20t复吹转炉冶炼不锈钢碳铬氧化动力学

D0I:10.13374/i.issm1001053x.1991.06.020 第13卷第6期 北京科技大学学报 Vol.13 No.6 1991年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1991 20t复吹转炉冶炼不锈钢 碳铬氧化动力学 郭木星·陈襄武 摘要：运用治金反应动力学基本理论，结合具体工业试验条件，分析得到20t复吹转 炉治炼不锈钢低璞范围的脱缕速度式。用Rug心-Kutt2法通过计算机求解，得出的数值解 与实验值基本一致。 关键词：复吹转炉，不锈钢，税碳，氧化 Carbon and Chromium Oxidation Kinetics during stainless Steel Making in 20t Combined-Blown Converter Guo Muxing Chen Xiangwu ABSTRACT:Based on the metallurgical kinetics and the industrial conditions,a formula of decarbonization was obtained,which is suitable for the law carbon range during stainless steel making in 20t combined-blown converter.The nu- merical sloutions by Runge-Kutta method were approximately in agreemeet with these measured on-site, KEY WORDS:combined blown converter,stainless steel,decarbonization,oxidation 复吹转炉治炼不锈钢，熔池中C-Cr氧化的动力学规律至今还没有深入的研究1)，从而滩 以确立合理的操作工艺和对治炼过程进行准确而有效的控制。本文结合C-C:氧化反应的最 1990-03-10收到初稿，1991-06-15收到修改稿 ·冶金系(Department Of Metallurgy) 619

翁1 3 卷第 期 6 1 , , z年一l 月 北 京 料 技 大 学 李 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . i s N o 。 d N o v 。 19 9 1 2 0t 复吹转炉冶炼不锈钢 碳铬氧化动力学 郭木星 ’ 陈襄武 . 摘 要 : 运 用冶 金反应 动力 学基本理论 , 结 合具体工业试验 条件 , 分析得到2 。t 复 吹转 护冶炼不锈钢低碳范 围的 脱碳 速度 式 。 用 R u n g e 一 K u t : 法通过 计算机求解 , 得 出的数值解 与 实验值基 本一致 。 关键 词 : 复吹 转炉 , 不 锈 钢 , 脱碳 , 氧化 C a r b o n a n d C五r o m i u m o x i d a t i o n K i n e t i e s d j r i n g s t a i n l e s s S t e e l M a k i n g i n 2 0 t C o m b i n e d 一 B l o w n C o n v e r t e r G u o M “ 劣 i n 夕 . C h e n X i a n 夕功 u . A B S T R A C T : B a s e d o n t h e m e t a l l u r g i e a l k i n e t i e s a n d t h e i n d u s t r i a l e o n d s t i o n s , a f o r m u l a o f d e e a r b o n i z a t i o n w a s o b t a i n e d , w h i e h 1 5 s u i t a b l e f o r t h e l a w e a r b o n r a n g e d u r i n g s t a i n l e s s s t e e l m a k i n g i n 2 0 t e o m b i n e d 一 b l o w n e o n v e r t e r 。 