低碳清洁钢冶炼细节研究

刘晓鸿　杨再华

摘 要：减少夹杂物，保持高洁净度，这些都是低碳清洁钢生产过程中存在着较大的难题，但是国内存在着较大的低碳清洁钢的用量要求，所以需要在生产过程中降低冶炼过程中其他因素对于低碳清洁钢冶炼的影响，实验中使用清洁钢超低碳作为原材料，通过复合锤炼转录技术进行清洁钢低碳的冶炼，同时精细化低碳钢加工工艺，利用RH真空处理技术进行混合特性环流研究。减少夹杂物，保持高洁净度，这些都是低碳清洁钢生产过程中存在着较大的难题，但是国内存在着较大的低碳清洁钢的用量要求，所以需要在生产过程中降低冶炼过程中其他因素对于低碳清洁钢冶炼的影响，实验中使用清洁钢超低碳作为原材料，通过复合锤炼转录技术进行清洁钢低碳的冶炼，同时精细化低碳钢加工工艺，利用RH真空处理技术进行混合特性环流研究。

关键词：脱碳化；脱磷；复合吹炼

一 转炉复合吹炼和低碳清洁钢

1 转炉复合吹炼技术特征

复合吹炼转炉技术是在上个世纪欧洲在对于氧气顶吹炉的改造发生而来，复合吹炼转炉有着相对明显的特征，这主要包括着吹炼的气体多是惰性气体，利用惰性气体促进反应发生，抑制反应区过氧化；吹炼时进行搅拌处理加速反应进行，扩大反应接触面积。这种技术在一定程度上降低了炉渣转换不均匀的特点们能够降低渣钢与吹损之间存在的状态上的不平衡，可以很大程度上使得熔池内部的氧化性收到了抑制，能够有效提升最终脱硫效果的进程与成材钢水的质量保证。

对于这项复吹转炉技术开发以来，受到了世界各大钢厂的改进与应用开发，目前在各大钢厂通过研究已经改造出了超过20种的吹炼复合模式。国内外对于钢炼转炉底吹使用的大多都是惰性气体，这就使得钢厂会进行对于底吹装置的再研究与精准开发，使得底吹吹气气流量可以在一定程度内进行受到调节，以此来促进反应的充分发生，并且通过可调节的转炉满足更多需求的低碳清洁钢冶炼需求。

2 转炉熔池中的碳氧反应

清洁钢冶炼过程中碳氧反应是贯穿始终的，碳氧反应同样的也会对于锰、磷等元素反应进行一定程度上的影响。脱碳反应整个过程是在钢液进行反应到CO过程中的相对临界反应，吹入的氧气供给钢中的【O】，所以通过动力学定律可知，当供养强度与界面积发生变化时，脱碳反应也会因此发生较大变化。

整个转炉冶炼过程分为三个主要阶段：

首先是刚水温度较低的阶段，非金属杂质（硅，锰等）会发生氧化反应，会直接抑制脱碳反应的发生，但随着温度的逐渐提升，脱碳速度也会因此变得更快；第二个阶段属于平稳发展阶段，这个阶段随着温度提升，被吹进的氧气全部被用于脱碳反应，所以会造成C被大量脱离，第三个阶段属于反应发生后期，C含量降低，造成氧气充入后不会和大量碳进行反应，造成脱碳速度降低。

3 转炉脱碳过程中的脱磷技术

磷含量会对于低碳清洁钢的冶炼造成较大的危害，首先是会使得清洁钢的物理属性发生变化，磷含量过高会直接导致清洁钢易折断，所以需要在冶炼清洁钢的过程中降低清洁钢内部中的磷含量，国内外钢厂对于脱磷工艺来说有着较为一致的，主要使用大罐喷吹脱磷技术，细分为喷吹石灰体系与喷吹苏打粉体系两种方式，两种方式都可以将最终铁水中的磷元素含量降低到0.01wt%以下。

转炉复吹技术能够相对较为简单的实现脱磷的目的，而且对于脱磷的效果展示较好，呈现的炉渣氧化性较低，由于这些优点国内外清洁钢冶炼钢厂更愿意使用经过改造后的复吹转炉技术进行脱磷。

二 低碳钢精炼技术

1 真空处理工作原理

清洁低碳钢冶炼需要进行脱气装置的设置，与其他市面上的脱气装置相比，在1958年海罗尔斯公司发明的RH真空脱气法处理脱气能力更大，实现目的周期更短，脱气整体效果更好，所以本文主要研究RH真空脱气法来进行的脱碳脱气作用。

