（钢铁冶金专业论文）45号钢转炉冶炼质量控制的研究.pdf

摘要 我国钢材产品使用周期长，建筑用材多，废钢供应量小，制约了电炉钢的发 展，各转炉钢生产厂都把开发高附加值的特殊钢作为新的增效点。就目前特殊钢生 产技术而言，采用高炉一转炉一连铸流程生产碳素结构钢是特殊钢品种结构优化最 有前景的流程之一。 石家庄钢铁集团公司为降低成本进行了“高炉一转炉一连铸”生产4 5 号钢工艺 的开发，投入生产取得很好的经济效益。但因其成分( 主要是c 含量) 难以控制、钢 液结瘤、铸坯内在质量难以很好地保证等问题，使成材后性能不够稳定。 本文对“氧气顶吹转炉一炉外精炼一连铸”生产4 5 号钢的可行性和前景进行了 理论分析；采集了大量的现场数据，对石家庄钢铁集团公司转炉冶炼4 5 号钢过程中 所涉及到的一些重要的工艺参数进行了分析，为实际生产操作工艺参数的确定提出 了理论依据，使操作标准化。分析了4 5 号钢冶炼过程各工序总氧量与溶解氧的变化 规律，及显微夹杂和大型夹杂的数量变化。为进一步改进工艺、提高铸坯的清洁度 水平以及开发其他特殊钢提供了依掘。并应用p h o e n i c s 软件模拟l f 钢液流场， 利用n a v i e r s t o k e s 方程和, 2 一占双方程建立流动模型，进行数值计算，确定最佳底 吹氩位置，得到较合理的钢包流场，确保钢液化学成分、温度均匀，促使夹杂物上 浮和去除，为连铸工序提供优质钢液奠定技术基础。 为了解决终点碳难以控制的问题，氧气顶吹转炉采用增碳法冶炼4 5 号钢。通过 对l f 钢液流场模拟，综合考虑夹杂物的上浮去除、快速提温和成分均匀等的要 求，确定出最佳底吹氩位置为钢包底部距离中心0 4 r 0 4 5 r 处，提高了脱氧效果， 减少水口结瘤几率。石家庄钢铁集团公司改进工艺投入生产后，铸坯总氧含量由 o 0 0 6 9 降低到o0 0 4 6 ，降低了3 3 。 目前，石家庄钢铁集团公司有两座转炉交替进行4 5 号钢冶炼，其钢种兑现率可 达9 9 以上；l f 精炼后的钢液经中间包送连铸，铸坯成品率达9 9 。 关键词：4 5 号钢，转炉，l f ，总氧量，数学模拟 a b s t r a c t i no u rc o u n t r ys t e e lp r o d u c t se m p l o y e dp e r i o dl o n g ，t i m b e r i n gm o r ea n dt h es u p p l yo f s c r a p sl i r | el i m i t e dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cc o o k e r ，s om a n yc o n v e n e rp l a n t se x p l o i t e d s p e c i a ls t e e l sw i t hh i g ha d d i t i o n a lv a l u e sa s an e ww a yt o a t t a i ne c o n o m i cb e n e f i t a t p r e s e n t ，u s eb l a s tf u m a c e - c o n v e r t e r c o n t i n u ec a s t i n gp r o d u c i n gc a r b o ns t r u c t u r a ls t e e l si s o n eo f t h em o s tf u t u r ep r o c e s s e si ns p e c i a ls t e e lm a n u f a c t u r et e c h n i q u e s h ij i a z h u a n gi r o na n ds t e e lc o r p h a sd i s c u s s e dt h e “b l a s tf u r n a c e c o n v e r t e r 。c o n t i n u e c a s t i n g ”t e c h n i c sp r o d u c e4 5s t e e lf o rc o s ta n da t t a i n e db e t t e re c o n o m i cb e n e f i ta f t e rt h e p r o c e s sw a sp u ti n t ou s e b u tb e c a u s eo ft h eq u e s t i o n so ft h ec o m p o n e n t sd i f f i c u l tt o c o n t r o l ( m o s t l ycc o m p o n e n t ) ，l i q u i ds t e e l sc l o g g i n ga n dt h eq u a l i t yo fs l a bd i f f i c u l tt o e n s u r et h es l a b sc