魏季和,李 毅

(上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200072)

頂?shù)讖?fù)吹條件下不銹鋼VOD精煉過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬
——模型應(yīng)用及結(jié)果

魏季和,李 毅

(上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200072)

應(yīng)用提出的數(shù)學(xué)模型分析和處理了120 t 頂?shù)讖?fù)吹VOD爐內(nèi)20爐409L型鐵素體不銹鋼的精煉。結(jié)果表明,該模型可較精確地估計(jì)整個(gè)精煉過(guò)程中鋼液成分和溫度隨時(shí)間的變化。氧化精煉期鋼中各元素間的競(jìng)爭(zhēng)性氧化和相應(yīng)的氧分配比,以及還原精煉期渣中各氧化物的競(jìng)爭(zhēng)性還原和對(duì)應(yīng)的供氧率,均可用反應(yīng)的Gibbs自由能來(lái)表征和確定。對(duì)本工作409L型不銹鋼的頂?shù)讖?fù)吹過(guò)程,脫碳的臨界碳濃度(在該濃度后,脫碳變?yōu)橛射撘簝?nèi)碳的傳質(zhì)控制)為(0.1190～0.1820)mass%,與頂吹氧過(guò)程的臨界碳濃度基本相合。由模型估計(jì)考察了各有關(guān)因素對(duì)精煉效果的影響和吹煉工藝的優(yōu)化。該模型可為制定和優(yōu)化頂?shù)讖?fù)吹條件下不銹鋼VOD精煉工藝及過(guò)程的實(shí)時(shí)在線控制提供有用的信息和可靠的依據(jù)。

不銹鋼;VOD精煉;頂?shù)讖?fù)吹過(guò)程;數(shù)學(xué)模擬

在本工作第一部分中,對(duì)頂?shù)讖?fù)吹條件下不銹鋼VOD精煉的整個(gè)過(guò)程,包括低壓下的頂吹氧脫碳,脫氣和還原過(guò)程,提出了一個(gè)綜合數(shù)學(xué)模型[1]。為檢驗(yàn)該模型的合理性和對(duì)生產(chǎn)實(shí)際的適用性,用其對(duì)120 t 頂?shù)讖?fù)吹VOD爐內(nèi)20爐409L型鐵素體不銹鋼的整個(gè)精煉過(guò)程作了分析和處理;基于模型估計(jì)考察了各有關(guān)因素對(duì)精煉效果的影響和吹煉工藝的優(yōu)化。

1 模型的計(jì)算結(jié)果

在120 t VOD爐內(nèi)生產(chǎn)409L型不銹鋼的20爐中部分爐號(hào)有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。在實(shí)際生產(chǎn)中,各爐鋼液的初始碳濃度和硅含量分別<0.40和0.20 mass%。在兩個(gè)主吹期,頂吹和底吹氣體流量(m3/h)分別為 (1 800～2 000) O2∶(30～35) Ar和 (1 800～2 000) O2∶(32～40) Ar;在動(dòng)吹1-3期,分別為 (1 700～1 800) O2∶(30～40) Ar,(1 600～1 700) O2∶(32～40) Ar, (1 600～1 700) O2∶ (32～50) Ar;還原期的吹A(chǔ)r量一般為 (40～55) m3/h。

表1 120 t VOD爐內(nèi)409L型不銹鋼精煉過(guò)程某些爐號(hào)的有關(guān)初始數(shù)據(jù)及總精煉時(shí)間Tbale 1 Related initial data and total refining times of some heats for 409L-grade stainless steel refining in a 120 t VOD vessel.

