精炼渣的夹杂物容量的概念及其应用_张立峰.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：精炼渣的夹杂物容量的概念及其应用张立峰，任英（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 ；北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 ）摘要：分析了目前文献中使用夹杂物组分在渣中的饱和质量分数和当前质量分数的差值除以渣的黏度（）这一参数来评价夹杂物在渣中溶解能力的文献来源以及该参数的局限性，包括该参数有量纲且没有包含夹杂物尺寸的影响。与流体流动的自然对流传热中使用的格拉晓夫数进行类比，提出了渣的夹杂物容量的概念，即无量纲的 数，同时提出了无量纲溶解速度的概念，得到了渣的夹杂物容量与夹杂物无量纲溶解速度之间的关系。夹杂物容量可以用来预测夹杂物在渣中的溶解速度和溶解时间，可以用来计算溶解过程化学反应系数和夹杂物组分在渣中的扩散系数，还可以用来计算夹杂物从钢液中的去除时间。随着夹杂物容量 数的增加和夹杂物尺寸的增大，夹杂物的溶解时间增大。随着夹杂物尺寸的增大，夹杂物的平均去除时间增加而最大去除时间降低。温度为 时，针对 夹杂物在 渣中的溶解过程，计算得到的界面化学反应系数为 ，扩散系数为 ，其值依据渣成分的变化而变化。关键词：夹杂物容量；精炼渣；黏度；饱和浓度；夹杂物溶解文献标志码：文章编号：（），（，；，）：（），（）（），：；基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）作者简介：张立峰（），男，博士，教授；：；收稿日期：在炼钢炉出钢过程中会加入熔剂成渣，在随后的炉外精炼过程中，还要根据不同钢种和精炼的不同目的继续加入合适的渣剂和熔剂。对于一些特殊的钢种，例如轴承钢和帘线钢，还要向渣中加入还原剂以降低渣的氧势，进而进一步去除钢液中的氧和夹杂物。所以，精炼渣的基本功能包括：保温、对钢液进行进一步精炼（包括脱氧、脱硫、脱氮和对钢液中非金属夹杂物的改性）和吸附钢中上浮出来的夹钢铁第 卷杂物。此外，精炼渣有两个对钢液洁净度不利的方面：对耐火材料的侵蚀，因为精炼渣和耐火材料直接接触，对耐火材料有侵蚀作用，把耐火材料中的化学物质带入渣相，进而与钢液发生化学反应，影响钢液的洁净度；对钢液的二次氧化及其他恶化钢液洁净度，例如，渣中的硫过高会造成钢液回硫、渣中的 过高会造成硅锰脱氧钢中非金属夹杂物中 含量超标、渣中 和 过高会引起钢液的二次氧化等。大多数 钢 种 精 炼 过 程 中 使 用 的 精 炼 渣 都 以 、为主要成分，还有一定量的 和 。在成分上，精炼渣主要分为两类。一类用于硅锰脱氧钢，为了避免钢中夹杂物的 组分超标，这 一 类 渣 中 的 质 量 分 数 一 般 小 于；为了保证渣在炼钢温度下是液态，渣碱度一般为 ；碱度不能过低是为了防止渣对耐火材料的侵蚀过于严重。另一类用于铝脱氧钢，主要成分为 和，而渣中 质量分数一般小于，这一类渣的熔点较高，为了保证渣在钢液 温 度 下 是 液 态，渣 的 钙 铝 比（）（）一般为 。钢中非金属夹杂物的控制是高品质钢制备的一个重要内容，精炼渣对钢液中非金属夹杂物和钢洁净度有重要影响。等 研究了 铝脱氧钢钢液经过 两道精炼工艺过程中，渣 的 碱 度 和 渣 中（）（）对 基夹杂物在渣中的溶解的影响，发现渣的二元 碱 度 最 好 为 ，（）（）最好为 。如果精炼足够长时间后，钢中夹杂物的成分逐渐趋近于精炼渣的成分；对于精炼过程，由于还没有达到平衡状态，夹杂物成分和精炼渣成分还有很大差别。等 研究了铝脱氧特殊钢真空精炼过程中的渣钢反应，结果表明，经过真空处理，钢液中、夹杂物去除了、和，并且夹杂物的成分逐渐趋近于精炼渣的成 分，其 研 究 也 表 明 渣 的 黏 度 应 该 小 于 才能促进渣对夹杂物的吸收，如果渣黏度大于 则渣会恶化钢的洁净度。夹杂物在精炼渣中的溶解精炼渣的主要作用之一是吸收钢液中上浮出来的非金属夹杂物。