RH真空脱氣法是利用气泡泵的原理进行统一工作的，当真空室里面的空气被抽挤出去后，钢水会随着压强的变化而向着真空室进行流转，与此同时由上升管进入负责驱动的惰性气体在清洁低碳钢冶炼过程中膨胀压缩，在RH中的气泡的推动作用下，钢液也会被挤压到真空室；随着钢水向着真空室流动，气泡出现破裂，抑制驱动力上升，所以在真空室的钢水被压力作用下留回液体表面。在整个过程中，气体与液体表面的临界面发生许多反应，气体被外来真空抽走，所以钢水会随着重力的效果进入钢包，钢包与钢水在不断地根据压强的变化而变化，重复以往实现RH真空脱气法。

2 真空脱碳反应基础

生产清洁低碳钢首要任务就是脱碳，RH装置也会实现这一目的，国内外学者对于整个脱碳过程进行建模处理，主要的模型分为两种：

1）质量平衡模型

模型建立要首先提出假设，质量平衡模型假设主要有以下几点：钢水与真空室内部存在的钢包完全融合；真空室内部发生着全部的脱碳反应；选择性的忽略气相侧内CO的传质。

该模型的优点在于着重的考虑氧的传质控制流程，对于碳氧临界反应能够做出及时回应，当【C】>0.66【O】时，传质着的氧会变成脱碳速率调控环节。

2）脱碳反应区模型

整个RH脱碳真空反应都是发生在惰性气体的气泡表面，碳氧反应生成的CO气泡的表面与钢液-气表面三个位置，但是在整个实际操作过程中会发现，钢水中存在着更高于钢中【C】的【O】，所以通过氧传质无法真正表达脱碳限制化环节，所以要进行三个位置的三种脱碳反应的设置模型。

3 快速深脱碳技术

在对于脱碳速率过程方程中可以明显看出，脱碳速率与多个外界因素有关，分别是碳氧浓度、真空度、钢水流动速度以及体积传质系数等等，所以研究快速深脱碳技术首先就要对于逐个因素进行分析，首先是钢水流动循环速度。

通过脱氮平衡方程可以明显看出钢水流动循环速度与流量体积分数是存在关系的，当钢水流动循环大的时候，脱碳的整体速率会变得更大。所以为了深脱碳，可以进行管内径的扩大，同时加速惰性气体的流量，可以有效的降低脱碳所需时间，控制住碳含量。

三RH真空处理的环流与混合特性研究

1 研究原理

根据建模的相似理论要求，原型与模型之间必须要存在满足几何与动力两个方面的相似，几何相似的意义在于要满足整个模型是按照原型的一定比例上缩小建立的，真空室与钢包的整个体系是根据气泡浮力进行的动力学模型，整个实验以水进行对于刚也得模拟，以空气进行对于惰性气体的模拟进行试验，通过Froude准数进行数据分析，

2 研究装置

实验装置分为三个部分，分别为供气部分，真空部分与数据采集部分，在供气部分主要使用空气储存罐，压力计数表，调节阀等设备；在真空设备中主要组成部分由真空泵、真空压力计与气体调节装置等；在数据采集部分由电导仪与计算机进行组成，组成效果如下：

3 研究方案

1）水模实验方案

水模实验方案主要是进行对于钢包液化过程进行统一观察与数据采集，根据整体气体流动循环出现的变量输入进行对于气体流量的变量输出。变量觀察主要依靠示踪粒子，通过追踪示踪粒子来进行对于整体流谱的观察与实现，整体实验过程需要使用多墨汁进行对于数据的体现。

2）RH装置混匀时间方案

RH装置的混匀时间很难通过时间计表进行采集，主要是因为难以抓住开始与结束的标志性记点，所以需要在150RH上进行实验，实验的示踪粒子才去的是不容易被实验氧化的元素，一般使用的是Cu离子，每隔十秒进行对于钢包的采样，采样次数为36次并且记录每次采样的时间。

4 研究结果与讨论

实验结果就是气泡的大量出现，在空气吹入实验装置过程中出现大量气泡，这些气泡漂浮，破碎驱动着钢水进行向着真空室流向，又经过重力作用流转回到钢包形成一个有效循环。

实验发现气泡大小会一定程度上的影响实验结果，首先当空气吹入量较小时，气泡会分散成较多的气泡粒，这些气泡粒会在壁管内外部进行附着聚集，这样就在一定程度上表明清洁低碳钢需要进行气体流量的扩大，用来降低气泡对于实验整体结果的负面影响。

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