120吨顶侧复吹AOD不锈钢冶炼过程的数学模拟.pdf

分类号 U D C密级学位论文1 2 0 吨顶侧复吹A O D 不锈钢冶炼过程的数学模拟作者姓名盔盏指导教师姓名盎萱要整撞盘i ! 盘鲎挝盘生查全堂瞳塑丛追垒壁塞盟申请学位级别塑±学科类别兰堂学科专业名称塑丛查金论文提交日期学位授予日期2 0 0 5 ．2论文答辩日期2 0 0 5 ．2答辩委员会主席奎z 望评阅人醚查之翌东北大学 2 0 0 5 年2 月东北大学硕士学位论文摘要1 2 0 吨顶侧复吹A O D 不锈钢冶炼过程的数学模拟摘要本文结合宝钢一钢不锈钢生产的流程，通过对一钢公司1 2 0 t A O D 顶侧复吹不锈钢冶炼过程的数学模拟，探明了脱碳反应行为、钢液中铬氧化行为及炉气行为，并且通过调整模型参数来模拟不同冶炼条件下的冶炼进程，确定了冶炼中各冶炼阶段的界限，研究了不同顶吹氧量、不同阶段的喷吹氧氩比值的确定对A O D 顶侧复吹脱碳过程的影响，得到如下结论：1 ) 所建立的模型能预报和优化A O D 顶侧复吹冶炼不锈钢进程，实现了对冶炼过程钢液中[ c ] 、[ C r ] 、[ S i ] 、[ M n ] 浓度变化与钢液温度变化及炉气成分与温度变化的仿真2 ) 在高碳期( [ ％c ] > O ．6 ) ，脱碳速度较高，钢液内铬氧化速度较低，此期间脱碳速度独立于钢液内碳含量，其大小主要决定于供氧强度：在低碳期( [ ％C ] 0 ．6 ) ，t h ed e c a r b u r i z a t i o nr a t e ，w h i c hi sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h eo x y g e ns u p p l y i n gr a t ea n di n d e p e n d e n to nc a r b o nc o n t e n ti ns t e e li sr a p i d ，a n ds i m u l t a n e o u s l yt h er a t eo fc h r o m i u mo x i d a t i o ni ss l o w ．H o w e v e r , t h ed e c a r b u r i z a t i o nr a t ei sl o wa n dt h er a t eo fc h r o m i u mo x i d a t i o ni Sh i g ha tt h el o w - c a r b o ns t a g e ( [ ％C ] 0 ．3 0 ％) 吹炼中使用上法二年所取得的效果是：1 1 钢水升温速度从7 ℃／m i n 上升为1 7 ．5 ℃／m i n ，提高了1 5 0 ％；脱碳的氧利用率提高了5 ％。

2 1 脱碳速度从0 ．0 5 5 ％／m i n 上升为O ．0 8 7 ％／m i n ，提高了5 8 ％3 1 电能消耗减少7 8 K W h ／t ，吨钢电耗降到3 8 5 K w l l ／t ；F e S i 消耗减少了2 5 ％；精炼时间缩短1 1 m i n ( 达到6 8 m i n ) 4 1 炉衬寿命达到2 3 5 炉，吨钢耐火材料消耗减少到6 ．7 k g ／t ( 此中有用M g O为主对炉渣进行控制的效果) 以上效果可以看出，A O D 炉顶吹氧法的确是对原A O D 炉的一个重大改进2 ．3 不锈钢A O D 冶炼工艺简介A O D 法从本质上讲是一种电炉一A O D 双联精炼不锈钢的方法，其生产过程是电炉熔炼废钢、高碳铬铁等原料，熔化后的母液兑入A O D 转炉进行精炼通常，电炉熔化后的成分一般碳在1 ．5 ％～2 ％、硅控制在O ．2 5 ％以下、其他成分基本符合钢规格要求，出钢温度不低于1 5 5 0 ℃进入A O D 转炉的电炉母液通过吹入氩氧混合气体，以非常接近C —C r —T - P 平衡的条件进行精炼A O D 精炼过程分为二个阶段：脱碳氧化期和还原精炼期¨⋯。