a p a b i l i t i e sa r e n o ts t a b i l i z a t i o n t h i sp a p e ra b s t r a c t l ya n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t ya n df u t u r eo ft h ep r o c e s so ft o pb l o w n o x y g e nc o n v e r t e r - s e c o n d a r yr e f i n i n g c o n t i n u ec a s t i n gp r o d u c i n g4 5s t e e l t h r o u g hl a r g e n u m b e r so fp r o d u c t i o nd a t a ，a n a l y z e dt h es o m ei m p o r t a n c et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h e p r o c e s so fc o n v e r t e rp r o d u c i n g4 5s t e e li ns h is t e e la n dp u tf o r w a r dt h ea c a d e m i cg i s tf o r a s c e r t a i nt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r s a n a l y z e dt h ee v o l v e m e n tr u l eo f t o t a lo x y g e nc o n t e n ta n ds o l v e do x y g e na n dt h ea m o u n tc h a n g eo fl a r g ei n c l u s i o n sa n d m i c r o i n c l u s i o n si n w o r k i n gp r o c e d u r eo fs m e l t i n g4 5s t e e l ，s u p p l i e db a s e s f o rt h e i m p r o v e m e n to ft e c h n i c sa n ds t e e lc l e a n l i n e s sa n dt h ee x p l o i t a t i o no fe l s es p e c i a ls t e e l s a p p l i e dp h o e n i c st os i m u l a t et h ef l o wf i e l do fl a d l e u s i n ge q u a t i o n so fh o m o g e n e o u s m o d e la n dt h ee q u a t i o n so fn a v i e r s t o k e sa n dk 一e s t a b l i s h e df l u x i o nm o d e l ， a c c o u n t i n gn u m e r i c a lv a l u eg o tt h em o r er a t i o n a l f l o wf i e l dt oi n s u r et h e u n i f o r m i t yo fl i q ujd s t e e la n dt e m p e r a t u r ea n du r g ei n c l u s i o n sr e m o v a l ， p r o v i d ee l i g i b l eli q u i ds t e e lf o rc o n t i n u ec a s t i n g t o pb l o w no x y g e nc o n v e r t e ra d o p t e dr e c a r b u r i z a t i o nt os m e l t4 5s t e e la n dr e s o l v e d t h ee n dc a r b o nd i f f e r e n tt oc o n t r 0 1 i no r d e rt or e m o v ei n c l u s i o n s ，r a p i d l yi n c r e a s et h e t e m p e r a t u r ea n du n i f o r mt h ec o m p o n e n to fl i q u i ds t e e l ，s i m u l a t e dt h ef l o wf i e l do fl i q u i d s t e e li nl f g o tt h eb e t t e rp o s i t i o no fa r g o