CAS-OB炼钢工艺与影响因素
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cas-ob精炼工艺因其操作费用低且操作简单,钢水升温迅速,能准确的调整钢水化学成分,具有较高合金收得率,在世界各地钢厂得到了广泛的应用。经过几十年的发展和改进,CAS-OB精炼技术有了进一步的提高。为了完善该工艺,人们对钢包内混匀时间、流场变化特点、包内传热及温度变化特点、包内渣-金反应等冶金机理进行了大量研究。目前,对CAS-OB精炼过程的冶金行为的研究主要采用热态模拟、冷态模拟、数值模拟等方法,在实验室内则大多通过数值模拟和物理模拟来对CAS-OB冶金机理进行研究。
1 主要研究方法
CAS-OB精炼过程是1个涉及熔池内部传热、传质、渣-金反应的多相物理化学变化过程,很难直接对熔池内部进行全面的研究。数值模拟技术因其在控制性和重复性的优势得到了广泛的应用。数值模拟CAS-OB过程中对气液两相区结构的处理尤其是对含气率分布处理的好坏对计算结果有较大的影响。在处理气液两相区的方法上,有采用欧拉两相模型将两相区内气体和钢液都处理为连续相的[1],有将气液两相流视为准单相流,或基于双流体模型的[2],也有将钢包内的钢液和氩气泡看作是变密度的一相,利用空间变密度的均相流模型来模拟气-液两相区结构的[3]。在数值模拟过程中,一般遵循如下步骤。
1)提出假设条件:认为气泡上浮过程中,气泡的浮力是驱动钢液循环流动的主要驱动力;钢包吹氩过程中,气液两相区的含气率由实验关系式确定;忽略温度对流场的影响;不考虑钢包表面熔渣层的影响。
2)选择控制方程:一般包括相连续性方程,相动量守恒方程,湍流模型,相应的双相或变密度单相模型。
3)确定边界条件及初始条件然后求解:对于壁面边界,在固体壁面处,满足无滑移边界条件,对壁面附近的区域,采用壁函数法处理;对于熔池表面,一般处理为自由表面。冷态模拟实验一般根据几何相似的原则制作模型装置。底吹气体采用压缩空气模拟氩气,底吹塞选用模拟实际钢包中的狭缝型和直通多微孔型透气塞,采用机油或煤油,或者2种油混合配制的方法获得在粘性上与熔渣相似的介质[4]。通过修正佛鲁德准数Fr′计算冷态模型与原型之间操作参数的关系,通过上述计算结果得到操作参数以保证运动相似和动力相似。在实验中通过改变有无浸罩、浸罩内径大小、浸罩插入深度、底吹气流量大小、底吹位置、底吹透气塞种类与数量,得到不同的相关关系和规律。文献[5]利用纸屑作为示踪剂,在片光源下观察和拍照以研究钢包内流场;也有采用二维多普勒激光测速仪LDV测定ANS-OB物理模型中的速度场[6]。
2 钢包内搅拌情况的研究
2.1 钢包底吹氩
钢包底吹氩是1个气体搅拌液态金属的过程,包括射流进入、气泡形成、分散、上浮、逸出液面及由此产生的传质、循环流动、夹杂物排除等系列过程。底吹氩主要有均匀成分、均匀温度、加速传质、加强传热、排除夹杂、改善精炼炉内气氛等作用。底吹效果主要受底吹气量的大小、底吹位置、底吹透气砖种类、浸罩插入位置和深度几大因素的影响。底吹效果的好坏大大影响精炼效果。在钢包内,气液两相流股中气泡上浮的浮力是驱动液体循环流动的主要因素[7]。在CAS-OB精炼过程中,底吹惰性气体进入熔池后,立即形成气泡群上浮,气泡上升至中间段浮力与阻力相平衡时才基本以等速上升。