由該模型估計(jì)的部分爐號(hào)還原期終點(diǎn)鋼液的成分和溫度及實(shí)測(cè)值如表2所示。

表2 部分爐號(hào)的一些模型估計(jì)和工廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Some model predictions and plant data for a part of heats

2 結(jié)果分析和討論

2.1 模型估計(jì)與實(shí)測(cè)值的比較

對(duì)20個(gè)爐號(hào),模型估計(jì)的還原期終點(diǎn)熔池C、Cr濃度及溫度與實(shí)測(cè)值的最大絕對(duì)偏差分別為(0.0016，0.241)mass%和10.1 K,平均相對(duì)偏差分別為3.49%，0.71%，0.24%。這些表明,該模型可較精確地估計(jì)精煉終點(diǎn)成分和熔池溫度,證實(shí)了其合理性和可靠性。對(duì)于鋼中的氮,模型估計(jì)與實(shí)測(cè)值的偏差波動(dòng)較大,平均相對(duì)偏差達(dá)20%左右。這與定氮精度較低不無(wú)關(guān)系。

2.2 精煉過(guò)程中鋼液成分和溫度的變化

對(duì)“高”碳的No.006 (初始碳含量為0.381 mass%),整個(gè)精煉過(guò)程中鋼液成分和熔池溫度的變化如圖1所示。

由圖1可以看出,在吹煉初期,盡管熔池溫度相對(duì)較低,鋼液內(nèi)碳、鉻、硅和錳的濃度都在降低,錳和硅的氧化反應(yīng)很快達(dá)到各自的動(dòng)態(tài)平衡,基本不再耗氧。隨著吹煉的進(jìn)行,熔池溫度逐漸升高,碳的燒損加速,其濃度急劇下降,隨著真空度和吹氬攪拌強(qiáng)度的提高,脫氮效率提高,氮濃度顯著降低。脫碳過(guò)程轉(zhuǎn)為由碳的傳質(zhì)控制后,碳的氧化速率逐漸減小,而鉻的氧化速率逐漸增大,其濃度逐漸降低。直至頂吹氧結(jié)束時(shí),熔池溫度升至最高,碳含量降至0.01 mass%左右后基本保持穩(wěn)定。隨頂吹氧的停止及大量爐料的加入,熔池溫度開(kāi)始下降,鋼液內(nèi)的氧化反應(yīng)減弱。在此期間,硅和錳不受熔池溫度和其他元素氧化或還原程度的影響,基本保持其氧化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡。需要指出的是,鋼中硅和錳的氧化-還原反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡都是在體系內(nèi)各可能發(fā)生的反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的情況下于競(jìng)爭(zhēng)中達(dá)到的效果。隨硅和錳退出(但仍制約)耗氧競(jìng)爭(zhēng),碳和鉻的氧化加速。在吹氧結(jié)束后的還原期,錳鐵和硅鐵的加入打破了熔池內(nèi)錳和硅的平衡,其濃度開(kāi)始升高,錳很快又趨于動(dòng)態(tài)平衡,而硅的氧化使熔池溫度再次升高。碳的氧化一直在進(jìn)行,但與主脫碳期相比其速率要小得多。高碳鉻鐵或高碳錳鐵的加入使碳含量略有上升。在真空精煉期,底吹氬氣流量較小,脫氮相應(yīng)減緩。加入硅鐵后,熔池中的氧化鉻被還原,鋼中鉻濃度迅速升高。模型估計(jì)的還原期終點(diǎn)熔渣成分(mass%)為:FeO,0.659;MnO,0.205;SiO2,36.434;Cr2O3,2.966;Al2O3,0.383;CaO,49.277;MgO,10.076。應(yīng)該說(shuō),這些數(shù)據(jù)是可信的。對(duì)其他初始碳含量較低的爐號(hào),整個(gè)精煉過(guò)程中鋼液成分及熔池溫度的變化規(guī)律與No.006的情況基本相同。例如,對(duì)初始碳含量為0.232 mass%的No.918的結(jié)果如圖2所示。

圖2 低初始碳濃度下模型估計(jì)的精煉過(guò)程中鋼液內(nèi)C, N, H (a), Cr, Si, Mn (b)濃度和溫度 (c)的變化 (No. 918)

2.3各元素間的競(jìng)爭(zhēng)性氧化和氧氣分配比及各氧化物的供氧率

圖3 模型給出的No.195和257復(fù)吹精煉期氧在C、Cr、Si、Mn間的分配率(a)和氧化精煉后期及還精煉期各氧化化物的供氧化物的供氧率(b)