nb o t t o mb l o ws t i r r i n gl a d l e0 4 r 0 4 5 rt o i m p r o v et h ee f f e c t0 fd e o x y g e n i z a t i o na n dr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fn o z z l ec l o g g i n g u s i n g t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nt o t a lo x y g e nc o n t e n to ft h es l a br e d u c e df r o m0 0 0 6 9 t o o 0 0 4 6 r e d u c e d3 3 i i a tp r e s e n t ，s h is t e e lh a v et o wc o n v e r t e r st oa l t e r n a t es m e l t4 5s t e e l t h er a t eo fs t e e lg r a d e se n s u r i n ge x c e e d e d9 9 ；a f t e rr e f i n i n g ，l i q u i ds t e e lw a ss e n t t oc o n t i n u ec a s t i n gv i at u n d i s h ，t h er a t eo fs l a by i e l dr e a c ht o9 9 k e y w o r d s ：4 5s t e e l ，c o n v e r t e r ，l a d l ef u r n a c e ，t 【0 】，m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了i 身 意。 签名： 日期：年一月一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名： 日期：年月一日 引言 目前，国内外炼钢主要有转炉和电炉两种工艺。由于转炉冶炼具有能耗低、冶 炼周期短、容量大、生产率高、成本低等优点，问世以后得到迅速发展；随着钢铁 产品增加，国外汽车业、加工业的迅速发展，废钢的供应量逐渐增加，利用投资 小，建设周期短的优点，近年世界发达国家的电炉钢生产量也有所增加。 我国的高附加值钢材产品基本集中在特钢厂的电炉钢上，但因为废钢供应量的 限制，造成了电炉钢生产量不能供应国内r 益增长的市场需要，而且我国电炉钢成 本较高、质量差、市场竞争力差。随着市场竞争日益加剧，各转炉钢生产厂开始开 发转炉一连铸生产碳素结构钢等特殊钢工艺。 采用转炉一连铸工艺生产碳素结构钢，可以提高钢材产品质量及使用性能，降 低生产成本、提高经济效益。因此，国内从前一阶段来看，由于采用转炉一连铸的 基本工艺，利用其高生产率和高成材率、低成本的优点，使初期开发的4 5 号钢在市 场上极具竞争力。随着国内经济的发展，各行业对钢材质量的要求同益提高，原来 的工艺设备生产的4 5 号钢质量很难满足市场需求。为此，国内转炉厂纷纷投资增加 铁水预处理和炉外精炼等设备，加强了转炉一连铸工艺技术的改造。以石钢为例， 在现有的转炉一连铸设备和工艺技术条件下，增加了l f 炉外精炼设备，开发研制 出了4 5 优、6 0 s i 。m n 、4 0 c r 和2 0 1 0 等转炉钢，目前转炉优质钢比例已达到6 0 ，其 中4 5 号优质碳素结构钢在全国占有率已达到3 0 。 氧气顶吹转炉炉外精炼一连铸生产4 5 号钢，是近几年新兴的一种生产工艺， 至今仍没有文章对这一生产流程做详尽的报道。在冶炼过程中存在着终点c 难控 制、钢液结瘤堵塞水口等问题，而且终点枪位的保持时间等还是凭经验操作，使钢 液成分、温度波动较大。随着市场对产品性能要求的逐渐提高，为了提高经济效 益、稳定市场，必须相应改善相关的工艺技术状况，提高产品质量。因此本文在现 有生产工艺设备的基础上，对转炉一连铸生产4 5 号钢工艺进行完善和优化，可以进 一步提高其内在质量，同时为开发冶炼其他特殊钢提供了理论依据和经验。 提高4 5 号钢产品质量，首先应是降低钢中夹杂物含量，提高钢液的纯净度，进而 更加有效地稳定钢材的力学性能指标。钢包底吹氩能有效均匀钢液成分及温度，促进 夹杂物上浮和去除，改善钢液质量。因此3 0 多年来，对于l f 钢液流场，国内外的 许多学者进行了大量的研究工作，但直接对l f 的数据仍嫌不足。本文分析了4 5 号 钢冶炼过程各工序总氧量与溶解氧的变化规律及夹杂物的数量变化，利用英国 c h a m 公司开发的商业软件p h o e n i c s 对l f 钢液的流动进行数值模拟，得出最佳 流场，提高钢液质量。 2 第一章文献综述 1 1 国内外4 5 号钢冶炼现状 4 5 号钢作为用途广泛的优质碳素结构钢，具有较高的强度和较好的切削加工性 能，经适当处理后，可获得一定的韧塑性和耐磨性，广泛应用于机械行业。 