在气泡的上升过程中,上浮气泡驱使钢液跟随气流向上流动,随着上浮液体量的增加,气泡向钢包壁逐渐偏移,上升气-液两相流股的直径也逐渐增大,当上升至液面时,气泡从液面逸出,液体开始向四周流去,从而形成循环流。目前,全浮力模型能较好地描述钢包底吹惰性气体的特点。钢包底吹惰性气体时原始动量很小,与原始动量很大、喷入液体后速度迅速衰减的喷射流有明显的区别。文献[8]在全浮力模型的基础上,用热膜探针、自制电位探针和微机控制组成的在线测量系统对底吹过程喷射区的含气率分布及气液上升速度的分布进行了模拟实验研究。该模型能较好地模拟上升初始段及中间段的气泡上升速度,但尚不能较好反映近液面处一段的实际情况。
2.2 CAS-OB钢包内混匀时间的研究
在CAS-OB处理过程中,针对不同处理阶段和不同处理要求采用不同搅拌方式,即浸罩浸入深度、底吹氩气之间优化配合,才能达到良好的处理效果。CAS钢包底吹搅拌效果与普通钢包有较大不同,其主要原因是由于浸罩浸入钢水后使底吹搅拌钢水的循环流动状态发生了变化。根据文献中对CAS混匀时间的研究,浸罩插入深度、浸罩直径、底吹气量、底吹位置对混匀时间都有影响。
2.2.1 浸罩插入深度的影响
CAS钢包浸罩的插入,对包内的混合和流动产生了决定性的影响。根据研究结果,浸罩深度对混匀时间有2种不同的结论:1种观点认为随着浸罩深度的增加,熔池的混匀时间变长;另1种观点认为随着浸罩深度的增加,熔池的混匀时间先缩短后变长。文献[9]研究表明浸罩深度越浅,浸罩直径越小,熔池的混匀越快。文献[10]研究了在有浸罩插入条件下钢包中不同区域的混匀情况,研究表明在有浸罩插入的条件下熔池的混匀时间变长,并且气体流量对混匀的影响程度减弱。文献[11]研究表明中等大小的浸罩可以获得较短的混匀时间,随着插入深度的增加,混匀时间具有先降低后增加的特点,转折点处浸罩深度为熔池深度的6 %~7.2 %,当浸罩深度在熔池深度10 %时浸罩壁下降流开始垂直向下。文献[12]以无因次准数作为模型和原型之间的相似准数,研究认为:浸罩深度越深,混匀时间越长,偏心底吹能使搅拌得到改善,偏罩操作能进一步改善CAS设备的搅拌效果。并提出CAS操作的最佳模式为使用大高宽比钢包,进行偏心底吹和偏罩操作。
2.2.2 浸罩直径的影响
研究表明随着浸罩直径的增加熔池的混匀时间变长,但并未指出浸罩直径的范围。文献[13]等的研究表明D/DL(浸罩直径与熔池液面直径比)范围在0.325~0.584内时,中等直径的浸罩即D/DL=0.455时混匀时间最短。
2.2.3 底吹位置的影响
在CAS条件下底吹位置对熔池的混匀时间也有明显的影响,研究表明偏心底吹条件下熔池的混匀时间短于中心底吹。文献[14]利用水力学模型研究了底吹位置对110 t ANS-OB熔池混匀效果的影响,研究表明在有浸罩条件下偏心底吹优于中心底吹。文献[15]研究认为: CAS-OB喷粉精炼熔池中,喷吹远离浸罩的过程中均混时间先减少后增加;且喷吹位置离罩越远,喷吹对混匀时间的影响占主导地位,而罩插入深度的影响减弱,在喷吹插入深度一定的情况下,喷吹位置距钢包中心0.6R(R为熔池底部半径)处混匀时间最少。
2.3 CAS-OB钢包内流场的研究
