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1、不锈钢 AOD 精炼过程数学模拟的研究摘要：摘要：综述了不锈钢 AOD 精炼过程模型的发展，并重点介绍了魏季和等人的过程数学模型，并以在 18 t AOD 炉中生产 1Cr18Ni9 型钢得到的 32 炉数据作了检验，模型估计结果与实测值相符，最后分析了这些模型的成功与不足，指出进一步深入研究 AOD 模型具有重要的理论和实践意义。关键词：关键词：不锈钢；AOD 过程；脱碳；数学模拟Mathematical Modeling for AOD Refining Process of Stainless SteelAbstract：Models for the argon oxygen decar
2、burization (AOD) stainless steel making process were reviewed and the model put forward by WeiJihe was stressly summarized, which was tested on data of 32 heats obtained in producing 1Cr18Ni9 grade steel in an 18 t AOD vessel. The results predicted by the model are in excellent agreement with the de
3、termined data. Advantages and disadvantages of various models concerned were analyzed. It is proved true that further in- depth study on the AOD refining process is of great theoretical and practical significance.Key words：Stainless steel；AOD refining process；decarbonization；mathematical modelling引
4、言与不锈钢的其它精炼过程相比，AOD 过程具有一系列显著优点。因而自第一台 AOD 炉于 1968 年建成并投产以来，该工艺在世界范围内获得了越来越广泛的应用和发展，已成为生 产不锈钢的主要方法。目前，全世界 80%以上的不锈钢是用该法生产的。1 AOD 精炼过程是异型、复杂、多相火法冶金过程，在精炼过程中各传输现象以及精炼化 学反应等始终耦合在一起，同时发生，影响因素多，不利于控制。因此，应用计算机对 AOD 过程进行过程控制，是提高不锈钢的产量和质量，减少原料消耗，降低生产成本的重 要措施之一。2本文简要阐述国内外 AOD 精炼的过程模型，及其各自的主要特点，并重点 介绍魏季和等人提出的的
5、模型。1 AOD 工艺原理AOD 是氩氧脱碳法(Argon Oxygen Decarburization)的简称，1968 年由美国碳化物公司 开发，采用常压操作，通过炉体一侧设置的多个风口向炉内输送氧气、氩气和氮气，作中 可根据不同的操作阶段，通过调节供给的气体种类和气量降低一氧化碳的分压来实现降碳 保铬的目的。3该法具有原料适应性强、操作简便、投资费用低等优点。 AOD 吹氧脱碳的原理是，吹入炉内的氧气进入钢液后、与钢液中的碳和铬反应，即：C+O=(CO) （1） 钢液中的铬与氧反应生成氧化铬进入渣层，即： 2Cr+3O=(Cr2O3) （2） 另外，钢液中碳与渣中氧化铬反应，将渣中的 C
6、r2O3还原为铬，重新回到钢液中，即：3C+(Cr2O3)=2Cr+3(CO) (3) 反应平衡常数：(T)=(aCr2pCO3)/(aC3a Cr2O3) (4) 式中 aCr钢液中铬的活度；aC钢液中碳的活度； pCOCO 的分压； aCr2O3渣中 Cr2O3的活度。 由上式可见，碳-铬平衡是温度和一氧化碳分压的函数。根据铁碳相图上碳和铬氧化反 应吉布斯能曲线的相对位置关系，要达到降碳保铬，就得使碳优先于铬氧化，构成选择性 的氧化关系。通过向钢液中连续不断地吹入氮和氩来降低一氧化碳分压，从而使上述反应 向生成一氧化碳的方向进行，将渣中氧化铬（Cr2O3）还原为铬溶入钢液中，从而达到降碳
7、保铬的目的。4 正是由于 AOD 具有该功能，才使得不锈钢生产采用高碳和高硅原材料成为可能，从而改 善了整个不锈钢生产线的物料消耗，降低了冶炼成本。52 不锈钢 AOD 精炼过程数学模型概述2.12.1 AsaiAsai 和和 SzekelySzekely 等的脱碳数学模型等的脱碳数学模型6-76-7该模型是对不锈钢精炼过程数学模拟的早期研究成果。其基本假设是：吹入熔池的氧 气除参与氧化反应外，剩余部分全部积聚于钢液；反应的主要产物是 CO，Cr2O3，SiO2，不 考虑 FeO 的生成。由此出发，Asai 等对钢液中氧、碳、铬和硅等成分作了质量衡算，并对 体系作了热衡算，导出了该精炼过程的数
8、学描述。 该模型的不足之处在于没有注意到高碳和低碳浓度下脱碳模式的差异。另外，钢中各 有关组分对应的速率常数必定各不相同，取 I 为同一常数显然是一种过分的简化。关于剩 余氧气均积聚于钢液的假设也与实际情况不符。而且本模型仅考虑了钢中各元素的氧化放 热和熔池辐射散热，而气体携带的热量，耐火炉衬蓄热，系统的其它热量损失，包括炉衬 传导散热等都是热衡算必须考虑的重要因素，忽略这些因素的影响就难以充分反映精炼过 程的传热特性。所有这些都可能导致对 AOD 过程动力学估计的失误。 2.22.2 DebDeb RoyRoy 等的不锈钢冶炼模型等的不锈钢冶炼模型88Deb Roy 等认为所有吹入熔池的氧气