對(duì)No.195和257兩個(gè)爐號(hào),模型給出的頂?shù)讖?fù)吹條件下409L型不銹鋼VOD精煉過(guò)程中吹入的氧在溶于鋼液的C、Cr、Mn和Si間的分配比,以及各氧化物的供氧率隨精煉時(shí)間的變化如圖3所示。圖中,吹煉初期,耗于Si的氧較多,對(duì)初始Si含量分別僅為(0.06, 0.03)mass%的No.195和257這兩個(gè)爐號(hào),xSi最高分別達(dá)36.13%和32.24%;對(duì)本工作考察的20個(gè)爐號(hào),在該精煉期xSi的最大值在31.39%～37.21%范圍內(nèi)。而后xSi逐漸減小,鋼中Si的濃度逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,基本不再耗氧;相應(yīng)地,xSi趨于零。由于錳的初始濃度也不高,其脫氧能力又較低,xMn最小,且一直降低,其氧化反應(yīng)也達(dá)到一動(dòng)態(tài)平衡;相應(yīng)地,與xSi不同步地趨于零,基本不再耗氧;對(duì)應(yīng)于高、低初始碳濃度,其最大值分別為22.02%和23.62%。由于精煉初期熔池溫度不高,初始碳含量較低,對(duì)這兩個(gè)爐號(hào),xC在吹氧最初階段分別達(dá)37.77%和57.74%;對(duì)本工作考察的20個(gè)爐號(hào),在該精煉期xC的最大值在32.40%～62.29%范圍內(nèi)。在Si和Mn退出競(jìng)爭(zhēng)后,氧主要在C和Cr間分配。元素的氧化和CO的二次燃燒使熔池溫度迅速升高,鋼中C的耗氧率不斷增大;隨熔池溫度進(jìn)一步升高,在xCr持續(xù)減小的同時(shí)xC穩(wěn)定增大,直至臨界點(diǎn)達(dá)最大,對(duì)這兩個(gè)爐號(hào)分別為77.44%和67.40%;對(duì)本工作考察的20個(gè)爐號(hào),相應(yīng)地xC值在45.55%～84.12%范圍內(nèi)。此后xC連續(xù)減小。在精煉初期,這兩個(gè)爐號(hào)的xCr分別為21.83%和24.21%;對(duì)本工作考察的20個(gè)爐號(hào),在20.86%～26.45%范圍內(nèi)。隨xC的不斷增大,xCr持續(xù)減小,直到碳含量降至臨界值時(shí)迅速增大,在吹氧終點(diǎn)分別達(dá)90.16%和92.58%的最高值;對(duì)本工作考察的20個(gè)爐號(hào),在90.16%～96.92%范圍內(nèi)。

各爐元素氧分配比的值并不相同,主要取決于熔池具體情況。雖然xSi和xMn等于零后Si和Mn不再耗氧,但二者并未退出體系中的氧化-還原反應(yīng),仍影響著氧在C和Cr間的分配。在一定條件下,渣中少量MnO和SiO2會(huì)被還原,相應(yīng)地xSi和xMn呈負(fù)值。

停止吹氧操作后,底吹氬過(guò)程仍在進(jìn)行,以攪拌熔池。同時(shí),加入大量石灰、螢石和硅鐵等爐料,精煉過(guò)程進(jìn)入還原期,此時(shí)主要的精煉反應(yīng)是硅還原氧化鉻。隨著渣中大量氧化鉻被還原,渣中氧化硅迅速增加,反映在供氧率曲線上,xSiO2呈現(xiàn)一個(gè)很大的負(fù)值,而xCr2O3呈現(xiàn)一相對(duì)較小的正值。按照Wei等[4]提出的綜合平衡的概念,在渣中氧化鉻被硅大量還原的情況下,它對(duì)脫碳仍然有一定的貢獻(xiàn)。在還原精煉期,脫碳反應(yīng)在進(jìn)行。如圖3-b所示,脫碳所需的氧主要由FeO供給。相應(yīng)地,xFeO達(dá)到一相當(dāng)大的正值,甚至始終大于xCr2O3,這表明氧化鐵對(duì)硅和碳的燒損提供了大量氧。除還原精煉初期外,氧化錳基本不供氧。