浸罩对钢包内钢水流动特性有很大的影响。无浸罩时,钢包内钢水运动剧烈,卷渣现象比较严重;插入浸罩后,熔池内钢水的流动会相应地产生变化。文献[16]等指出CAS熔池内流体流动具有“离罩流股向外显著扩张”的特点。文献[17]研究表明包内流体在钢包内形成浸罩内和浸罩外的2个流动区,浸罩深度的增加会使浸罩内部的流动增强。随着浸渍罩插入钢水深度的增加,出现2个循环流区:1个为主流区;1个为副流区。插入浸罩深度过大时,靠近钢包壁附近的钢水会形成向上的流动。研究表明浸罩的下方和外壁区域附近形成两大两小运动方向相反的循环流;包内两相区域流体流动速度较大,浸罩外壁区域流动速度较小,浸罩的存在增加了浸罩下部的湍动,减弱了浸罩外壁区域的湍动,且浸罩插入深度较浅时有利于钢包的整体混匀。CAS钢包内的流场和普通钢包有很大的区别。由于浸罩的插入阻挡了熔池表面的水平流动,使得浸罩外侧的熔池部分很难得到搅拌,对于整个熔池来说大致可以分为浸罩下方的大循环流和浸罩外侧的小循环流两部分,浸罩的插入深度对这2个循环流的位置和强弱都有较大的影响。同时,根据现场浸罩的不对称侵蚀说明其内部的高温气液流是不对称的[18],上升的高温气液流偏向钢包中心一侧,钢包采用中心底吹时,气泡垂直上升,熔池在气泡泵作用下形成对称循环流场,钢包偏心底吹时,在底吹气量较小条件下,气泡垂直上升,随着底吹气量增加到一定程度,气泡在上升过程中向钢包中心偏移,其偏移程度与底吹气量和底吹位置有关:气泡偏移量随着底吹位置偏心程度增加而增加,随着底吹气量增加也会增加。
3 钢包内温度变化及传热的研究
CAS-OB采用化学加热法,在进行升温操作过程中,由加料系统加入铝丸及FeSi等作为发热剂与顶吹氧枪喷射的氧气反应,利用产生的化学热加热表面钢水,同时顶部被加热的钢水被底吹氩气产生的循环流带入钢包中,使整个钢包内的钢水温度快速升高。在实际生产中,供氧强度和加铝丸的速度需要根据升温速度而定。同时氧枪枪位的高低对升温效果有一定影响,尤其是对钢水成分影响很大。氧枪枪位过低,易造成钢水中硅、锰元素的烧损。文献[19]根据能量守恒建立数学模型,该模型考虑单位时间内的热收入和热支出,包括:喷入氩气的加热消耗、喷入粉料(CaO、CaSi、Al、Al2O3、12CaO•7Al2O3等)的加热消耗、浸渍罩的加热消耗、化学反应热效应(脱氧、脱硫、成渣)、包口散热和包衬蓄热这5个因素。模型计算结果表明,喷吹气体和成渣导致的钢液温降很小基本可以忽略,而且钢液初始温度对过程温降的影响很小。在喷吹粉剂量一定的情况下,液面因为底吹产生的未被渣覆盖的部分以及钢包烘烤温度过低是引起钢液温降的主要因素。部分钢液的温降速度比被顶渣覆盖的部分快1倍左右。文献[20]对CAS-OB熔池温度分布规律进行数学模拟研究,得出结论:钢包内的传热过程取决于包内的流动方式,其中对流传热占主导地位;CAS-OB钢包的下部升温速度由中心向包壁方向递增,而上部则相反;浸罩插入深度对熔池的传热产生影响,浸罩插入深度浅的提温效果较好。
4 钢包渣-金传质的研究
4.1 卷渣情况的研究
在CAS-OB精炼过程中,顶渣的氧化性和渣层厚度、浸罩内残留渣量会影响合金收得率。在精炼初期,底吹氩排渣出的钢液面直径需要大于浸罩内径,这样能保证在下罩后浸罩内无渣或少渣。但是,如果吹氩量过大,会造成钢液表面的渣卷入钢液内部。如果吹氩量过小,罩内残留熔渣较多,必然造成由于与熔渣中FeO反应而使升温处理所需铝丸的消耗量增加,同时由于熔渣的导热性远低于钢水,残留在浸罩内熔渣过多会大大影响升温效率,同时也影响合金收得率。在钢包底吹过程中,当底吹气体流量超过临界流量时,渣-钢界面开始产生卷渣现象。文献[21]通过110 t ANS-OB钢包冷态实验研究结果表明,浸罩深度越浅,底吹气体流量越大,浸罩内残渣排除速度越快。文献[22]通过水模实验得出结论:为避免吹氩搅拌时发生卷渣现象,不仅需要满足流体流动的惯性力不大于渣-钢界面张力加由密度差引起的浮力,同时还应考虑惯性力方向这一因素。底吹排渣能力随渣层厚度的增加而减弱,随底吹流量值的增大而增大,底吹位置对排渣能力没有大的影响。