T 五e n u - m e r i e a l s l o u t i o n s b y R u n g e 一 K u t t a m e t h o d w e r e a p p r o x i m a t e l y i n a g r e e m e e t w i t h t h e s e m e a s u r e d o n 一 s i t e 。 K E Y W O RD S : e o m b i n e d b l o w n e o n v e r t e r , s t a i n l e s s s t e e l , d e e a r b o n i z a t i o n , o x i d a t i o n 复吹转炉冶炼不锈钢 , 熔池中C 一 C r氧化的动力学规律至今还没 有深入的研究 〔 ” , 从而难 以确立合理 的 操作工 艺和 对冶 炼过程进行准确而 有效的控 制 。 本文 结合 C 一 C r 氧化反 应的最 2 9 9 0 一 0 3 一 1 0收到初稿 , 1 9 9 1 一 0 6 一 1 5收到修 改稿 冶金系 ( D e P a t t ln e n t O f M e t a l l u r g y ) 3 1 9 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 06. 020

远研究结果，应用冶金反应动力学基本理论，以20复合吹炼转炉为对象，通过建立数学模型 对低碳域C-C氧化动力学进行定量研究，为确立治炼工艺，控制治炼过程提供依据。 1动力学模型的建立 1.1物理机制 近年来的研究r2)指出：复吹条件下C-C氧化反应的物理机制与AOD法相似，钢液表面 形成的铁铬氧化物向熔池输氧，通过底吹惰性气体的稀释作用在惰性气泡与钢液界面上进行 脱碳.文献C3)分析了熔池内部悬浊物和熔池表面氧化物的物化组成，对熔池内C-C氧化反应 进行热力学计算，得到的结论是脱碳反应按下式进行： FeCr2O,+4〔C=4CO↑+2rCr)+Fe (1) 高碳范围的脱碳速度相当于向火点区的供氧速度（生成FeCr2O,速度)，低碳范围的脱碳速 度相当于钢液中〔C)向铬铁氧化物颗粒的传质速度。综上所述可将复合吹炼转炉熔池中C-Cr 选择氧化反应机制描述如图1所示。 Pc0=0.15 P0=0.2、 ●0.144 0.151 0.21 Pc0=0, 500 00.198 01920-32 -Pco-0 300 0.300.20.a0 0.50053i.303 Pc0. 100 0.54 一Calculated .Experimental 1700 1750 1800 T/℃ AE 图1格池中CCr氧化机理示意图 图2炉内C-Cr-Pco-T平衡关系 Fig.1 Scheme of C-Cr oxidation in the Fig.2 The cquilibrium of Cr-C-Pco-T melten. in converter 1,2动方学模型的建立 由图1所示的物理机制并考察20t转炉工业实验有如下要点： (1)熔池表面直接氧化生成的铁铬氧化物在足够的搅拌条件下卷入熔池内部，并吸附在 底吹的A气泡表面，钢液中〔C向附有铁铬氧化物的气泡表面传质进行脱碳反应，生成的CO 进人Ar气泡内，气泡不断地上浮，反应不断地进行直至穿过熔池进入炉气。当熔池中碳较低 时，碳的扩散为反应的限制性步骤。 (2)如图2所示，20t复吹转炉试验结果表明：当熔池中〔C)<0.6%时，炉内碳铬氧化反 应基本接近Hity公式计算的平衡值r),故此时炉内C~C选择氧化反应可按Hilty公式假定 条件写成(2)式： [C]+(CrO)=[Cr]+CO(g) (2) 520