應(yīng)當(dāng)指出,該模型給出的氧分配比和氧化物供氧率不僅決定于各氧化和還原反應(yīng)的Gibbs自由能,且于熔池成分和溫度有關(guān)；而熔池的成分和溫度與很多因素有關(guān)，如精煉過(guò)程的動(dòng)力學(xué)、質(zhì)量和熱量衡算,等等。

2.4 脫碳速率和臨界碳含量

圖4 對(duì)No.006和257模型估計(jì)的整個(gè)精煉過(guò)程中脫碳速率隨精煉時(shí)間的變化

圖4給出了由該模型計(jì)算的精煉過(guò)程中No.006和257的頂吹和底吹過(guò)程脫碳速率及相應(yīng)的總脫碳速率隨精煉時(shí)間的變化?？梢钥吹?隨吹煉過(guò)程的進(jìn)行和熔池溫度的升高,在xC不斷增大的同時(shí),脫碳速率逐漸增大,在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的值,即進(jìn)入平臺(tái)期。相應(yīng)地,氧氣流量直接影響脫碳速率。由于初始碳濃度較低,與AOD精煉過(guò)程相比,脫碳速率在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到相對(duì)平穩(wěn)值的平臺(tái)期要短。當(dāng)碳含量降低并達(dá)臨界值后,脫碳速率變?yōu)橹饕射撝刑嫉膫髻|(zhì)所控制。但這時(shí)吹氧量仍在影響脫碳速率,只是其作用顯著減小。同樣,在脫碳速率主要決定于吹氧量的高碳期,鋼中碳的傳質(zhì)也在影響脫碳過(guò)程,僅程度已不高。停止吹氧操作后底吹入的Ar形成的氣泡對(duì)CO而言是“真空”,對(duì)CO有進(jìn)一步的稀釋作用,脫碳仍在繼續(xù),但其速率明顯減小。對(duì)No.006和257這兩個(gè)爐號(hào),脫碳的臨界點(diǎn)分別為：991 s, 3.065×10-4mass%/s；543 s, 2.874×10-4mass%/s。

在不銹鋼頂?shù)讖?fù)吹VOD精煉條件下,總脫碳速率包括了頂吹和底吹過(guò)程的貢獻(xiàn)。如圖4所示,在復(fù)吹階段,頂吹過(guò)程的脫碳速率始終遠(yuǎn)大于底吹過(guò)程的脫碳速率。一般說(shuō)來(lái),該模型估計(jì)的頂吹氧過(guò)程對(duì)總脫碳速率的貢獻(xiàn)約在95%以上,頂吹脫碳過(guò)程和總脫碳過(guò)程的臨界點(diǎn)基本相合。這也與側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD精煉過(guò)程有所不同。

臨界碳濃度取決于對(duì)過(guò)程和體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)考慮,同時(shí)也受熔池化學(xué)成分和溫度、組元活度、CO分壓、氧氣與惰性氣體吹入量、熔池?cái)嚢韬突旌蠣顟B(tài)、反應(yīng)界面、反應(yīng)器形狀和尺寸等諸多因素影響。Reichel和Szekely[5]對(duì)75 t VOD爐內(nèi)奧氏體型不銹鋼精煉過(guò)程給出的臨界碳濃度為0.15 mass%。Wei等[6-7]對(duì)120 t AOD爐內(nèi)304型不銹鋼的精煉過(guò)程給出的值為(0.144～0.245) mass%。對(duì)No.006和257的總脫碳過(guò)程,該模型估計(jì)的臨界碳濃度分別為(0.155 7，0.169 7)mass%。本工作條件下,相應(yīng)地臨界碳濃度在(0.119 0～0.182 0)mass%范圍內(nèi)。