4.2 影响渣-金传质的因素
通过底吹氩气将高氧化性渣排除干净,浸罩内易形成还原气氛;在浸罩内吹氧时形成高温点火区,有利于罩内锰矿的还原;底吹气体使浸罩内产生强搅拌作用,促进还原反应;同时在钢包内形成中等强度的搅拌,有利于还原的锰向钢水主体扩散;CAS初期的排渣操作,抑制了钢水的回磷和回硫。处理过程中添加的合金从浸罩内直接加入到钢水中,避免了合金与强氧化性炉渣的接触,而普通底吹氩添加合金时,合金要先通过顶渣才能进入钢水中,因此铝等密度小的合金会大量损失于炉渣中。对渣钢间传质的研究通常采用冷态模拟的方法,以互不相溶的液体来模拟钢水和钢渣。对传质系数的测定用的较多的方法是加入示踪剂,以萃取过程来模拟渣钢之间的传质,通过测定不同条件下示踪剂的质量浓度变化,从而得到两相之间的传质系数。
4.2.1 底吹流量对传质的影响
气体流量对传质系数有显著的影响。渣钢间传质系数与气体流量之间的关系可以分为2个部分讨论[23]:在低流量区,传质系数受气量的影响较小,随着气量的增加,传质系数的增加速度较小;在高流量区,传质系数随着气体流量的增加,其增加速度显著提高。随着气体流量的增加,钢液与钢渣之间的相对流速也随之增加,当气体流量达到一定大小时,渣层会产生细小的渣滴并进入到钢水中,即发生了卷渣现象。由于细小渣滴的形成,使得渣钢之间的接触面积显著提高,渣钢间的反应速度也会随之提高。文献[24]认为底吹流量的增大一方面加大了熔池的搅拌能,加快了钢水和渣中物质的扩散;另一方面促进了渣钢之间的卷混,增加了渣钢间的接触面积,因此增加底吹流量能有效地加快传质过程。
4.2.2 其他因素对传质的影响
除了气体流量对钢包中渣钢间传质系数有较大影响之外,底吹位置、渣钢体积比、渣钢密度比、渣钢界面张力等对渣钢间反应速度也有一定的影响。研究结果表明,在钢包中采用中心喷吹比偏心喷吹能获得更大的传质系数,这是由于在中心喷吹时,渣层更容易形成小渣滴进入熔池,从而增加了反应面积,使传质系数提高。水模型研究表明在其他流量较低的时候,用于模拟顶渣的混合油的黏度对传质系数没有明显的影响,在高流量区时,较低黏度的油能获得较大的传质系数;增加渣量能增大传质速度,但对传质速度的增加作用随着初始渣量的增加而降低,同时,中心底吹时因被卷入水中的渣量更大,因此渣钢间的反应面积就更大,传质速度更快。
5 结 语
1)CAS-OB作为1种快速、灵活的精炼工艺,在整个钢铁生产过程中有其特有的优势。研究CAS-OB钢包内的冶金行为,能够获得改善熔池混匀和搅拌、提高升温效率等方面的数据和规律,从而更大限度地发挥CAS-OB精炼工艺的特点。
2)数值模拟和物理模拟是分析CAS-OB高温熔池内的物理行为十分有效的研究手段。通过物理模拟验证数值模拟的结果,再结合工业实验,人们得到了大量的有指导意义的数据和规律。
3)调研表明,CAS-OB熔池内还有一些特性需要进行深入研究,例如在钢包内熔池弱搅拌区(即死区)的分布、变化规律,包内死区间的差异,减少甚至消除死区影响的措施等方面还需要做出大量的研究。