1 1 1 国外4 5 号钢冶炼现状 表1 1 国外生产4 5 号钢典型工艺流程 t a b l e l 1 f o r e i g nr e p r e s e n t a t i v ep r o c e s so f 4 5s t e e l 生产厂家工艺流程 日本山阳 日本大同知多厂 瑞典s k f 日本神户 日本川崎 日本爱知知多厂 日本住友 德国g f v l q q 法国a s c o m e t a l 意大利a b s 德国k r u p p 美国t i m k e n 强班牙s i d e n o r 德国蒂森k r e f e d 美国j & l 特钢 9 0 t u h p e a f e b t l f r h c c ( 立式3 流，3 7 0 m m 4 7 0 m m ) 7 0 t e a f - i j l f r h c c ( 弧型2 流，3 7 0 m mx4 8 0 m m ) i o o t e a f o b f s k f - m r i c ( 4 2 吨钢锭) t b m b o f a s e a - s k e c c ( 3 0 0 m mx4 3 0 m m h 或1 5 5 m mx1 5 5 m m ) t b m - b o f - l f r h - c c ( 4 0 0 m m 5 6 0 m m ) 8 0 t e a f v s c l f r h - c c ( 3 7 0 m mx4 8 0 m m 或1 9 5 m m 1 8 5 m m ) k r b o f v a d c c ( 4 l o m m x5 6 0 m m ) 1 2 5 t d ce a f ，e b f l f - v d - c c ( 2 0 0 m m x2 4 0 r a m ) 1 0 0 t e a f e b f l f r h - c c ( f o s ) i o o t e a f e b f - l f r h c c ( d u n e s ) 8 0 t e a f - l f - v d c c ( 2 8 0 m m x 2 8 0 m m ，牵2 2 0 3 2 5 m m ) e a f ( 1 0 5 t ) 一l f r h c c ( 6 流1 3 5 m m x1 3 5 m m 1 5 0 m m 1 5 0 m m ，2 6 5 m m x 2 6 5 m m ) 1 2 0 t e a f l f c c ( 2 8 0 m mx3 7 5 m m ) 7 0 t e a f l f v d c c ( 1 5 5 0 m m 1 5 5 m m ) 8 0 t e a f 一8 5 t a o d c c ( 1 5 0 m m 8 0 0 m m 2 8 0 1 6 0 0 m m 。2 0 0 m m x 2 6 0 m m 3 0 0 x 5 0 0 m m ) 1 0 0 t e a f f l 2 0 t a o d c c ( 单流板坯) 注e b f ：偏心底无渣出钢：v s c ：真空除渣；t b m ：铁水预处理；s k f m r s k f 的双壳熔炼炉；f w ：喂合金芯线。 3 - 一方面电炉短流程工艺具有投资省、见效快、建设周期短、占地面积小、生产 效率高、成本低、能耗低、环境污染小、产品质量好等诸多优点；另一方面随着钢 铁产品增加，国外汽车业、加工业的迅速发展，废钢的供应量逐渐增加，很多发达 国家采用电炉一精炼一连铸工艺流程生产4 5 号钢，表1 1 列出了国外生产4 5 号钢 典型工艺流程2 1 。 1 1 2 国内4 5 号钢冶炼现状 国内的高附加值钢材产品基本集中在特钢厂的电炉钢上，目前在我国4 5 号钢仍 主要以“电炉一模注一初轧开坯成材”工艺为主进行组织生产3 1 ，也有少量采用了 “电炉一连铸4 5 号钢”工艺，表1 2 列出了国内几家主要特钢厂的工艺流程【4 】o 表1 2 国内几家主要特钢厂的工艺流程 ! ! ! ! ! ! ：! ! ! ! ! ! 塑! ! ! ! 兰! 竺：! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! 竺一一 生产厂j j 艺流程主要品种及投产日期 1 2 转炉冶炼4 5 号钢的发展 目前，我国仍处于发展阶段，钢材产品使用周期长，建筑用材多，废钢供应量 小，制约了电炉钢的发展。而且由于特钢厂的电炉吨位较小，生产量不能供应国内 日益增长的市场需要；同时电炉的能耗高、原料杂质多，造成电炉钢成本较高、质 4 量差、市场竞争力差【5 1 。因此为降低成本，有的厂家进行了“转炉一连铸”生产工 艺的探讨【6 j 。 8 0 年代以来，随着铁水预处理技术的逐步发展，脱硅、脱硫、脱磷技术开发成功 并转入工业化生产，为转炉冶炼4 5 号钢提供低硫、磷铁水创造了条件。同时转炉顶底 复合吹炼技术日益完善，使转炉吹炼4 5 号钢的冶金条件更加优越。更重要的是炉外精 炼技术发展十分迅猛，大大缩短转炉冶炼时间，由于炉外精炼具有效率高、温度易控 制、钢液质量能保证等优点，为“转炉一精炼一连铸4 5 号钢工艺创造了条件【7 川】。