近研究结果 , 应用 冶金反应动力学基本理论 , 以20 t 复合吹炼转护为对象 , 通过建立数学模型 对 低碳域C 一 C r氧化动力学进行定量研究 , 为确立冶 炼工 艺 , 控 制冶炼过程提供依据 。 动 力学模型的建立 1 . 1 物 理机制 近年来的研究 〔 “ ’ 指出 : 复吹 条件下 C 一 C r氧化反应 的物理机制与A O D 法相似 , 钢液表面 形 成的铁铬氧化物向熔池输氧 , ` 通过底 吹 惰性气体的 稀释作 用在惰性气抱 与钢液 界面上进行 脱碳 . 文献〔 3〕分析了熔池 内部悬浊物和熔池表面氧化物的物化组成 , 对熔池内C 一 C r 氧化反应 进行热力 学计算 , 得到 的结论是脱碳反应按下式进行 : F e C r : O ` + 4〔C 〕 = 4 C O 个+ 2 〔C r 〕 + F e ( 1 ) 高磷范围的脱碳速度相 当于向火点区 的供氧速度 ( 生成 F e C r : O ` 速度 ) , 低碳范围的脱碳速 度相当于 钢液 中〔C 〕向铬铁氧化物颗粒 的 传质速度 。 综上所述可 将复合吹炼转炉熔池 中C 一 C r 选择氧化反应机制描述如图 1 所示 。 . 护 “ 一 c a , e么; t e d E x P e r i m e n t a l 00 únnl n 丈矛7 ù 21 试它乙] 1 7 0 0 1 7 5 0 1 8 0 0 、 、 , 、 . T / 。 C 叫勺二 勺`向u+ NO + 尸产O 己, 七一了净J1 图 l 熔 池中 C 一 C r氧化机理示意 图 F i g . i S e h e m e o f C 一 C r o x i d a t i o n i n t h e 也 e l t e n 。 图 2 炉内 C 一 C卜尸 c 。 一 T平衡关系 F i g . Z T五 e e 只u i l i b r i u . o f C r 一 C 一 P e o 一 T i红 e o n v e r t e r 1 。 2 动方学摸型 的建立 由图 1 所示 的物理机制并考察 2 0t 转炉工业实验有如下要点 : ( D 熔池表面直接氧 化生成 的铁 铬氧 化物在足够的 搅拌 条件下 卷入熔 池 内部 , 并吸 附在 底吹的 A r气泡表面 , 钢液 中〔C 〕向附有铁铬氧化物的气抱表面传质进行脱碳反应 , 生成的C O 进人A r 气抱 内 , 气泡不断地上浮 , 反应不 断地进行直至穿过熔池进入炉气 。 当熔池 中碳较低 时 , 碳的扩散为反应 的限 制性步骤 。 ` _ (2 ) 如图 2 所示 , 20 t复吹转炉试 验结 果表明 : 当熔池中〔C 〕< 0 . 6% 时 , 炉内碳铬氧化反 应基本接近 1 lt y 公 式计算的平衡值 ` 落 ’ , 故此时炉内C 一 C r 选择氧化反应可 按iH l tY 公 式 假 定 条件写成 (2 ) 式 : 〔C 〕 + ( C r O ) 二 〔C r 〕+ C O ( g ) ( 2 ) 尽2 0

从要点(1)得低碳范围脱碳速度式为： d〔%C--a(c%C)-C%C.） dt (3) 式(3)中：a一脱碳速度常数(min-), 〔%C)。一与反应界面金属侧络浓度及熔池中CO分压相平衡的碳浓度(%)。 对反应式(2)有： K=[%Cr]Pco 。0%C号，令ae0=1(Hty公式假定条件)则c%C,=C%C:Pco4) 影灯会式：1bsK=l6egS22。-T中28+8.6 13800 (5) 熔池中C0分压：Pc。Neo+N×P (6) Nco=-dcC2,2410-x形。 dt Mc (7) 以上各式中： Nco一CO生成速率(Nm3/min), NAx一底吹Ar流量(Nm3/min): P一炉气总压(0.10MPa); Mc一碳的原子量： K一反应式(2)的平衡常数： Wm一钢液总量(kg)； Pco一熔池中C0分压(0.1GMPa)。 由(4)、(6)、(7)得 -〔%C2×1.8667w.×a￥ d〔%C) C%C), NAr-1.8667Wm×〔%C) —XP (8) dt (8)式代入(3)式得： 〔%C) dt%C 〔%C)+ 〔%C21.8667W× dt Vx:-1.8667w。 d[%C) (9) dt 假定炉气压力P近似等于气泡在熔池中的平均压力严，P的计算如下： 20t复吹转炉金属池深度为900mm,渣层厚度为300mm,则气泡在熔池内的压力为： P。+gp.h+20:s 0≤h≤20 (10) PU= P。+20gp.+9pn(h-20)+2Ca=s 20≤h≤110 521

