AOD工藝的基本脫碳模型研究
用于轉(zhuǎn)爐氬-氧脫碳（AOD）氣體噴射數(shù)學(xué)流體流動(dòng)模型已完成和高溫?zé)崃W(xué)模型的聯(lián)合。聯(lián)合后的通用模型是早期開發(fā)的三維三相且包括某些工藝熱力學(xué)模型的強(qiáng)化版。它建立在基本傳辦理議程和獨(dú)立的鋼液、渣液、氣相以及它們間的摩擦力的基礎(chǔ)之上。AOD模型已用于預(yù)測AOD轉(zhuǎn)爐第一噴射階段脫碳。結(jié)果證明，準(zhǔn)確性與工業(yè)過程控制模型預(yù)測結(jié)果十分一致。觀察發(fā)現(xiàn)，AOD早期存在很大的碳嘗試梯度，其梯度值隨著脫碳末期的逼近而逐步減小。除此之外，預(yù)測結(jié)果還顯示，AOD轉(zhuǎn)爐脫碳時(shí)其局部脫碳速度隨著局部壓力的升高而降低，與理論相符。
1 概況
冶煉不銹鋼通常用EAF熔化廢鋼，接著用轉(zhuǎn)爐將EAF熔化后的鋼水進(jìn)行初次精煉，之后在精煉設(shè)備中完成二次精煉，最后用連鑄機(jī)將成品鋼液澆鑄成優(yōu)質(zhì)鋼坯。因?yàn)楦咛己拷档筒讳P鋼抗腐蝕性和/或機(jī)械性能，所以，采用有效方法降低不銹鋼中的含碳量是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)不銹鋼十分重要的環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)爐煉鋼采用Ar-O氬氧脫碳（AOD）是實(shí)現(xiàn)快速脫碳和降低Cr消耗的有效方法國。通常將AOD分成幾個(gè)階段：脫碳、還原和脫硫。脫碳又可分成不同步驟，每個(gè)步驟都必須降低Ar/O比例。為獲得AOD轉(zhuǎn)爐在高溫和強(qiáng)烈攪拌下的各種科學(xué)參數(shù)，許多冶金工作者為此進(jìn)行過多方面探索。他們認(rèn)為在碳濃度較低的情況下將會(huì)很快生成Cr2O3，大約0.06s后，氣泡界面可以達(dá)到平衡。Earlier Jonsson等人完成了流體流動(dòng)模擬與高溫?zé)崃W(xué)之間的偶合，但至今未見用于AOD工藝的報(bào)導(dǎo)。而是一種以前開發(fā)的計(jì)算機(jī)模型結(jié)合化學(xué)反應(yīng)使功能得到擴(kuò)展并用于分析脫碳現(xiàn)象。
在目前的研究中，已有一種工業(yè)AOD轉(zhuǎn)爐基本模型可供使用，但其計(jì)算功能很有限。更準(zhǔn)確地說是僅完成已知初始化學(xué)成分和溫度條件下第一階段噴氧脫碳模擬。為此，用一種名為Time AOD2的過程控制模型對(duì)模擬成果的可靠性進(jìn)行比較和確認(rèn)。Time AOD模型是一種建立在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上并且考慮了包括化學(xué)反應(yīng)熱，氣體和爐渣冷卻作用在內(nèi)的平均溫度過程控制模型。在本研究中用Time AOD2的結(jié)果與通用模型對(duì)具有邊界條件的工業(yè)轉(zhuǎn)爐數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較。
脫碳周期部分已采用研究方法進(jìn)行了探索。其前提條件是假設(shè)Si在模擬初期已被氧化且引起模擬初期溫度升高，將模擬初始碳濃度設(shè)定為0.6%。
2數(shù)字模型
數(shù)字模型用穩(wěn)定態(tài)流動(dòng)，其流動(dòng)通過Tilliander等學(xué)者研究的法則計(jì)算獲得。使用Kim-Chen修正的k-ε模型說明湍流；應(yīng)用IPSA描述兩相流動(dòng)。如探索摩擦力誘發(fā)從慢速流動(dòng)鋼水到快速流動(dòng)氣體的動(dòng)量傳輸，導(dǎo)致快流氣體突然減速從而產(chǎn)生對(duì)鋼液的攪拌作用，便可用到IPSA。
2.1系統(tǒng)闡述、邊界條件和解決方法
為了確定和規(guī)范計(jì)算條件，將模型作如下說明：
1） 計(jì)算網(wǎng)格是一個(gè)位于笛卡爾直角坐標(biāo)系中的六面體（尺寸為3m×1.7m×2.37m，分成78×44×56個(gè)體積單元）。
2） 模型以y=0的XZ平面中心為對(duì)稱條件。