目 前，国内转炉钢仍占有主导地位。采用转炉一连铸工艺生产4 5 号钢，不但可以提高钢 材产品质量及使用性能，降低生产成本、提高经济效益，同时由于转炉生产厂规模大， 具有完整的烟气净化、污水处理等环保措施，转炉钢充分代替电炉钢，也可消除电炉因 吨位小、环保措施不齐全带来的危害，减少对相关电网的冲击【1 2 l 。 从前一阶段来看，由于采用转炉一连铸的基本工艺，利用了其高生产率和高成 材率、低成本的优点，使初期开发的4 5 号钢在市场上极具竞争力1 3 , 1 4 1 。 1 3 优质碳素结构钢4 5 号钢成分及铁水条件 特殊钢作为钢铁工业中的高技术与高附加值产品在国民经济结构的提升过程中 具有重要地位，其中优质碳素钢1 9 9 8 年在1 6 家重点特殊钢企业的产品结构中占 5 0 5 e 巧l 。4 5 号钢是优质碳素钢中用量大的钢种，主要用于制作各种轴、辊、拉 杆、齿轮、活塞等机器的运动零部件。 ( 1 ) 4 5 号钢的质量原则及评定 1 6 】 4 5 号钢的成分如表1 3 表1 3 4 5 号钢的成分控制表 t a b l e l 3 t h ec o m p o n e n to f 4 5s t e e l 上述规定执行g b t 6 9 9 标准： 其s 、p 含量不大于0 0 2 5 ，热加工用钢c u 一 o 2 0 ， 0 过热度 当过热度太大时，虽对平均热流影响不大，但会增加浇注时某一面处的最大热 流，这样有时会降低保护渣的粘度，从而使渣膜减薄，分布不均匀，对表面质量产 生影响。低的过热度有利于改善铸坯质量，实现高效连铸。过热度的控制目标一般 为1 0 1 5 。c 。 ( 5 ) 铸坯的质量控制 铸坯的质量主要是指：清洁度( 夹杂物的含量、形态及分布) ，表面缺陷( 裂纹、 夹杂、皮下气泡等) 及内部缺陷( 裂纹、偏析、疏松等) 。 铸坯的清洁度主要取决于钢液进入结晶器之前的处理，尽量减少钢液中的夹杂，因 此选择炉外精炼是必要的。 - 8 铸坯的表面质量决定于钢液在结晶器中的凝固过程，它与结晶器内坯壳的形成、结 晶器的振动、保护渣的性能、浸入式水口的设计及钢液面的稳定等因素有很大关系。严 格控制铸坯表面质量，生产出无缺陷的铸坯，是热送和直接轧制的前提。 铸坯的内部质量决定于铸坯在二冷区凝固冷却过程和铸坯支撑系统的对中精度。因 此合理的二冷制度，精密的铸坯支撑系统是保证铸坯内部质量的关键。 1 5 l f 精炼流场数学模型研究 1 5 1 l f 精炼工艺 1 9 7 1 年日本大同钢公司大森厂在a s e a s k f 、v a d 及v o d 等精炼装罱的基础上 开发了l f 精炼法。由于它设备简单、投资费用低、操作灵活和精炼效果好面成为冶 金行业的后起之秀，在日本和全世界得到了广泛的应用与发展 2 3 】。 l f 精炼主要是靠钢包内的白渣在低氧分压的炉子中( 氧分压不超过5 ) 由包 底吹氯气进行搅拌，并由石墨电极对经过初炼的钢液进行温度补偿，可以保证较长 的精炼时间，从而可使钢中的氧、硫含量降低( 可达到o 0 0 1 ) ，夹杂物按a g t m 评级为可达到0 0 1 级。 l f 可以和电炉配合，以取代电炉的还原期，还可以与氧气转炉配合，生产优质 合金钢。此外，l f 还是连铸车间特别是合金钢连铸生产线上不可缺少的控制钢液成 分、温度及保存钢液的设备。因此，l f 的出现形成了e a f ( l d ) - l f - v d c c 新的生 产优质钢的联合生产线，在这种联合生产线，钢的还原精炼主要是靠l f 来完成的。 今后采用这种方法生产的优质钢和特殊钢，其产量将进一步增加。 采用l f 精炼的作用及效果： ( 1 ) 在炉内加入还原性的渣，以及在加热时石墨电极与渣中的f e o 、m n o 等氧 化物作用生成的c o 气体，保证了炉内的还原气氛，钢液在还原气氛条件下，可进一 步的脱氧，脱硫，去除非金属夹杂，可提高钢液质量。 ( 2 ) 良好的吹a r 搅拌，可以有效对钢液进行脱氧，脱硫：同时可以均匀钢液 成分以及温度，此外还可以加速某些氧化物的还原，以微调合金成分。 9 ( 3 ) 电极加热，可以提高钢液温度，稳定冶炼，提高合金元素的收得率，有利 于脱氧合金化。 1 5 _ 2 流场研究的方法 描述流动行为的基本参数是流动速度、流动轨迹和紊乱程度。由于钢液在钢包 内的流动是看不见得，在冶炼过程中直接观察和测量这三个参数是很困难的。研究 流场的常用方法有2 4 2 7 1 ； ( 1 ) 物理模拟：在冶金上广泛应用水模型模拟钢液在耐火容器中的流动，具有 实用价值。这种方法试验简单便宜，具有可直接观察性并能直接测量流动的基本特 性( 流场、速度) ，可把模型观察的现象定性或定量地转化为实际流动现象，为冶 金容器的设计和优化工艺提供依据。 ( 2 ) 数学模型：用数学模型可对流动状态进行预测，并对水模型试验进行验 证。这对扩大试验和冶金容器的设计是有指导意义的。 数学模型的目的与价值在于仿真。大多数数学模型是以物理定理为基础，建立 描述物理过程的代数方法或微分方程并求解之。