2.5 脫氮速率

圖5 模型估計(jì)的No.006和257的脫氮速率隨精煉時(shí)間的變化

對(duì)No.006和257兩個(gè)爐號(hào)，模型給出的整個(gè)精煉過(guò)程中鋼液脫氮速率隨精煉時(shí)間的變化如圖5所示。圖中，在吹氧脫碳期，脫氮速率隨供氧強(qiáng)度增加而增大，對(duì)這兩個(gè)爐號(hào)，約為 (2.1～2.9)×10-6mass%/s。對(duì)應(yīng)于脫碳速率曲線上的平臺(tái)，脫氮速率曲線也顯示一平臺(tái)，并在脫碳過(guò)程的臨界點(diǎn)達(dá)最大值；對(duì)這兩個(gè)爐號(hào)，分別為(3.6，3.8)×10-6mass%。在碳含量降至臨界值以后，脫氮速率逐漸降低，其變化趨勢(shì)與脫碳速率相一致。這表明，脫碳速率越大，越有利于脫氮。在停氧后的真空脫碳期和還原期，隨碳氧反應(yīng)的減弱，脫氮主要決定于底吹氬的攪拌強(qiáng)度，脫氮速率明顯降低。對(duì)這兩個(gè)爐號(hào)，在還原期終點(diǎn)分別降至(1.6,1. 9)×10-6mass%的水平。

本工作處理的初始氮含量為(0.010～0.033) mass%的20個(gè)爐號(hào)，對(duì)應(yīng)于預(yù)脫碳期、脫碳臨界點(diǎn)和還原期終點(diǎn)，脫氮速率分別為(1.8～5.0, 2.4～5.4, 0.7～2.6) ×10-6mass%/s，其中No.655初始氮含量最高，相應(yīng)地預(yù)脫碳期、脫碳過(guò)程的臨界點(diǎn)和還原期終點(diǎn)的脫氮速率分別達(dá)(5.0，5.4，2.6)×10-6mass%/s。

在不銹鋼精煉過(guò)程中,影響脫氮速率的因素很多,包括Cr含量、供氧速率、鋼中表面活性元素O和S的含量、反應(yīng)溫度、氣體攪拌強(qiáng)度、與氣體-鋼液界面積和氣相氮分壓,等等。脫氮反應(yīng)發(fā)生在鋼液-氣體界面,氣體攪拌強(qiáng)度越大,硫含量越低,越有利于脫氮[8]。在頂?shù)讖?fù)吹VOD過(guò)程中,硫含量基本不變,Ar攪拌和生成的氣泡,以及脫碳反應(yīng)生成的CO氣泡使鋼液-氣體界面積增大,也使N在鋼液內(nèi)的傳質(zhì)加速,利于脫氮。

2.6 鋼液初始溫度對(duì)精煉過(guò)程的影響

鋼液初始溫度在相當(dāng)大程度上影響精煉過(guò)程。為考察該因素的影響,保持其他條件不變,僅以±10 K的幅度改變鋼液初始溫度,以該模型對(duì)No.006精煉過(guò)程作了模擬。所得結(jié)果顯示,在較高的初始溫度下(+10 K),該爐還原期終點(diǎn)的碳含量由0.0127 mass%降至0.0121 mass%,鉻含量由11.42 mass%提高至11.44 mass%,熔池溫度略有升高(+9.6 K)。在初始溫度較低時(shí)(-10 K),相應(yīng)地碳含量增至0.0133 mass%,而鉻含量降至11.40 mass%。由此可見(jiàn),適當(dāng)提高鋼液初始溫度有利于降碳保鉻。至于還原期終點(diǎn)的熔池溫度,除鋼液初始溫度外,還與硅鐵加入量、吹入的Ar量和熔池的具體情況等有關(guān)。一般說(shuō)來(lái),在較高的鋼液初始溫度下,可達(dá)到較低的終點(diǎn)碳含量,較少的鉻燒損,還原期需由硅還原的氧化鉻也相對(duì)減少；在FeSi添加量相同的情況下,終點(diǎn)硅含量較高。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)保證鋼液足夠高的初始溫度和開(kāi)吹溫度,以使精煉過(guò)程能順利進(jìn)行,達(dá)到良好的精煉效果。

2.7 吹氣量對(duì)脫碳過(guò)程的影響

吹氣量直接影響鋼中各元素的氧化和精煉過(guò)程。所得結(jié)果表明,在現(xiàn)行吹煉工藝下,兩個(gè)主吹期的供氧量偏低,而三個(gè)動(dòng)吹期的供氧量偏高。為考察吹氣量的影響,對(duì)初始碳含量較低的No.918,調(diào)整了各期的吹氧量,以該模型對(duì)假設(shè)工況下的精煉過(guò)程作了模擬。假設(shè)的各工況列于表3,所得結(jié)果如表4所示。