3） 模型內(nèi)包括鋼液、渣液和氣體等三相。
4） 自由表面為平面。允許氣泡通過表面離開計(jì)算范圍。
5） 使用的離散化流程圖為橢圓交錯(cuò)式；使用的差分式流程圖為混接網(wǎng)絡(luò)。
6） 盡快獲得收斂流場并利用該流場以標(biāo)量方式傳輸熱力學(xué)量。通過流場自身維持其穩(wěn)定性。
7） 6個(gè)進(jìn)氣口邊界，每一個(gè)進(jìn)氣口均保其流量固定在20m3/分（STP）。
8） 假設(shè)每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格在每個(gè)時(shí)間步達(dá)到熱力學(xué)平衡。
9） 僅考慮并假設(shè)初噴階段噴入純氧。
10） 假設(shè)鋼液溫度升高與Time AOD2的數(shù)據(jù)回歸成線性關(guān)系。
11） 噴射氣體采用鋼液瞬時(shí)溫度。
12） 脫碳起點(diǎn)為計(jì)算始點(diǎn)，鋼液溫度達(dá)到2000K時(shí)為計(jì)算終止點(diǎn)。
13） 假設(shè)電弧爐完全加入預(yù)熱廢話鋼。
14） 使用PHOEWtcs商業(yè)軟件和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫Thermo-Calc執(zhí)行計(jì)算。
2.2傳輸方程
下列傳輸議程用于任何相之間的任何物質(zhì)的傳輸：
（1）
式中αi為相體積百分?jǐn)?shù)，Pi為相密度，Vi為相速度矢量，D0k為物質(zhì)K的擴(kuò)散系數(shù)，μi為湍流態(tài)粘滯性，Sct為測流施密特準(zhǔn)數(shù)（此處假定為1）。
2.3特性
元素的擴(kuò)散系數(shù)和初始化學(xué)成分分別見表1和表2。注意，分析的鋼試樣來自工業(yè)電弧爐冶煉。此分析為未加高C-Cr鐵的初始分析。所以，C和Cr的濃度通常低于實(shí)際鋼水。分析試樣中的含碳量低于1%。
表1 擴(kuò)散系數(shù)
元素
C（g）
O（g）
O（Fe）
Ni（Fe）
Cr（Fe）
C（Fe）
DKO，m2/s
3.89×10-4
3.89×10-4
1.50×10-8
4.91×10-9
4.56×10-9
9.90×10-9
參考值
31
31
32
32
32
32
表2 不同元素和化合物初始成分
元素
C
Cr
Ni
Fe
O
鋼
0.6
14.19
8.7
76.497
0.013
氣體
40.75
0.0029
0.0039
0.00017
59.2403
氧化物
Cr2O3
NiO
FeO
Fe2O3
Fe3O4
0
0
0
0
0
液相由鋼水和渣液組成并假設(shè)鋼水和渣液的溫度（K）成下列線性關(guān)系：T=0.4709t+1813.7 (2)
式中t為模擬時(shí)間（s）。線性關(guān)系式通過Time AOD2模型回歸獲得，溫度考慮了化學(xué)反應(yīng)熱以及氣體和爐渣的冷卻作用。另外，假設(shè)整個(gè)范圍內(nèi)的溫度恒定。
2.4熱力學(xué)
使用Thermo-Calc軟件文本S執(zhí)行熱力學(xué)計(jì)算。數(shù)據(jù)庫TCMSI1和SSUB4分別用于鋼液、爐渣和氣體。Thermo-Calc是一個(gè)總軟件包適用于多組元平衡計(jì)算，吉布斯自由能的最小值則用于單組元平衡計(jì)算。
主要化學(xué)反應(yīng)見表3。注意，將所有反應(yīng)放置在一起，按任意秩序以獲得化合反應(yīng)。第一，輸入壓力、溫度、化學(xué)成分和相質(zhì)量作為非穩(wěn)定計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算參數(shù)。第二，計(jì)算每種獨(dú)立化合物的焓值。第三，假設(shè)一含熱量同時(shí)確定一輸入自變量以計(jì)算總平衡。最后，獲得多種新的化合物的成分及總量。
表3 模型中精煉時(shí)的化學(xué)反應(yīng)
本次研究中，熱力學(xué)系統(tǒng)由Fe、Cr、Ni、C和O組成。系統(tǒng)分成氣體、液體和所有這引起元素可能生成的氧化物FeO、Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3和NiO。雖然這引起元素被轉(zhuǎn)移，但還是會(huì)形成一群氣體物質(zhì)，見表4。