例如，对于轴承钢而言，夹杂物主要为 或 （）。渣的成分要能吸收上浮出来的夹杂物，渣对 吸附能力的提升可以通过降低渣中 的活度或降低渣的熔点来促进 在渣中的传递。在化学领域，收缩核反应模型（）用来描述固体粒子被溶解或被反应的过程，该模型可以用于医学上胃液中药片的溶解、燃烧碳颗粒周围灰尘层的形成、催化剂再生等 。收缩核反应模型示意如图所示，两相物质有一个反应界面，随着时间的进行，反应界面向粒子内部移动，直至演变成为单一相（从相改性为相）。这与炼铁过程碳还原铁矿石的未反应核模型类似。图收缩核反应模型示意 该模型可以用来研究夹杂物在渣中的溶解。等 建议的夹杂物在渣中溶解模型的示意如图所示，图中为夹杂物在渣中的饱和质量分数与当前质量分数的差值。夹杂物在渣中溶解的控制步骤有两个：界面处的化学反应和边界层内的扩散。如果界面反应为控制环节，则溶解反应本身是控制步骤。在界面反应非常快的情况下，界面处的渣中夹杂物的组分处于饱和，为了让溶解过程继续进行，向渣中的扩散就成为控制步骤。溶解的驱动力是渣和夹杂物之间界面处夹杂物组分的饱和质量分数和渣内部夹杂物组分的当前质量分数的差值。图夹杂物在渣中溶解的两种速率控制步骤 在界面化学反应为控速步骤的情况下，夹杂物在渣中的溶解模型为，（），（，）（）第期张立峰，等：精炼渣的夹杂物容量的概念及其应用式中：为夹杂物颗粒在时间的直径，；，为夹杂物初始直径，；为时间；为夹杂物完全溶解时间，；为夹杂物密度，；为界面化学反应系数，；，为夹杂物组分在渣中的饱和密度浓度，；为夹杂物组分在渣中的当前密度浓度，。在渣相中的扩散为控速步骤的情况下，夹杂物在渣中的溶解模型为，（）（），（，）（）式中：为扩散系数，。参数在精炼渣中夹杂物溶解的应用基于离子在电解液中的运动，方程给出了液体黏度和离子扩散系数的关系为 （）式中：为玻耳兹曼常数，取 ；为温度，；为 熔 体 黏 度，此 处 为 渣 的 黏 度，（）；为 方程式中正离子的半径，在本文中指夹杂物组分的分子直径，对 夹杂 物 而 言，为 分 子 直 径，为 。对于夹杂物在渣中的溶解，一般情况下，夹杂物组分在渣相中的扩散为控速步骤。将式（）代入到式（）得到，（，），（）（）式中：为渣中夹杂物组分的饱和密度浓度与当前密度浓度的差值，。由式（）可知，夹杂物在渣中完全溶解的时间与呈反比，对于尺寸为 的 夹杂物而言，当其在 的渣中溶解时，则该尺寸为 的 夹杂物在渣中完全溶解的时间为 （）（）（）（）使用式（）计算出来的夹杂物在渣中完全溶解的时间远远大于实际溶解时间。但是式（）反映了一个趋势，即渣中夹杂物的饱和密度浓度与当前密度浓度的差值越大，渣的黏度越小，夹杂物溶解越快。浓度差是热力学的概念，其决定了夹杂物的溶解能否发生；黏度是动力学的概念，其决定了溶解的快慢。式（）中的出现是因为使用了 方程把夹杂物在渣中的扩散系数和渣的黏度结合起来。年，等 使用该参数研究了渣对耐火材料的侵蚀现象。年 等 用式（）的模型研究了 系精炼渣吸收固态氧化物夹杂物的能力，发现渣的值越大，夹杂物在渣中的 溶 解 时 间 越 短、溶 解 速 度 越 快，如 图 所示，。等 计算了 时 液态渣的等值图，结果如图所示。接近饱和、很少、饱和的精炼渣有利于 夹杂物在渣中的快速溶解。图不同氧化物夹杂物在 系渣中的溶解时间与的关系 从 年 等 用这个物理量来表征夹杂物在渣中溶解的快慢之后，大量学者开始使用该物理量来研究夹杂物在渣中的溶解现象 ，。等 研 究 了 夹杂物在液态 渣系中的溶解速度，如图 所示（温度为 ，搅拌器转速为 ），饱和的 二元渣系有利于 夹杂物的快速溶解；在相同（）（）条件下，夹杂物的溶解速率随渣中 含量钢铁第 卷图 下不同成分 渣系中分布 图 下 夹杂物在 渣中的溶解速率 的升高而加快；在相同 含量的条件下，渣中 含 量 升 高 可 以 提 升 夹 杂 物 的 溶 解速率。等 研究了 铝脱氧钢钢液经过 两道精炼工艺发现，的值最好为 以上，有效黏度值接近 ，这样可保证值大于 ，对夹杂物的溶解和吸收最有效，钢中夹杂物含量的相对值和渣的关系如图所示。