随着数模理论和计算机技术的发 展，数学模拟的计算精度逐步提高，其研究在冶金容器中的流动过程方面将越来越 发挥重要的作用 2 8 】。 目前应用最多的计算机软件有：s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e - l i n k e de q u a t i o n s ) 程序、商业化软件p h o e n i c s 3 3 ，3 4 、商业化软件c f x ，大量的 工作人员应用不同的软件进行了计算机模拟研究 2 9 , 3 0 。 其中，物理模拟比较直观，投资大优化设计困难：数学模拟投资小，优化设 计易于实现，但要求比较深的数学和计算机知识 3 1 , 3 2 1 。 1 5 3 l f 精炼炉内钢液流场数值研究 l f 精炼法采用钢包底吹氩技术，使钢液获得搅拌能，同时具有良好的脱硫、脱 氧、去除夹杂物等能力。钢包底吹氩能有效均匀钢液成分及温度，促进夹杂物上浮，改 善钢液质量。因此3 0 多年来，国内外的许多学者对于l f 钢液流场进行了大量的研究工 作。 1 0 一 s z e k e l y 等”1 首先模拟氩气喷吹钢包内钢液流动行为，他们使用时均n a v i e r - s t o k e s 方程和t , 2 一双方程湍流模型计算流场，并假定气泡是包含在给定直径的柱形簿内；边 界条件是通过测定气液界面上的速度来确定。 d e b r o y 和m a j u m d a r l 3 4 1 及g r e v e t 等 3 5 首先认识到气泡在钢液中所受的浮力是驱动 镉液流动的动力，为此，他们建立了均相流动模型。在此基础上，s a h a i 和g u t h r i e ( 3 6 3 7 发展了一个代数关系式，将操作条件与气泡域参数及周围钢液流动参数关联起来。 s a l c u d e a n 等d 8 1 以及j o o 和g u t h r i e t 3 9 1 以及李宝宽等 4 0 , 4 1 1 将均相流动模型推广到三维 情况，其中李宝宽等分别发展了保角变换技术嘲和适体坐标技术娜处理三维情况的坐 标网格，进而解决流动的边界条件问题。 c r o s s 4 5 1 和m a r k a t o s 嘶 贝0 首先采用两流体模型研究钢包内流动现象，他们预测的结 果与水模型的实验结果相差甚远。原因是事先不清楚气泡的直径分布以及气泡与钢液的 相互作用系数等参数。 t u r k o g l u 和f a r o u k l 4 7 1 发展了两流体模型，他们引进弥散普朗特数描述气液两相间的 质量交换。 肖泽强、贺友多、陈义胜等4 8 5 1 】采用均相模型对钢包吹氩流动过程数学模拟， 含气率由经验关系式确定，而且不考虑气相和液相之间的剪切力。 2 1 课题来源 第二章研究内容及研究方案 转炉4 5 号钢是石家庄钢铁集团公司生产的主要产品之一目前年产量占石钢年 总产量的7 0 以上，供应全国各地用户。石钢采用氧气项吹转炉一炉外精炼一连铸 生产4 5 号钢，其冶炼平稳，精炼效果显著。但是在冶炼中，终点c 仍难以控制，存 在c 出格的问题：由于钢液流动性差+ 有时会造成钢液的结瘤，以至于发生水口堵 塞现象 5 2 】；在终点枪位的保持时间长短以及在连铸中比给水量的确定，钢液成分、 温度的均匀性等问题上还存在不足，因此其工艺有待于完善和优化，操作需标准 化。探讨石钢4 5 号钢连铸坯的清洁度水平以及其生产过程中钢中总氧量以及夹杂物的 变化，可以进一步提高连铸坯质量，并为开发转炉冶炼其他特殊钢提供依据和经验。 2 2 研究内容 针对石钢氧气顶吹转炉一炉外精炼一连铸现行工艺中存在的不足，以及提高铸 坯质量，本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 操作过程标准化 分析转炉冶炼工艺( 包括原料条件、吹炼条件、造渣制度、脱氧合金化) 、连 铸工艺( 包括保护浇注、冷却制度、拉速控制) ，结合现场工艺和设备条件，确定 合理的工艺操作参数，使操作过程标准化，提高4 5 号钢的质量。 ( 2 ) 氧行为的研究 通过现场取样及实验室检验分柝了4 s 号钢冶炼过程各工序t 【o 】与溶解氧的变 化规律，以及显微夹杂物和大型夹杂物的数量变化。找出影响铸坯清洁度的主要因 素，提出有针对性的工艺改进措施。 ( 3 ) 优化l f 利用p h o e n i c s 软件模拟l f 钢液流动流场，得出合适的底吹氩位置，使钢包 内钢液流动更为合理，最大可能促使成分、温度均匀促进夹杂物上浮和去除。 1 2 2 3 研究方案 ( 1 ) 操作过程标准化研究方案 通过理论分析结合现场交流，统计大量操作数据，确定合理的工艺参数，使操 作过程标准化，提高产品质量。 ( 2 ) 氧行为研究方案 对7 个炉次进行了系统分析，每炉分别在l f 处理前后、中间包测定氧含量及 夹杂物数量，了解l f 精炼和浇注过程中钢液氧含量的变化。采用金相法检验铸坯 中夹杂物数量，对其生产全过程钢中夹杂物的数量变化进行了系统分析和研究。