表3 No.918現(xiàn)行吹煉工藝和假設(shè)的吹煉模式(吹氣量單位:m3/min)Table 3 Existing practice and assumed blowing modes for heat 918 (unit of the gas blowing rate: m3/min)

與原工藝相比,在工況2和6的還原終點(diǎn),碳含量有所上升,在還原期FeSi加入量不變和SiO2供氧率設(shè)為定值的情況下,用于還原的Si增加,被還原的Cr2O3增多,Cr含量略有上升,Si濃度有所下降,熔池溫度分別升高3.9和4.7 K。這顯示,降低主吹期頂吹氧量與脫碳不利。在工況3和4的還原終點(diǎn),鋼液成分及熔池溫度與原工藝基本相同。這提示,保持主吹期頂吹氧量不變而增大(工況3)或減小(工況4)動(dòng)吹期頂吹氧量不會(huì)顯著影響精煉效果。在工況1和5的情況下,碳含量都降至更低的水平,脫碳效果得以改善。相應(yīng)地,用于還原Cr2O3的Si量減少,Cr含量略降低,Si含量略有增高,熔池溫度分別降低2.0和2.8 K。兩者的綜合精煉效果優(yōu)于原工藝。初始碳含量較高時(shí)(如No.006),情況也是如此。

綜上所述,適當(dāng)增大主吹期頂吹氧量有利于脫碳,熔池溫度不變(初始碳濃度較高時(shí))或略有下降(初始碳濃度較低時(shí));動(dòng)吹期頂吹氧量的變化對(duì)精煉效果影響不大。因此,相對(duì)于現(xiàn)行吹煉工藝,適當(dāng)增加兩個(gè)主吹期的供氧量,同時(shí)適當(dāng)降低三個(gè)動(dòng)吹期的供氧量,可使鋼液在精煉終點(diǎn)達(dá)到更低的碳含量,獲得更好的精煉效果,同時(shí)又使熔池溫度有所降低,有利于提高鋼包壽命。

有必要指出,吹氣量的變化對(duì)鋼液的脫氮基本上沒(méi)有影響。這是可以理解的。

2.8 真空度對(duì)精煉過(guò)程的影響

不銹鋼VOD精煉過(guò)程最顯著的特征是吹煉過(guò)程始終在真空下進(jìn)行。與不銹鋼的AOD精煉過(guò)程相比,“真空”能比氬氣更有效地降低CO分壓,從而達(dá)到更好的精煉效果。很顯然,真空度在很大程度上影響著精煉過(guò)程。在保持其他操作參數(shù)和條件不變的情況下,僅改變吹氧期爐內(nèi)的真空度,對(duì)初始碳含量較低的No.918的精煉過(guò)程進(jìn)行了模擬,各設(shè)定的工況如表5所示,所得結(jié)果如表6所示。

表5 No.918現(xiàn)行和假設(shè)的真空度模式(真空室壓力/標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)Table 5 Existing practice and assumed vacuum modes for heat 918 (pressure in vessel/standard atomosphere pressure)

與原工藝相比,真空度的提高使No.918還原終點(diǎn)碳含量降至0.0108 mass%,降幅約5.6%;鉻含量和熔池溫度基本不變;真空度的降低則使還原終點(diǎn)碳含量提高至0.0118 mass%,增幅為3.5%,鉻含量降至11.442 mass%,相應(yīng)地熔池溫度升高5.6 K。適當(dāng)提高吹氧精煉期的真空度有利于降碳保鉻,并可達(dá)到較低的熔池溫度。在生產(chǎn)實(shí)際中,應(yīng)保證精煉過(guò)程在盡可能高的真空度下進(jìn)行。

表6 模型估計(jì)的No. 918不同真空度下的精煉效果Table 6 Refining results predicted by the model at different vacuum modes for heat 918

