LF钢包精炼过程中的脱氧

LF 精炼钢包吹氩过程中钢水的环流运动可
用图 2[5]所示的模型表示 , 钢水/ 气泡流股中气泡
平均上升速度 Up 可用下式表达[6 ] :
Up =
3. 26 ×104 Qvt
1 4
R
(2)
vt = 5. 5 ×10- 3 H (1 - α) gQ/ (2 R) 1/ 3 (3)
将式 (3) 代入式 (2) 可得 :
3. 2 钢包吹氩去除夹杂物的效率 钢包吹氩去除夹杂物的效率可用下式表示 :
-
dNP dt
=
(
π 4
d2bH)
( N P) V
·
P
(
1823 6 Q 293 πd3b
)
(12)
式中 :等号右边第一个括号内数据为单个气泡上
浮过程中扫过的体积 ; 第二个括号内数据为单位
体积内夹杂物平均颗粒数 ; P 为夹杂物被气泡捕
t = 1. 72～2s。在这么短的时间内 , 只有在厚度为
10mm 的流层内尺寸大于 100μm 的夹杂物才有可
能被渣层吸收 , 其余的夹杂物将随钢流沿壁面向
下流动 。
当钢水沿着壁面以速度 um 向下环流时 , 没 有来得及上浮的夹杂物跟随钢流以速度 up 向下 运动 ,这时夹杂物的运动速度可用牛顿定律表示 :
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112
武汉科技大学学报 (自然科学版) 2001 年第 2 期
2 钢包吹氩时夹杂物随钢流作循环 运动
2. 1 吹氩条件下钢包内钢水的流动速度
ηN
=
N P0 - N P N P0
=
1 - exp - 9. 33 HdPρb mΣQ″
(14)
从式 (14) 可见 , 夹杂物的去除效率随吨钢吹氩量
ΣQ″的增加和气泡尺寸的减小而增加 , 采用小的
吹氩强度和延长吹氩时间 , 有利于去除更多的夹
杂物 。低吹氩强度不仅可以避免钢水卷渣 , 更主
要的是可获得分散细小的气泡流[12] 。
实际生产的弹簧钢棒材中有 14 %左右的夹杂物 颗粒尺寸大于 40μm[4] 。这是钢包吹氩条件下钢
水环流运动的结果 。
图 1 钢液中不同尺寸的固体夹杂物
的自由上浮速度及上浮时间 (a) —上浮速度 ; (b) —上浮时间 (70t 钢包)
收稿日期 :2000 - 12 - 26 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (59874023) . 作者简介 :薛正良 (1962 - ) ,男 ,武汉科技大学材料与冶金学院冶金工程系 ,副教授 ,博士.
3. 1 固相夹杂物被小气泡捕获的概率 钢包吹氩条件下钢中固相夹杂物的去除主要
依靠小气泡的浮选作用 , 夹杂物与小气泡碰撞并 粘附于气泡上的机制见图 4[2] 。夹杂物被气泡俘
图 4 颗粒粘附于气泡的机制示意图
获的概率 P 等于夹杂物与气泡的碰撞概率 PC 和 碰撞发生后夹杂物粘附于气泡上的概率 PA 之乘 积[2] ,即 :
1 静止钢液中固体氧化物夹杂上浮
静止钢液中固体氧化物夹杂的上浮速度通常
用 Stocks 定律来描述[1] :
up = (ρm - ρp) gd2p/ (18ηm)
(1)
式中 :ρm ,ρp ———钢液和夹杂物的密度 ;ηm ———钢
液粘度 ; dp ———夹杂物直径 。
在 1 5 5 0 ℃时 , 若 取ρm = 6 . 8 9 g / cm3 ,ρp =
ρsU2m/ [ gσs - m (ρm - ρs) ]1/ 2 = 6. 796 (8)
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2001 年第 2 期 薛正良 ,等 :LF 钢包精炼过程中的脱氧
中图分类号 :TF704. 1 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 4985 (2001) 02 - 0111 - 05