．13 ．东北大学硕士学位论文第二章A O D 冶炼工艺及研究评述2 ．3 ．1 脱碳氧化期在A O D 炉内，吹炼前期的主要任务是脱碳，采用氩( 或其它惰性气体)与氧的混合气体经风口吹入钢水以实现低C O 分压下碳的选择性氧化0 2 ／A r比变化于3 ：1 到采用纯氩之间开始采用3 ：1 的比例，随着碳含量降低到一定值，便可将0 2 ／A r 比降低到2 ：1 或l ：1 的比例，在开始第二阶段之前，如有必要，可以加入合金或冷却废钢于钢水中以降低钢水温度和其对炉衬的侵蚀当第二阶段吹炼到另一碳含量时，则可改用1 ：3 的0 2 ／A r 比进行第三阶段吹炼以使碳降到目标含量关于混合气体的使用，当要求[ N 】量低时，可以使用纯氩吹炼；如不要求低氮含量，则可用部分N 2 代替纯氩2 ．3 ．2 还原精炼期脱碳保铬是一个相对的概念，在吹炼过程中会氧化一部分的铬，为了还原这部分铬和稀释吹炼后十分粘稠的富铬渣，希望钢水温度在1 7 0 0 ℃左右用F e S i 和石灰作还原剂以确保一定碱度( R > I ．3 ) ，并用氩气进行强烈搅拌，可以使反应( C r 3 0 4 ) + 2 [ s i 】= 3 【c r ] + 2 ( s i 0 2 ) 向右进行的比较完全，从而使铬的回收率大于9 8 ％。

还原炉渣后，要进行测温取样操作，如果需要成分微调，则补加适当的合金料如果钢水温度还不合适，可以用吹氩( 冷却) 或脱硅( 升温) 来调整，后一措施并不理想，但在实际中可能别无选择还原精炼结束后，进行出钢操作，采用钢渣混出的方法，目的是为了进一步还原渣中的铬，提高铬的回收率2 ．4 宝钢一钢公司的A O D 顶侧复吹冶炼工艺A O D 转炉由于适用于各种不同的初炼钢水条件和原材料条件，就生产的管理和组织而言，其非常富有灵活性而且，无论走三步法工艺路线还是二步法工艺路线，A O D 转炉均可用于冶炼不锈钢上海一钢A O D 顶侧复吹转炉的冶炼工艺主要分为四类：三步法、二步法、A O D 直接冶炼和冶炼超纯铁素体不锈．1 4 ．查! ! 垄兰塑主堂堡垒查簦三主垒旦里兰鉴三堇墨竺壅堡查 钢具体流程分别为：三步法工艺流程：E A F 一一A O D 一一v O D 二步法工艺流程：E A F 一一A O D 一～L 1 1 s ( 在V O D 工位仅进行吹氩、成分微调) A O D 直接冶炼工艺流程：A O D ( 入炉原料脱磷铁水、铬铁水、固体合金等直接加入A O D ) 一一v O D ( L T S ) 。

冶炼超纯铁素体不锈钢工艺流程：E A F 一一A O D 一一v 0 D 从上述四类冶炼工艺流程来看，A O D 精炼在不锈钢冶炼过程中都是一个必不可少的环节2 ．4 ．1 三步法A O D 冶炼工艺‘1 3 1先将电弧炉初炼母液在扒渣站经扒渣、测温取样后装入A O D ，接下来把转炉倾动到垂直位置开始处理工程A O D 转炉的处理过程主要包括两个步骤：脱碳和还原E A F废钢 高碳铬铁 高碳锰铁 镍 渣料 还原剂还原剂成分微调图2 ．3 宝钢一钢公司不锈钢三步法冶炼工艺F i g ．2 ．3P r o c e s sf l o wd i a g r a mo fr e f i n i n gs t a i n l e s ss t e e la tB a o s h a nN o ．1 s t e e lc o m p a n y ．脱碳过程：在转炉顶部吹氧的同时，通过底部的风口向转炉吹入氧气和氮气或者氧气和氩气的混合气体通常，在吹炼过程中，刚开始的氧气含量比较高，其后随着过程的进行，应使氧气与惰性气体的比例不断变小这种方法一方面可以尽可能的减少铬的氧化，另一方面也可以确保钢水拥有较低的碳含量．1 5 ．东北大学硕士学位论文第二章A O D ) 0 炼工艺及研究评述( 作为初始条件以适应后步V O D 处理的要求) 。