3 結(jié)論

1) 提出的數(shù)學(xué)模型可以較精確地估計(jì)鋼液內(nèi)C、Cr、Si、Mn的濃度和熔池溫度隨精煉時(shí)間的變化。

2) 該模型的基本假設(shè)能較好地反映頂?shù)讖?fù)吹條件下不銹鋼VOD 精煉過(guò)程的情況。

3) 在氧化精煉和還原精煉過(guò)程中,分別始終存在各元素間的競(jìng)爭(zhēng)性氧化和各氧化物的競(jìng)爭(zhēng)性供氧,反應(yīng)的Gibbs自由能可用來(lái)表征其特性,并可用以確定相應(yīng)的氧在鋼中各元素間的分配比和各氧化物的供氧率。

4) 對(duì)120 t VOD爐內(nèi)409L型不銹鋼的精煉過(guò)程,本工作條件下,脫碳的臨界濃度(在此后脫碳轉(zhuǎn)為由鋼液內(nèi)碳的傳質(zhì)控制)為(0.1190～0.1820)mass%。

5) 在VOD精煉過(guò)程中,脫氮主要發(fā)生在CO氣泡和Ar氣泡表面。

6) 在不銹鋼的頂?shù)讖?fù)吹VOD精煉過(guò)程中,鋼液初始溫度、吹氣量和真空度對(duì)鋼液的脫氮影響不大。

7) 足夠高的鋼液的初始溫度有利于精煉過(guò)程的順利進(jìn)行和達(dá)到良好的降碳保鉻的效果。

8) 確定適宜的頂吹氧量對(duì)精煉過(guò)程的順利進(jìn)行及吹煉工藝的優(yōu)化有重要作用。

9) 對(duì)現(xiàn)行120 t VOD爐內(nèi)409L型鐵素體不銹鋼的精煉工藝,適當(dāng)增大兩個(gè)主脫碳期的頂吹氧量,同時(shí)適當(dāng)降低三個(gè)動(dòng)吹期的頂吹氧量,可以獲得更好的降碳保鉻效果,精煉終點(diǎn)的鋼液碳含量可達(dá)到更低的水平。

10) 該模型可為頂?shù)讖?fù)吹條件下不銹鋼VOD精煉工藝的制定和優(yōu)化及過(guò)程控制提供有用的信息和較可靠的基礎(chǔ)。

[1]魏季和, 李毅. 頂?shù)讖?fù)吹條件下不銹鋼VOD精煉過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬: 過(guò)程數(shù)學(xué)模型[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 45 (1): 1-9.

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(編輯：龐富祥)

MathematicalModelingofVODRefiningProcessofStainlessSteelunderConditionsofCombinedTopandBottomBlowing——ApplicationoftheModelandResults

WEIJihe,LIYi

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

The mathematical model proposed in Part I of the present work was used to treat and analyze 20 heats of 409L-grade ferritic stainless steel refining in a 120 t combined top and bottom blowing VOD vessel. The results show that the changes in the composition and temperature of the liquid steel with the time during the whole process can be more precisely predicted by the model. The results indicated that the predicted values by the model are in good agreement with the determined data. Not only the competitive oxidation among the elements in the steel during the oxidative refining with the corresponding oxygen distribution ratios, but also the competieive reduction of the oxides in the slag during the argon stirring and reductive refining with their oxygen supply ratios, can all be characterized and determined using the Gibbs free energies of the reactions. The critical carbon concentration (after which the decarburization alters to be limited by the mass transfer of carbon in liquid steel) for the combined top and bottom blowing of 409L-grade steel in this work is in the range of 0.119 to 0.182 mass%, in agreement essentially with the critical carbon concentration of the the oxygen top blowing. The influences of the relative factors on the refining result and the optimization of blowing technology were examined from the model predictions. The model can offer useful information for determining and optimizing the technology of the VOD refining process of stainless steel, and for controlling the process in real time and on-line.

stainless steel;VOD refining;combined top and bottom blowing;mathematical modeling

2013-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金和寶山鋼鐵公司聯(lián)合資助項(xiàng)目 (50374074)

魏季和 (1942-),男,江蘇無(wú)錫人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事冶金反應(yīng)工程、鋼鐵冶金及其物理化學(xué)、特種冶煉及二次精煉等的研究，(E-mail) jihew@staff.shu.edu.cn

1007-9432(2014)02-0143-08

TF72

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