9、与钢液内的 Cr、Si、Mn 反应生成 Cr2O3、SiO2、MnO，且这些元素的氧化与其摩尔浓度成正比；生成的这些氧化物在随氩气泡 上升过程中被碳还原，同时考虑了熔池高度对 CO 分压的影响，引入热衡算以考虑熔池的非 等温特性，提出了 1 个不锈钢冶炼过程数学模型。 应用该模型于 304 不锈钢冶炼过程，估计的钢中碳、铬、硅浓度及熔池温度与实测数 据相当吻合。与以往的数学模型相比，该模型的成功之处在于不仅反映了 AOD 精炼过程固 有的不等温特性，且考虑了吹入熔池的氧气在各元素间的分配，还注意到了熔池高度对 CO 分压的影响。但是，氧气在各元素间的分配率与各元素的摩尔浓度成正比的处理和吹入熔
10、 池的氧气被完全吸收的假设都会带来较大的误差。 2.32.3 TohgeTohge 等的不锈钢精炼模型等的不锈钢精炼模型99Tohge 等在 70t AOD 炉上试验研究了采用高的底吹气量配以顶吹氧的操作工艺，初始 w(C)很高（2.5%）的奥氏体不锈钢的精炼过程。基于质量和热量衡算，他们提出了一个理 论模型。该模型考虑了一定量的 FeO 的生成，不等温条件，速率控制环节，以及渣料、废 钢、合金料的添加。根据他们的模型，钢中 C、Si、Cr、Mn 和 Fe 在 AOD 过程的氧化期被氧 化，生成 CO、SiO2、Cr2O3、MnO 和 FeO。 相对于前述几个模型，该模型充分考虑了 AOD 精
11、炼过程的实际情况。然而，必须再次 指出，在高碳和低碳水平下速率控制环节都为液相传质的假定是不合理的。此外，惰性气 体对生成的 CO 气体的稀释作用及其对脱碳速率的影响在该模型中未予充分反映，从炉底吹 入的氧气也不可能完全被钢中各元素的氧化所消耗。对反应 1/3(Cr2O3)+Fe=(FeO) +2/3Cr的 Gibbs 自由能的估算表明，即使在他们的实验条件下也不可能按该反应发生铁的氧化（1700下的平衡常数大约为 0.0245） 。因此，关于按该反应生成 FeO 的假设难以 成立。3 魏季和等的 AOD 脱碳精炼过程数学模型10-113.13.1 模型的概述模型的概述 魏季和等对不锈钢 AO
12、D 脱碳精炼过程进一步作了较深入的研究，在全面分析 AOD 过程 的实际情况，包括钢液中各种元素的竞争性氧化、熔池成分的变化，以及过程不等温特性 等的基础上12，建立了一个新的数学模型。假设吹入钢液的氧气同时氧化钢中的 C、Cr、Si、Mn 和作为不锈钢基体的 Fe；生成的 FeO 对其它元素也是氧化剂；所有可能的 氧化还原反应在钢液/气泡界面同时发生并在竞争中达到一综合平衡；高碳和低碳条件下脱 碳速率分别基本与供氧速率有关和主要决定于钢中碳的传质；未反应的氧气不积聚于钢液 而逸出熔池进入炉气；整个精炼过程中熔池成分和温度连续变化，在任何瞬刻呈均匀分布。3.23.2 脱碳速率脱碳速率1313高
13、碳下各元素氧化的速率方程为：（5）02 10022400mB i iWQdbxMdt低碳时，平均脱碳速率为：（6）( )c mreamccc edWAdt 式中，i=C，Cr，Si，Mn； 为氧气利用率；xi为氧气对元素 i 的分配率；b 为反应系 数，对 C，Mn，b=1；对 Cr 和 Si，b 分别为 1.5 和 2。Area 为气泡/钢液反应界面面积， cm2；m为钢液的密度，g/cm3；C为碳在钢中的传质系数，cm/s；Ce为反应界面处 钢液中的碳平衡质量分数，%。此时熔池内的精炼反应主要是碳和铬的氧化，熔池温度亦 升至较高水平。相应地，可考虑如下反应： （Cr2O3）+3C=2Cr+
14、3CO （7） 注意到吹入的惰性气体（氮气或氩气）和未反应氧气对 CO 的稀释作用，导出了如下 速率方程：（8）2 1121()2cdSSSdt式中：（9）2 031 23100(1)22400csubreamctCr c mmcCr cM QQAPaSWWWfaCr O K （10）0 2100(1)422400reamccsub c mmAMQQSWWW 式中，Qsub为惰性气体的流量，cm3/s；aCr2O3为熔渣中 Cr2O3的活度。 3.33.3 体系的热量衡算体系的热量衡算 由体系的热量衡算，可得熔池升温速率为：232 ,00,05,()2()100(1)(MnSiSiCr OSi
15、OCrMnO p s CrMnSiCCrMn p mcoC p ogglossp cog mcCCrMn cCrMnMddMdMdTCTdtMdtMdtMdtddddCTdtdtdtdt MdQCTTqqCTWMdtdddHHHdtdtd,)/(100100/)Si Sip mp sSmdHCC WWtdt（11） 式中，T 为熔池温度，K；Cp，i 为恒压下物质 i 的比热，J/（gk） ；o 为氧气的密度， g/cm3；Tg，Tg，O 分别为气体温度及其初始温度，K；Hi 为元素 i 的氧化焓，J/g；Ws 为 熔渣质量，g；q5为熔池升温过程中耐火材料吸收的热损，J/s；qloss=q1+q2+q3+q4+qu，q1为 炉底传导的热损，J/s；q2为炉体下部传导的热损，J/s，q3为炉体上部传导的热损，J/s；q4 为炉顶传导的热损，J/s；qu为体系不确定热损，J/s。 3.43.4 模型的应用模型的应用 应用模型于 18t AOD 炉上 1Cr18Ni9 不锈钢的冶炼过程，得到了很好的结果。利用该模 型可以精确估计不锈钢精炼过程中熔池成分和温度随时间的变化。 就各期终点 C 的质量分数和熔池温度而言，模型估计结果与测定值极为相符，吹炼 期的最大绝对偏差分别为 0.0083%和 15.84 K，平