表4 用于熱力學(xué)計(jì)標(biāo)的氣體組分
C
CO
CO2
C2
C2O
C3
C3O2
C4
C4NiO4
C5
C5FeO5
C60
Cr
CrO
CrO2
CrO3
Cr2
Cr2O
Cr2O2
Cr2O3
Fe
FeO
FeO2
Fe2
Ni
NiO
Ni2
O
O2
O3
2.5 偶合
Thermo-Calc和PHOENICS之間的接口是一個(gè)人們熟知的接口TQ。它是一個(gè)在Thermo-Calc軟件包內(nèi)執(zhí)行Thermo-Calc自身語言功能的接口，可快速而準(zhǔn)確地執(zhí)行熱力學(xué)計(jì)算。
模型的CFD部分執(zhí)行反應(yīng)產(chǎn)物和元素的對(duì)流及擴(kuò)散計(jì)算。在每一個(gè)水平網(wǎng)格平面內(nèi)，如果條件滿足，可在平面風(fēng)格位置內(nèi)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。在一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格中的氣體體積如果在20%-99.5%，這個(gè)網(wǎng)格將發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)氣體化學(xué)成分的變化達(dá)到或超過5%時(shí)，開始每一時(shí)間步驟的平衡計(jì)算。
3 結(jié)果
圖3為計(jì)算碳含量隨時(shí)間的變化圖線。數(shù)據(jù)來自作者模型模擬和Time AOD2模型預(yù)測。按下式執(zhí)行碳濃度計(jì)算：
（3）
式中fc，i為網(wǎng)格i中的含碳量百分?jǐn)?shù)，P是網(wǎng)格i的密度，αi是網(wǎng)格i的相體積百分?jǐn)?shù)，Vi是網(wǎng)格i體積。
比較圖3中的兩曲線可見他們大體上是相似的，更準(zhǔn)確地說是含碳量隨著處理時(shí)間的增加而減少。直到大約1.5min，Time AOD2預(yù)測的含碳量更低一些。此后，通用模型預(yù)測的含碳量低于Time AOD2模型。曲線第一部分，含碳量隨著溫度的升高和處理時(shí)間的延長出現(xiàn)緩慢降低。脫碳約2min后，可見曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)的碳含量以相似于指數(shù)的方式降低。
圖 預(yù)測含C量隨時(shí)間變化曲線
觀察轉(zhuǎn)爐垂直平面內(nèi)在不同時(shí)間（1，3，6分）碳的等值線發(fā)現(xiàn)，脫碳1min后進(jìn)氣口外碳出現(xiàn)濃度梯度，由于此外氧量很高使碳濃度變得較低。位于氧氣進(jìn)口對(duì)立面的非進(jìn)氣口，此時(shí)的碳濃度仍然很高說明碳濃度未受到噴氧影響。脫碳3min后，原始低碳濃度區(qū)擴(kuò)大，非進(jìn)氣口區(qū)域的碳濃度降低。脫碳6min后，碳濃度梯度已混合，局部碳濃度與整個(gè)轉(zhuǎn)爐碳濃度之差僅為5%。
觀察轉(zhuǎn)爐XZ平面內(nèi)的CO（g）和CO2（g）在不同時(shí)間（1，3，6min）的濃度發(fā)現(xiàn)，整個(gè)鋼液中的氣體組成相當(dāng)均勻。僅CO2（g）的濃度會(huì)隨時(shí)間的延長而發(fā)生微量變化即從1.0%增加到1.6%。
在AOD轉(zhuǎn)爐中，通常用脫碳效率（CRE）作為衡量爐子的脫碳能力，并定義為：CRE=Oco/Otoc×100% （4）
式中Oco為O與C反應(yīng)并假設(shè)僅生成CO（g）時(shí)消耗的總O量，Otot為輸入轉(zhuǎn)爐內(nèi)的總O量。
觀察CRE隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線可以看到，Time AOD模型計(jì)算CRE值初期增加極快，但僅到1min。然而，通用模型預(yù)測CRE增加值卻持續(xù)到1.5min。Time AOD2與通用模型的最大脫碳效率CRE分別為75%和90%，且均出現(xiàn)在2min后。4min后兩曲線再次重合，5min后又一次各自分裂。