开始吹炼时，顶枪吹氧量与底枪吹氧量之比应近似为2 ：1 顶枪最大氧流速为1 5 0 N m 3 ／m i n ，风口最大氧流速为1 0 0 N m 3 ／m i n 风1 3 吹入惰性气体( 氩气或者氮气) 最大氧流速为1 0 0 N m 3 ／m i n ，混合气体最大氧流速为1 5 0 N m 3 ／m i n 表2 ．3 三步法A O D 一般处理周期表T a b l e ．23T i m ec o s to f t h ep e r i o d si nA O D3 - p a c er e f i n i n gp r o c e s s项目时间( 分钟)装料3测温1吹氧4 0脱碳结束时取样测温2等待取样结果5还原8取样测温去渣2出钢3其它l总计6 5界限碳含量为O ．6 ％～旦实际碳含量小于该数值，则在减少氧气吹入量的同时增加惰性气体的吹入量氮气可以代替氩气做稀释氧气之用要根据不同钢种对氮含量的不同要求，来确定将氮气转换成氩气的时机如果碳含量已符合目标要求，停止吹氧～般进入V O D 处理的钢水碳含量控制在0 ．2 5 ％脱碳结束后开始还原过程其目的是将吹炼过程中被氧化到渣中的铬和锰还原到钢液中。

还原过程中，通过料仓系统将还原渣料( 石灰、C a F 2 、A 1 和F e S i ) 加入A O D 转炉通过计算石灰使用量，使形成的炉渣碱度达到1 ．5 - 1 ．8 还原渣料加入炉子后，通入流速7 0 N m 3 ／m i n 左右的惰性气体对炉子进行约8 分钟的强烈搅拌在还原期，铬和锰将从渣中被还原出来，同时钢水温度也会降到1 6 8 0 C 左右还原期过后，倒掉部分炉渣并进行取样和测温A O D 处理过程之后，转炉中的钢水将与部分炉渣混出到钢包出钢过程之后，如果后道工序要求进行V O D 处理，则将钢包吊运至扒渣站将钢包中的渣子全部扒除若已积累了一定的实际经验，则可以不必进行脱碳过程之后的测温和取样．1 6 ．东北大学硕士学位论文第二章A O D 冶炼工艺及研究评述工作这时，由于节省了取样、测温以及相应的等待测温结果的时间，出钢周期将会缩短因此，在采用三步法工艺的情况下，A O D 出钢周期最多为6 0 分钟表2 ．4 三步法工艺A O D 一般配料量T a b l e ．2 ．4D i s t r i b u t i o no f A O D3 - p a c er e f i n i n gp r o c e s s钢种原辅材料A O D 配料量／t初炼钢水1 1 6F e C r H C6 01 3 ．6N i ／F e N i 4 3 0F e M n H C0 ．4废钢5 ．4石灰7 ．5t 对于每吨铁水而言应向炉子中装入15 - 2 0 k g 的硅铁做还原剂用。

2 ．4 ．2 两步法A O D 冶炼工艺【1 3 ]先将电弧炉初炼母液在扒渣站经扒渣、测温取样后装入A O D ，接下来把转炉倾动到垂直位置开始处理过程转炉工艺过程分为三个主要步骤：脱碳、还原和脱硫脱碳过程：在顶部吹氧的同时，通过底侧部风口向转炉吹入氧气和惰性气体( 氩气或者氮气) 的混合气体在吹炼过程中，通常氧气与惰性气体之间的比例是变化的刚开始，混合气体中氧气的含量较高，其后进行变化，到吹炼结束则是氩气含量比较高这个方法在尽可能减少铬氧化的同时，也能够确保钢水中碳含量处于一个比较低的水平开始吹炼时，顶枪吹氧量与底枪吹氧量之比应近似为2 ：1 顶枪最大氧流速为1 5 0 N m 3 ／m i n ，风口最大氧流速为1 0 0 N m 3 ／m i n 风口吹入的惰性气体( 氩气或者氮气) 最大流速为1 0 0N m 3 ／m i n ，混合气体最大流速为1 5 0N m 3 ／m i n 界限碳含量为O ．6 ％，若实际碳含量小于该数值，应在减少氧气吹入量的同时增加惰性气体的吹入量氮气可以代替氩气做稀释氧气之用要根据不同。