从要点 得低碳范围脱雄速度式为 ( ) l , d〔 % C ) d t 一 一 a (〔% C〕 一 〔% C〕 。 ) ( 8 ) 式 (3 ) 中 : a — 脱碳速度常数 ( m in 一 ` ) ; 〔% C〕 . — 与反应 界面金属侧铬浓度及熔池 中C O分压相平衡的碳浓度 ( % ) 。 对反应式 ( 2) 有 : K 二 〔% C r 〕 一 P 。 o a e r o 一 〔% C 〕 。 令 a 。 : 。 = i ( H i l t y 公式假定条件 ) 则〔% C〕 。 〔纬 C r 〕 一 P 。 o = 一一甲万— 一 吸4 ) 据 H i lt y 公式 : l o g l K = 1 0 9 〔% C r〕 . P 。 o 〔% c 〕 , , = 1 3 8 0 0 一 T + 4 。 2〔肠N i〕 + 8 。 7 6 ( 5 ) 熔池 中 C O 分压 : 尸 。 。 二 N e o N e o + N X 尸 ( 6 ) N co 二 d 〔% C 〕 2 2 。 4 x 1 0 一 “ . 、 一一 - 一百 下尸一一- - 一 X 妙 尸 ~ a t 粼 e ~ ( 7 ) 以 上 各 式 中 : 万 C 。 — C o 生成速率 ( N m “ 加i n ) ; N A : — 底吹 A r 流量 ( N m ” / m i n ) , P — 炉 气总压 (0 . 10 M P a) ; M 。 — 碳 的原 子量 , K — 反 应 式 (2 )的 平衡常数 ; 班 m — 钢 液 总量 k( g ) , P 。 。 — 熔池 中C O分 压 ( 0 . 1协 l p a ) 。 由 ( 4 ) 、 ( 6 ) 、 ( 7 ) 得 . 8 6 6 7班 。 x 〔写 C〕 。 = 卫迪丝些 v , K N A r 一 1 。 d 〔写C 〕 d t 8 6 6 7 矽 益x 〔% C 〕 X 尸 ( 8 ) (8 ) 式代入 ( 3) 式得 : d〔% e ! , 。 一 、 . 〔 一 瞥 1 · 8 6 6 7牙 二 · 旦袋尸 “ 。 } - 不厂一 = 一 “ 口七为 七 J 卞 一 一一 一一一一一了下布万下二蔺一 入 三 1 a ` . 、 二 _ _ _ , , ~ u L 为 、 J ! 又 ` , A ’ 一 ` ’ ` 。 。 ` 叮 “ 一不 , , 少 ( 9 ) 假定炉 气压力 P 近似等于 气抱在 熔 池 中的平 均压 力 尸 , P 的 计算如下 : 20 t复吹转炉金 属池深度为 90 o m m , 渣层厚度为30 。。 m , 则 气泡在熔池内的压力为 : 十 。 , . 、 产爷 呈 0成人簇 2 0 ( 1 0 ) 一皿 一g r 一2 十 斑 、矛、 , U + 自 2 0夕 P 。 + 夕户。 ( h 一 2 0 ( h ( 1 1 0 沪卜汤|f 一一 lP, 5 2 1

式(10)中： P。一大气压(0.10MPa); g一重力加速度(cms-) P,一熔渣密度(gcm-3); pm一钢液密度影(gcm~3) h一气泡离熔池表面距离(cm)。 实验时喷嘴内径中=10mm,故rmi。=5mm,取0m-g=1900×10~5N·cm~',则形成气袍时的 附加压力为： p1=20-2=2x1900x10-5N.cm-/0.5cm=0.076N/cm2 P'《0.10MPa,忽略不计，故金属熔池内： P"=P。+20gp,+9P(h-20)+20a =P。+20gp.+gpm(h-20) 20≤h≤110 D=」。"〔P。+20gp.+gpm(h-20)d 110-20 (11) 取p.=3.5gcm-9,Pm=7.0gcm-3,P。=0.1MPa代人(11)计算得：P=0,1453MPa。 又从(5)式得： K=10(-13800/T+4.2〔%Ni))+8.76 (12) 将P≈P=0.1453MPa和(12)式代入(9)式得到20t复吹转炉治炼不锈钢低碳范围的脱碳 速度式： 1 0.2712Wm〔%C:) dt%C2=-。%C+100-1390oT+42%N前+8.70 x dc%C dt dt (13) Vk:-1.8667wn×dC%C dt 2模型解与结果讨论 2.1模型解 (1)将模型简化成常微分方程组初值问题的标谁方程： 令 0.2712Wm〔%Cr〕 =10(-13800/T+4.2c%N)+8.76 6=1.8667Wm 化简(13)式得： 522