等 研究了铝脱氧特殊钢真空精炼过程中的渣钢反应，结果表明渣黏度应该小于 ，这样才能促进渣对夹杂物的吸收，如果渣黏度大于 ，则渣会恶化钢的洁净度。等 使用感应炉研究了 基的渣成分对钢中夹杂物去除率的影响，钢液中总氧的去除速率为（）（）（）式中：（）为时间时钢液中的总氧质量分数，；（）为 钢 液 中 的 初 始 总 氧 质 量 分数，；为总氧去除的速率常数，。该研究发现总氧去除的速率常数随着渣碱度、渣中 和 含量的增加而增加，随着渣中 的增加而降低，如图所示，。夹杂物的去除率不仅受化学溶解驱动力的影响，而且受到渣碱度的影响。很多学者的研究表明钢中非金属夹杂物去除的速率常数和渣的值呈线性关系。对于不同钢种，线性关系的斜率不一样，这表明夹杂物的去除速率还与钢中的夹杂物总量、夹杂物种类等其他因素有关。图钢中夹杂物含量的相对值和渣的关系 近年来，高温共聚焦显微镜（）被用来观察夹杂物在精炼渣中的溶解行为，将夹杂物颗粒放置在有渣的坩埚中，在高温时使用 在线观察夹杂物 在渣 中 的 溶 解 过 程。使 用 观 察 的 温度下 颗粒在 渣中形状和大小随时间变化情况如图所示，随着时间的进行，夹杂物颗粒在精炼渣中不断变小，直至消失。在铝脱氧钢生产中，为了提高脱氧和脱硫效率并能有效溶解从钢液中上浮出来的 夹杂物，通常使用高碱度和高（）（）的精炼渣，渣中 质量分数为 ，（）（）为 ，高温共聚焦试验观察得到的直径为 的 夹杂物在 渣中的第期张立峰，等：精炼渣的夹杂物容量的概念及其应用（）；（）；（）；（）。图高温共聚焦显微镜原位观察 颗粒在 渣中的溶解过程 溶解速率见式（）。在渣为液态的前提下，随着渣中（）（）值的增加，夹杂物的吸附速率增加；一旦渣中有固相生成，夹杂物的吸附速率显著降低。（）式中：为夹杂物在渣中的溶解速率，。在硅锰脱氧钢生产中，为了降低钢中的酸溶铝含量和夹杂物中的 含量，通常使用低碱度和低 含量的精炼渣，渣碱度为 ，渣中 质量分数小于。高温共聚焦试验观察得到的直径为 的 夹杂物在 渣中的溶解速率见式（）。在渣为液态的前提下，渣碱度增大，有利于促进夹杂物的吸附去除；另一方面，降低渣碱度有利于降低夹杂物成分中 含量。因此，需要对硅锰脱氧钢精炼渣的碱度进行合理设计，需要既能保证有效吸附上浮出来的 夹杂物，又能控制夹杂物的成分，还要注意渣对耐火材料的侵蚀，有效提升钢液洁净度水平。（）精炼过程钢液中夹杂物去除的工业试验针对某钢厂的铝脱氧钢 钢包 冶炼过程，钢包底部两个点进行吹氩，每个点的吹氩流量为 。精炼渣厚度为 ，钢包高度为 ，顶部内径为 ，底部内径为 。钢液中夹杂物主要成分为 ，初始渣的成分（质 量 分 数）为 ，计 算 得 知，渣 的 饱 和 质 量 分 数 为 ，黏度 为 （），密度 为 。通 过 三 维 模 拟 仿 真，采 用 方法模拟钢包吹氩过程的流体流动，多相流采用 （）模型，湍流采用标准双方程模型，吹入的氩气泡采用离散相模型（，）。计算过程忽略钢包散热和电极加热，并假定整个体系温度不变。使用商业计算流体力学软件 实现对钢液中流场的模拟，通 过 耦 合 用 户 自 定 义 程 序（，）实现对模型中气泡升力、曳力系数、气泡尺寸分布和膨胀、运动过程源项和湍流方程源项等参数的自定义。求解过程中，流体的压力速度修正采用 算法，残差收敛标准为。瞬态计算采用二阶隐式时间离散格式，时间步长为 。钢包底面和侧壁采用无滑移（）壁面边界条件，氩气泡边界条件为反弹（）。钢包上表面设置为自由剪切（）壁面边界条件，氩气泡到达上表面将发生逃逸（）。整个模拟计算在配备有 和 内存的 工作站上求解，使用 核心计算大约 后得到稳定的流场结果。钢包内钢液流动的源动力是氩气泡的上浮运动，钢包内钢液的流动的三维模拟仿真结果如图所示，图中的每一个球形散点代表一个氩气泡，球的大小和颜色均代表氩气泡的尺寸。由吹氩点吹入的氩气泡在上升过程逐渐膨胀，氩气泡尺寸明显增大，钢液底部的氩气泡直径普遍小于 ，而钢液顶部存在大量直径大于 的氩气泡。钢液中氩气泡在上升过程中逐渐分散，在钢液底部主要分布在吹氩点附近，在钢液顶部几乎充满整个钢液上表面。钢中总氧在一定程度上能够反映