以 石钢4 5 号钢为研究对象，每个浇次按头中尾沿拉坯方向各截取5 0 m m 宽铸坯，铸坯 金相样在铸坯宽度方向的1 3 处沿内弧到外弧方向切取，尺寸为1 5 1 5 x 厚度，然后 切成1 5 1 5 1 5 m m 的金相样进行实验分析。试样的选取如下图所示。 一 1 盘帽试样广 j 内弧侧 一 一一。l 拉坯方向【 ?、 一 一2 i 7 一_ r i ， 铸坯金相样 图2 1 试样的选取 f i g u r e 2 1s e l e c t i o no f s a m p l e 将试样磨平( 依次使用1 2 0 、2 4 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、7 0 0 、8 0 0 号砂纸) 、抛 光，使观察面没有划痕，以便于观察夹杂物。将磨好的试样用水冲洗，再用无水乙 醇擦拭、烘干。 厂，。l。；。l 讨锎圳引纠少吲圳引。三王 选用金相法中的计点法测定夹杂。三组试样中取内弧侧坯壳处为第一个块，量 取5 m m 划一条线，以后按8 m m 间隔( 把l m m 锯缝计算在内) 左右划一条线，方向与 坯壳平行，然后在中心画一条与坯壳垂直的线这样形成了一系列的交叉点，对交 叉点处的夹杂物进行分析、鉴定。将标准万能网格放在万能金相显微镜的目镜内， 将试样放在物镜的载物台上。数出落在网格交叉点上的组织夹杂物的个数( 网格总 数为8 9 = 7 2 ) 。夹杂物的含量以体积百分数表示，由下列公式求出： 0 = ( l 1 0 0 ) s 式中：l 一一指数，代表一个视场中所有夹杂物所占的面积，以测量标尺分度平方来 表示。 s 一视场面积，以相同的单位来表示。 跟据实验情况上式转化为： q = l 。( 8 9 2 5 ) 其中：l 一所观察2 5 个视场夹杂物的总量。 ( 3 ) 优化l f 研究方案 钢液在l f 内的流动是一个复杂的湍流流动过程，其主要特征是不规则性、有 旋性、三维性、扩散性和耗散性 5 3 , 5 4 】。根据流体的动量守恒、质量守恒和能量守恒 原理，本模拟采用欧拉两相模型，在p h o e n i c s 流体流动计算软件平台上，建立 l f 底吹氩气流动数学模型，优化钢液流动流场，提高精炼效果。 - 1 4 - 第三章4 5 号钢转炉一连铸工艺标准化 石家庄钢铁集团公司生产4 5 号钢的总生产流程如下 混铁炉- - 3 5 t l d 转炉- - 4 0 l l f 精炼炉一中间包一铸坯。铸坯浇注断面为1 5 0 m m x 1 5 0 m m ，中间包容量1 9 t ，钢包一中间包采用大包套管保护浇注工艺，中间包一结晶 器采用浸入式水口保护浇注。 一炼钢厂生产4 5 号钢总的操作工艺见图3 1 ： 3 1 转炉工艺标准化 3 1 1 铁水条件 石钢使用的是低s 、p 铁水，其化学成分和温度如表3 1 所示，铁水的温度控制 在1 3 0 0 左右，可采用单渣法操作工艺进行4 5 号钢冶炼。 表3 1 石钢铁水的化学成分及温度 ! ! ! ! 豆：! ! ! ! ! ! 巴e ! ! ! 坐! ! i ! ! 巴p ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! 生! ! ! ! i 些! ! ! ! ! s i m n p st() 0 5 0 0 6 0o 7 0 0 8 00 0 5 左右 o 0 3 51 3 0 0 左右 3 1 2 装入制度的制定 实践证明，每座转炉都必须有合适的装入量，装入量过大或过小都得不到好的技术 指标。若装入量过大，将导致吹炼过程中喷溅严重，造渣困难，冶炼时间延长，金属损 失增加，炉衬寿命降低。装入量过少时，不仅产量下降，而且由于装入料少，熔池深度 变浅，炉底容易受氧气流股的冲击作用而过早的损坏，甚至使炉底烧穿而造成漏钢事 故，故而对钢的质量也有不良影响。 装入量一般根据一定的炉容比以及合适的熔池深度来确定。石钢公称3 5 吨的氧 气顶吹转炉在炉龄为3 0 0 0 炉左右时的装入量定为：铁水量3 5 吨左右，生铁块9 吨 左右。 装入废钢r 一 兑入钐冰 l 、 - 摇正炉子 一l 降喻爽氧 ，l ，。 分舭嘶筋鲚雌蓬， l 接近终柳啦臀怫吹 ( 倒炉) 取洋溯啦品一 嗵窭受二 。j 钢包脱氧台金化一 图3 1 一炼钢厂冶炼4 5 号钢操作工艺流程 f i g u e 3i t h eo p e r a t i o n p r o c e s s e so f s m e l t i n g4 5s t e e li n1 4p l a n t 3 1 3 供氧制度 供养制度就是使氧气流股最合理的供给溶池，创造良好的物理化学反应条件。 1 6 3 1 3 1 确定合适的喷嘴结构 喷嘴是压力一速度的转换器，通过喷嘴。它可以姆高压低速氧气流转化为低压高速 的氧气射流。确定合理的喷嘴结构可以使压力最大限度的转换成速度动能，同时喷出的 气流应该满足冶炼的要求，即在冶炼工艺操作过程中反映为：化渣速度快，不喷溅，不 烧枪，不沾枪，枪位稳定，便于控制。因此选择合理的喷嘴结构是氧气顶吹转炉的关键 之一。 石钢喷头的选择及一些相关工艺参数的确定： 喷头：四孔拉瓦尔式喷头； 喉口直径：0 2 4 2 r a m ； 出口直径：驴3 l m m ： 夹角口1t 0 5 。