LF 钢包精炼过程中钢液脱氧行为 ,其实质就 是氧化物夹杂的去除行为 。钢包精炼过程中氧化 物夹 杂 可 以 通 过 两 种 途 径 与 钢 液 分 离 : ( 1) 按 Stocks 定律上浮[1] ; (2) 通过氩气泡的浮选作用与 钢液分离[2] 。搅拌钢液使夹杂物聚集长大 ,有利 于它们通过上述机制与钢液分离 。与此同时 ,吹 氩引起钢水环流阻碍夹杂物的上浮[3] 。本文通过 对 LF 钢包精炼过程中夹杂物去除行为的研究 ,以 及不同脱氧方式对 LF 精炼过程中钢液脱氧的分 析 ,为 LF 钢包精炼过程的脱氧提供依据 。
固相夹杂物被小气泡捕获的概率钢包吹氩条件下钢中固相夹杂物的去除主要依靠小气泡的浮选作用夹杂物与小气泡碰撞并粘附于气泡上的机制见图4颗粒粘附于气泡的机制示意图获的概率10根据该模型夹杂物与气泡的碰撞概率随气泡尺寸的减小和夹杂物尺寸的增大而增加50m大小的夹杂物与直径为1mm的气泡碰撞的概率不足5这意味着20个直径为1mm的气泡上浮过程中只有一个气泡会与50m大小的夹杂物发生碰撞
4 LF 精炼过程中钢包吹氩脱氧
4. 1 不同脱氧条件下各次脱氧产物的析出比率 钢包吹氩过程中 , 钢液与气泡界面上发生的
C2O 反应对钢中溶解氧的去除具有十分重要意 义 。以弹簧钢 60Si2MnA 为例 , 考虑两种脱氧条 件 ,一种是合金化后钢液的 AlSol (达到 0. 02 % , 主 要来自硅铁中的铝) ,另一种是合金化后钢中 AlSol (达到 0. 0015 %) 。这两种情况下各次脱氧产物 析出量的比率见图 5 。第一种脱氧条件下 90 %以 上的氧以一次脱氧产物析出 , 这时吹氩对钢中残
(1. 武汉科技大学 ,湖北 武汉 ,430081 ;2. 钢铁研究总院 ,北京 ,100081)
摘 要 :研究了钢包精炼过程中钢水流动现象及吹氩方式对钢液中固相脱氧产物去除行为的影响和不同脱 氧条件下吹氩过程对钢中溶解氧的去除规律 ,指出合理的吹氩制度对钢液中固相脱氧产物的去除至关重要 。 当钢液不用铝脱氧时 ,吹氩过程对钢液中溶解氧的去除具有十分重要的意义 。 关键词 :钢包炉精炼 ;吹氩 ;脱氧 ;非金属夹杂物
P = PC PA
(10)
根据该模型 , 夹杂物与气泡的碰撞概率 PC
随气泡尺寸的减小和夹杂物尺寸的增大而增加 ,
50μm 大小的夹杂物与直径为 1mm 的气泡碰撞的
概率不足 5 % ,这意味着 20 个直径为 1mm 的气泡
上浮过程中只有一个气泡会与 50μm 大小的夹杂
物发生碰撞 。夹杂物粘附于气泡上的概率主要决
获的概率 ;第三个括号内数据为单位时间内吹氩
产生的气泡数 。
将式 (12) 积分得 :
N P = N P0exp
-
9. 33
Q″HPρm
db
t
(13)
式中 : N P ———钢中夹杂物个数 ; Q″———吨钢吹氩
强度 ; H ———熔池深度 ;ρm ———钢水密度 ; db ———
气泡直径 。
夹杂物去除效率 ηN 为 :
定于夹杂物尺寸 。对 5～10μm 的夹杂物而言 , 气 泡尺寸对 PA 无明显影响 , PA ≈100 % 。对大颗粒 而言 ,小气泡和大气泡比中等直径的气泡具有较 高的 PA 。按该模型计算 , 去除 50μm 以下的夹杂 物最适宜的气泡直径为 0. 5～2mm。
当氩气泡呈分散的气泡流时 , 气泡平均直径
db 可用下式表示[10 ] :
db = [ (6σdn) / (ρmg) ]1/ 3
(11)
式中 :σ———氩气氛下的界面张力 ; dn ———吹嘴直
径。
用透 气 砖 吹 氩 所 产 生 的 气 泡 直 径 为 10 ～ 20mm[11] 。采用高强度吹氩 , 只能使气泡粗化 , 而 达不到有效去除夹杂物的目的[12] 。
的上浮 ,增加了夹杂物与顶渣和包衬接触的机会 。
钢水在钢渣界面处水平流动时 , 夹杂物在钢流的
带动下一方面作水平运动 , 另一方面按 Stocks 定
律上浮 。因此 , 夹杂物在水平流层中的运动呈抛
物线上升 。按图 3 所示的全浮力模型[7] , 钢渣界
面下钢水的水平流速等于钢水/ 气泡流股中心线
上的流速 Um ( > Up) 。假定 Um = Up = 0. 55～0. 64m/ s ,则 70t 钢包钢水在渣面下的水平流动时间
ρm
(6)
对 d < 150μm 的夹杂物 , 按 Stocks 阻力定律范围
计算的钢水流速 um 为 :
um
=
(ρm - ρp) gd2p 18ηm
(7)