壓力對(duì)C-Cr-O局部平衡的影響見的基礎(chǔ)是Cr2O3和CO形成之間的聯(lián)合平衡，其反應(yīng)式為：Cr2O3(s)+3C←→2Cr+3CO（g） （5）
3討論
將上述方案用于模型不可能實(shí)現(xiàn)由Reichel和Szekely前面提到的單一臨界碳濃度。通過假設(shè)一局部平衡，由傳輸議程提供一個(gè)與氣體十分接近而又適宜的碳濃度。結(jié)果可使臨界碳濃度變成一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍（取決于局部熱力學(xué)性質(zhì)等）。此外，從轉(zhuǎn)爐垂直平面內(nèi)不同時(shí)間（1，3，6min）碳的等值線發(fā)現(xiàn)，經(jīng)相當(dāng)長的時(shí)間后碳濃度梯度的減小說明，碳的動(dòng)態(tài)范圍與反應(yīng)區(qū)高碳濃度之間在經(jīng)歷著相互滲透和融合。應(yīng)當(dāng)注意，等值曲線僅代表轉(zhuǎn)爐內(nèi)小范圍（立方厘米）的平衡。為此，當(dāng)整個(gè)轉(zhuǎn)爐處于非平衡狀態(tài)時(shí)，可研究某個(gè)局部平衡。Jarvinan等研究證實(shí)，單個(gè)氣泡平衡的時(shí)標(biāo)約為0.06s。然而，如果時(shí)標(biāo)更短，F(xiàn)e可能發(fā)生瞬時(shí)氧化且在Rao和Robertson開展懸浮液滴模擬AOD工藝時(shí)氧與鋼液反應(yīng)中得到證實(shí)。
許多研究證明，壓力影響碳的平衡濃度，降低脫碳?jí)毫商岣呙撎妓俣�。因�(yàn)槊撎际茄跖c碳之間的化學(xué)反應(yīng)且反應(yīng)區(qū)很可能與氣體卷流十分接近。由于局部壓力的降低可能導(dǎo)致氧氣直接脫碳速度的增高。模擬發(fā)現(xiàn)碳的氧化發(fā)生在進(jìn)氣口外面，與Fruehan早期的發(fā)現(xiàn)相反。模擬期間未發(fā)現(xiàn)平衡產(chǎn)品中有FeO存在，與其他研究成果相符合。如果考慮更短的時(shí)標(biāo)，仍有可能生成FeO。
脫碳初期，CRE出現(xiàn)下降點(diǎn)是因?yàn)閷?duì)模型進(jìn)行了清除并給模型充入100%的CO。此后，由于溫度升高使CRE增高。在此點(diǎn)，當(dāng)噴入的所有氧氣被碳的氧化全部耗盡時(shí)，整個(gè)氣體/金屬反應(yīng)區(qū)達(dá)到平衡濃度。在此點(diǎn)，脫碳速度未受供氧的影響是由于轉(zhuǎn)爐內(nèi)的碳是從高濃度區(qū)傳輸?shù)胶瑲鈪^(qū)具有較高的傳輸速度。
討論有限選擇模型中的Fe、Cr、Ni、C和O元素是很有意義的。不限制Si含量，因?yàn)樗诔跗诿撎贾械淖饔檬种匾�。更�?zhǔn)確地說，Si與O反應(yīng)生成SiO2是放熱反應(yīng)，放出的熱量有利于脫碳反應(yīng)提速。在將來解釋能量方程時(shí)可獲得不同的結(jié)果和展現(xiàn)出其他的現(xiàn)象。即使不考慮Si的反應(yīng)熱和脫S，Si對(duì)脫碳也是有一定促進(jìn)作用的。
4結(jié)論
包括熱力學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的AOD轉(zhuǎn)爐噴氣數(shù)學(xué)模型已研發(fā)成功。使用證明，使用模型預(yù)測AOD轉(zhuǎn)爐噴氣脫碳第一階段的結(jié)果與工業(yè)過程控制模型獲得的結(jié)果十分一致。除此之外，使用開發(fā)成功的數(shù)學(xué)模型預(yù)測轉(zhuǎn)爐AOD脫碳還有以下重要發(fā)現(xiàn)：1）模擬脫碳初期出現(xiàn)很大的碳濃度梯度且隨著脫碳終點(diǎn)的逼近而逐漸減�。�2）模型展現(xiàn)的結(jié)果與其他研究者獲得的結(jié)果和熱力學(xué)理論相符即局部脫碳速度隨著壓力的升高而降低；3）AOD工藝可通過近似于轉(zhuǎn)爐主體鋼液平衡碳濃度的單一平均壓力進(jìn)行描述；4）在提供的熱力學(xué)條件下，模型中未發(fā)現(xiàn)有FeO形成。。
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