O,)=0.3。氧化铁生成速度计算如下 13 :输人参数铁水质量废钢质量废钢成分辅料加人量氧气流量底吹氩气流量氧枪高度钢液/炉渣密度马德文,等:基于转炉反应动力学的钢液
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