式 ( 1 0 ) 中 : p 。 — 大气压 ( o . l oM P a ) ; 口 — 重力加速度 ( e m · s一 ’ ) p . — 熔渣密度 ( g · c二 一 3 ) ; p m — 钢液密度 , g( . 。 。 一 3 ) h — 气泡离熔池表面距离 c( m ) 。 实验时喷嘴内径中二 1 0o m , 故 , 二 : 。 = s m m , 取 。 二一 。 = 1 90 0 x 10 ’ “ N . c m 一 ’ , 则 形成气泡时的 附加压力 为 : 尸 , _ 2『 二 一: = 2 x 1 9 0 0 x 1 0 一 “ N 一 e m 一 五 / 0 。 s e m = 0 。 0 7 6 N / e 。 “ P ’ 《 0 。 l o M P a , 忽略不 计 , 故金属熔池内 : P “ = P o + Z o g P 。 + 夕 P 二 ( h 一 2 0 ) 2叮 , _ 二 十 = 一 P o + 2 0夕 p 。 + 夕 p m ( h 一 2 0 ) r ; ; ’ 〔尸 。 + : 。。 , . + 。 , 二 (* 一 2。 )〕 d* 2 0 ( h簇 1 1 0 下 1 1 0 一 2 0 ( 1 1 ) 取户 . = s 。 5 9 一 e 。 一 3 , p 二 = 7 。 0 9 一 e m 一 “ , P 。 = o . i M P a 代入 ( 1 1 ) 计算得 : P = 0 . i 45 3 M P a 。 又从 ( 5) 式得 : K = 1 0 ( 一 1 3 8 0 0 / T + 4 · 2 〔% N i 〕 ) + 8 . 7 6 ( 1 2 ) 将尸 、 尸 = 。 。 1 4 5 3M P a 和 ( 1 2 ) 式代入 ( 9) 式得到 2 0t 复吹转炉冶 炼不 锈钢低碳范围的脱碳 速度式 : 0 。 2 7 1 2平 m〔% C r 〕 d 〔% C J d t d〔% C〕 = 一 。 〔% C〕 十 ( 1 3 ) 2 模型解 与结果讨论 2 。 1 棋型 解 ( 1) 将模型简化成常微分方程组初值问题的标准方程 : 令 0 。 2 7 1 2才 2D 〔写 C r 〕 = 不厂万顽可不丁丽刃不万而不 6 二 1 . 8 6 6 7牙 。 化简 ( 1 3) 式得 : 5 2 2

6(cC)°-aa-6C%c+N.c%C-aN.c%⊙=0 解上式有： dt%C]a(a-b%C))+N (aa-ab%C)+NA:):+4baNAC%C] (14) dt 26 26 分折(14)式，因为Yaa-abr%C+NA)2+46 NAC%C>a(a-b〔%C)+NA: 26 26 放有：-Vaa=a6C%C+82+baN%C+aa-bcC2》+V:<0 2b 26 因此，为满足(C>0必须对(16式取正号运算，即， dt%C)a(a-bt%C)+NAr(aa-abt%C)+NA:)+4baNA[%C 26 (15) dt 26 由(15)式结合实验初始条件有常微分方程定值问题： dt%C]a(a-60%C)+NA:(aa-abc%C]+NA)+4baNC% 26 (16) 2b 〔%C)-0=〔%C。 (2)模型计算结果用Runge--kattai法'5)解(16)式。将20t复吹转炉工业实验各工艺条件 和实测数据输人计算机，得模型解如图8、图4所示。可见(13)式在一定程度上可以描述20t 复吹转炉冶炼不锈钢低碳域的脱碳过程。 