； 枪身外径：西1 5 9 m m 。 从目前的冶炼情况来看，这种喷头的选择是合理的，石钢4 5 号钢冶炼比较平 稳，化渣速度较快，喷溅少，平均冶炼周期是2 6 m i n ，纯吹氧时间平均为1 5 1 6 m i n 。 3 1 3 2 供氧强度及供氧压力的确定 氧气流量q ：是指在单位时间内向溶池供氧的数量，单位m * m i n 或m a h 。 氧气流量q ( m a m i n ) ： 每吨金属需要的氧气量( m 3 t ) 供氧时间( m i n ) x 装 入量( t ) 氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需的氧气量、金属装入量、供氧时间等因素来确 定的。 供氧强度，：是指单位装入量单位时间内向溶池供氧的数量，单位m 3 t m i n 。 供氧强度7 - ( m a t m i n ) = 氧气流量( m 3 m i n ) 装入量( t ) 氧气压力的控制受炉内介质和流股马赫数的影响，经测定炉内介质压力一般为 o 1 2 o ，1 3 m p a ，流股马赫数在1 、8 2 2 之间。因此目前转炉上使用的工作氧压在 o 6 1 2 m p a ，视各种转炉的容量而定，容量越大，一般使用压力越高。我国的转炉 一般都使用分阶段恒压变枪操作，即随着炉龄的增加，装入量增大，供氧压力也相 应提高。 - 1 7 - 供氧强度的大小主要受炉内喷溅的影响，在不喷溅的情况下可使用较大 的供氧强度。不同容量转炉的供氧强度的控制见表3 2 。 表3 2 不同容量转炉的供氧强度 翌! 里! ：坚生! ! ! ! ! ：型! ! ! ! 哩型! ! 型g ! ! ! ! ! ! ! 兰垡! ! ! 坠尘! ! ! 翌! ! ! 竺! 堕! 竺 炉容量( t ) 2 0 0 供氧强度( m t - m i n )4 0 4 52 8 4 0 2 3 3 52 5 4 0 基于以上的理论研究及分析，石钢3 5 t 转炉氧枪采用恒压变枪操作，氧流量定 为8 6 0 0 n m 3 h 工作氧压定为o 8 8 m p a ，供氧强度为3 2 m t m i n 左右。 3 1 3 3 氧枪枪位调节 ( 1 ) 氧枪高低位利弊分析 转炉冶炼时，有高枪位操作和低枪位操作；高枪位时称之为“软吹”，此时氧 流股对熔池的冲击力减小，反射流股的数量多，冲击面积大，对熔渣表面搅动增 强，内部搅动减弱，在这种情况下有利于化渣。低枪位时称之为“硬吹”，此时氧 流股对熔池的冲击力增大，冲击深度增加，炉内化学反应速度快，可快速升温，充 分搅拌熔池。 不过，枪位过高将使熔池的搅拌减弱，造成表面铁的氧化，使渣中( f e o ) 增加，使炉渣严重泡沫化，易发生喷溅；若枪位过低，不利于成渣，也可能冲击炉 底。因此选择合适的枪位就尤为重要。 ( 2 ) 枪位与渣中( f e o ) 的关系 枪位越低，渣中( f e o ) 会越低，表明渣中( f e o ) 的消耗大，冶炼速度 快。在氧压一定时高枪位，渣中( f e o ) 会升高。低枪位时不同枪位下渣中 ( f e o ) 的含量如表3 3 所示。渣中( p e o ) 含量的高低决定着熔池中化学反应的激 烈程度的大小，因此可以通过枪位的改变来灵活控制冶炼。 ( 3 ) 枪氧枪位高度大小的确定 为保证氧气射流既有一定的冲击面积，又有一定的冲击深度，且不冲击炉底，我们 根据生产实际的操作效果加以校f 。 1 8 表3 3 不同枪位下渣中( f e o ) 的含量 t a b l e 3 3 t h ec o n t e n to f ( f e o ) w i t hd i f f e r e n tp o s i t i o n so f l a n c e 确定氧枪高度的经验公式为： h=bx p d e( 3 1 ) 其中：片氧枪喷头端面距熔池液面的高度，嗽； p 供氧压力，m p a ： d e 喷头出口直径，m m ； 6 系数，四孔喷头选6 = 4 5 e 0 。 基于以上的规定及分析，石钢定最高枪位为1 3 m ，最低枪位为o 7 m ，工作枪位 为1 1 m 。 ( 4 ) 枪氧操作模式 根据生产的实际情况，氧枪操作应是灵活多变的，到目前为止，终点枪位的把 握及控制仍属实际操作中的一个难点。开吹时，应高枪化渣，使渣中的( f e o ) 量达2 5 3 0 ，促进石灰石熔化，尽快形成具有一定碱度的炉渣，增大前期的脱 p 、s 效率，后降枪脱c ，为避免渣子返干，适时提枪化渣，使渣中的( f e o ) 保 持在l o 1 5 ，以利于继续除p 、s ，在接近终点时，再降枪加强熔池搅拌，均匀成 分，强化冶炼，降低终渣中( f e 0 ) 的含量。 因此石钢在冶炼4 5 号钢时主要采用的是：“高一低一高一低”的氧枪操作模 式，如图3 2 。 1 9 1 5 冒1 0 坦 颦o 5 o 02 4681 01 2 1 41 6 时问r a i n 图3 2 石钢氧枪操作模式 f i g u e 3 2 t h eo p e r a t i o nm o