式 (7) 形式上与静止钢水中夹杂物上浮的 Stocks
定律相同 。若夹杂物直径 dp = 100μm , 1550 ℃时 按式 (7) 计算的钢水流速 um = 0. 005m/ s 。即钢水 流速大于 0. 005m/ s 时 ,直径小于 100μm 的夹杂物
都随钢流作环流运动 。实际生产过程中吹氩搅拌
时的钢流速度远远大于此值 。因此 , 钢流裹夹着
夹杂物在钢包中作循环运动使夹杂物不能得到有Fra bibliotek效排除 。
2. 3 钢水卷渣
当吹氩流量过大时 ,钢渣界面发生卷渣现象 ,
钢液发生卷渣时的临界韦伯准数 We = 6. 796[8 ,9 ] :
We = FS/ Fg Fσ =
2. 3g/ cm3 ,ηm = 0. 05g/ (cm·s) , g = 980 ×10 - 5N/ g ,
则可计算出钢液中不同尺寸的夹杂物颗粒的
自 由上浮速度和70t钢包 ( H = 2. 34m , R =
1. 1m) 中不同尺寸的夹杂物上浮时间 , 见图 1 。
由图 1 可见 , 在 50min 左右的精炼时间内静止钢 液中尺寸大于 40μm 的夹杂物均能上浮去除 , 但
阻力定律范围 , k = 10/ Re1/ 2 ; Re > 500 时为 Newton
阻力定律范围 , k = 0. 44 。 Re = | um - up | dp/ v 。 当 up ≤0 时 ,夹杂物将脱离钢水而上浮 ,此时的钢 流速度 um 为 :
um =
4 gdp (ρm - ρp)
3k
π 6
d2ρp p
d up dt
=
π 6
d3p
(ρp
- ρm)
+
k
πd2p 4
ρm 2g
(
um
-
up) 2
(5)
上式中等号右边第一项为作用在夹杂物上的重力
和浮力 ;第二项为钢流对夹杂物的拖曳力 ,拖曳力
系数 k 随 Re 不同分三个区域 : Re < 2 时为 Stocks
阻力定律范围 , k = 24/ Re ;2 < Re < 500 时为 Allen
等于钢水/ 气泡流股平均上升速度 。在实际清洗
吹氩流量范围 ( 80 ～130L/ min) 内 , 70t 钢包按式
( 4) 计算的钢水/ 气泡流股上升速度 Up = 0 . 55
～0. 64m/ s。
图 2 钢包吹氩钢液环流模型
图 3 钢包吹氩全浮力模型
2. 2 夹杂物与钢流作跟随运动 当钢包吹氩时 , 钢水对流运动加速了夹杂物
113
Um =
6. 796
[
gσm -
s (ρm ρS
ρs)
]1/ 2
(9)
式中 : Um ———钢液发生卷渣时的水平流速 (图 3) ,
m/ s ; g ———重力加速度 , 9. 8m/ s2 ;σs - m ———钢 渣
界面张力 , N/ m;ρm ———钢液密度 , kg/ m3 ;ρs ———
1第 24 卷第 2 期 2001 年 6 月
武汉科技大学学报 (自然科学版) J . of Wuhan Uni . of Sci . & Tech. (Natural Science Edition)
Vol . 24 ,No. 2 J une 2001
LF 钢包精炼过程中的脱氧
薛正良1 ,李正邦2 ,张家雯2
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武汉科技大学学报 (自然科学版) 2001 年第 2 期
Up = 4. 177 (1 - α) 1/ 12 Q1/ 3 H1/ 4/ R1/ 3 (4)
式中 : Q ———吹氩流量 , m3/ s ; H ———钢水深度 , m;
R ———钢包内半径 , m;α———钢水/ 气泡流股中气
泡体积百分率 ,2 %～10 % ; vt ———紊流速度 ,m/ s 。 当α> 5 %时 , 流股中气泡平均上升速度 Up
熔渣密度 , kg/ m3 。
当取 σs - m = 1. 2N/ m ,ρm = 6890kg/ m3 ,ρs =
3000kg/ m3 时 ,按式 (9) 计算的开始发生卷渣时钢
水水平流速为 0. 69m/ s , 再按式 (4) 计算 70t 钢包
发生卷渣时的吹氩流量为 160L/ min 。
3 氩气泡对固相夹杂物的浮选作用