0.69 c-13 0.66 o Experimental 4=0.07 -Calculated T-1662℃ 7-1713℃ W=25100kg W=21100kg 0.4 Nar=5.26Nm/min TCr]h15.1￥ D.4 NAr35.3Kn3/min [Mi]=1D.05考 识 LCr]s13.89 CNi]=0.08 B 3 0.2 0.2 20 40 60 80 20 40 60 f/min /min 图30Cr18Mo2钢的脱碳曲线 图400Cr18Ni10钢的脱碳曲线 Fig.3 The Curve of decarbonization in Fig.4 The Curve of decarbonization steel making 0Cr18Mo2 in steelmaking 00Cr18Ni10 2.2结果讨论 (1)模型应用的途径和可能性将(13)式计算得到的曲线与实验点拟合求得脱碳反应速 523

。 匹终卑、 ( “ 一 、 。 ( 。 一 。〔% e 〕 十 、 A r ,健粤孕 一 。 、 A : 〔 % C〕 = 。 \ Q l , u 。 解上 式有 : d 〔% C 〕 d t 一 a ( a 一 b 〔% C 〕) + N A r 2b 二 了 ( a a 一 a b〔% C〕 + N 人 , ) “ + 4 b a N A , 〔% C〕 二 - . 一- 一一 ~ 一一 一 一 - 一二 压甲一一一 -一 一 、 1 任 , 乙 O 分 析 ( 1 4 )式 , 因 为兰亘三巫塑旦匕丛少兰 -些型 生二脸担> 2 b a ( a 一 b〔% C 〕) + N A , 2 6 故有 : 一 了 一 ( a 石一 。 战% C 〕 不N ^ r ) 2 + 连6 a N ^ : 〔纬C 〕) 一 一 - - - - - - 2 b a ( a 一 b 〔% C〕 ) + N ^ r 2 6 - 一 一 < O 因此 , 为满足 d 〔纬 C 〕 d t ) O必须对 ( 14 ) 式取 正号 运算 , 即 : d〔 % C 〕 d t a ( a 一 b〔肠 C 〕 + N ^ r 二 — 一 2 吞 — 斌 〔 。 a 一 a b 〔肠c 〕 + 万A r ) “ + 4 石口方 A丁〔卿万 b2 一 ( 1 5 ) 由 ( 1 5) 式结合实验初始条件有常微分方程定值问题 : 〔丝丝鱼 } dt ,〔% C 〕 , . 。 a ( a 一 b〔% C〕 + N 人 r ~ 恻鱼杂进逆毕 丛鱼鱼} ( 1 6 ) = 〔% C〕 。 ( 2) 模型计算结果 用 R un g e 一 k n t at 法 〔 ` ’ 解 ( 1 6) 式 。 将20 t复吹转护工业实验各工艺条件 和 实测数据输入计算机 , 得模型解如图 3 、 图 4 所示 。 可见 (1 3) 式在一定程 度上可以描述 2 0t 复吹转炉冶炼不锈钢低碳域的脱碳过程 。 0 〔 x p e r 工匆e n t a l - C a l e u l a t e d 欲 卜 é口[ 任 : 0 。 D7 丁 二 1 6 8 2 ℃ J犷二 2 3 1 0 0 k o 凡 r七 5 2 6枷 ,向生n 二c r ] 二 1 , . 1 名 [ Ni〕 二 1 0 . 0 , %— \ _ U Lx P e r 劲此 n t 妞 1 - N。 ` l 一 Ca l e u l 盖〕 t e d 〔 二 0 一 0 9 T 二 1 7 1多t 那 二 2 1 1 1兀曦 g 对直 , 二弓 . ,枷 , /吐n 一 \ 入 陌 B, 龙 [习 笼 一 冈! {卜一 ~ .0 2 辞 认 é口[ 0 2 0 4 O t加i n 60 8 0 t / m i n 图 5 o C r i s M o Z炯的脱碳 曲线 F i g . 3 T五 e C u r v e o f d e e a r b o n i : a t i o n i公 s t e e l m a ki n g o C r z 8 Mo Z 图 4 o o C r l s N i i o钢的脱碳曲 线 F i g . 4 T h e C u t 7 e o f d e c a r b o n i 名名 t i o n i n o t e e l m 盆 k i n g o o C r i 名N i i o 2 。 2 结 果讨论 (1 ) 模型应用的途径和可能 性 将 (1 3 )式计算得到的曲线 与实验点拟合求得脱碳反应速 5君3