底喷粉精炼钢包内粉气流行为及脱硫动力学研究

摘要

洁净钢的生产水平已成为企业综合竞争能力的重要表现之一，硫元素因对钢的性能有着多方面的不利影响成为洁净钢生产主要的脱除或控制元素。如何高效率、低成本冶炼优质低硫钢是企业发展高品质、高附加值战略产品的重要保障。 目前生产低硫钢主要通过铁水预处理→转炉→钢包精炼(LF、RH)长流程工艺来实现。该工艺存在流程长、效率低、成本高、灵活性差等诸多缺陷。为此，东北大学自主研发了新一代钢包底喷粉脱硫L-BPI(Ladle-Bottom Powder Injection)技术，该技术将明显提升二次精炼效率与效果，对钢铁工业缩短生产流程，提高生产效率，降低成本有着重大影响。L-BPI工艺成功工业化的关键在于其效果与效率，因此，需要对底喷粉钢包内粉气流行为及脱硫动力学开展研究工作，本文的研究内容及所取得的成果如下: (1)钢包底喷粉过程中粉剂流传输行为数值模拟研究。使用Fluent数值模拟软件，建立了描述钢包底喷粉过程中气-液-粉多相传输行为的数学模型。考察了不同吹氩量下钢液循环流动规律，以及不同粒度下粉剂颗粒的运动轨迹和停留状态。钢包底喷粉精炼不仅仅有传统顶部渣-金界反应界面，同时增加了粉剂上升、循环过程中的移动反应界面。细小的粉剂在钢液停留时间更长，提高了钢包炉脱硫反应渣-金接触面积和反应时间，使得脱硫、脱氧更加充分，从而提高精炼反应的脱硫效率。 (2)钢包底喷粉脱硫动力学研究。考虑钢液表面渣-金界面的脱硫反应即持续接触反应模型和粉剂在钢液随着气泡上浮时短暂接触反应模型，建立钢包底喷粉脱硫动力学模型。考察粉剂颗粒有效利用系数、喷粉模式、硫的分配比等参数对钢包底喷粉精炼脱硫率的影响规律。结果表明在相同喷粉总量下，选取高速率-短时间的喷粉模式要优于低速率-长时间的喷粉模式。提高粉剂颗粒有效利用率，可大大提高底喷粉脱硫效率。随着粉剂分配比Ls的增大，脱硫效率快速增大，当Ls超过300时，脱硫效率影响不大。当粉剂有效利用系数在0.2～0.4之间、硫的分配比在200～300之间，钢包底喷粉脱硫率稳定在80％以上。 (3)1.5t感应炉底喷粉热态试验。通过狭缝型透气砖的冷态试验和1.5t感应炉的底喷粉试验，检验了底喷精炼的可行性。通过试样分析，1.5t感应炉底喷粉试验的脱硫效率为51.4％。其原因在于感应炉容积较小、净高较低，不能使粉剂在钢液中长时间的停留。通过减少钢液裸露面的面积、选用合成渣配加CaC2、钙粉精炼渣等措施，可以有效的提高底喷粉感应炉脱硫效率。 (4)钢包底喷粉精炼工艺的基本研究。在钢包底喷粉精炼过程中，温降因素包括钢包炉衬散热、渣层散热和裸露面散热和粉剂消耗热损。钢包底喷粉精炼时间20min左右，软吹8～10min，温降速度为1℃/min，喷粉10～12min，温降速度为2.3℃/min，预计钢包底喷粉温降30～35℃。对大多数钢种来说，完全可以不用升温装置，在不增加转炉出钢温度的同时，满足连铸对钢液温度的要求。

目录

声明

摘要

1．1前言

1．2炉外精炼技术的发展历史

1．2．1钢水炉外精炼发展状况

1．2．2钢包喷粉冶金技术

1．2．3钢包底喷粉工艺

1．3低硫钢的生产工艺流程

1．3．1硫元素对钢性能的影响

1．3．2国内外低硫钢冶炼工艺流程

1．3．3生产低硫钢的新工艺流程预测

1．4本文研究的意义和主要内容

1．4．1本文研究的意义

1．4．2本文研究主要内容

第2章钢包底喷粉粉剂流动行为数值模拟

2．1钢包底吹氩技术

2．2钢包底吹氩多相流传输行为

2．2．1计算模型

2．2．2模型假设

2．2．3控制方程

2．2．4模型网络

2．2．5边界条件

2．3结果与讨论

2．3．1钢包底吹氩过程中钢液的传输行为

2．3．2钢包底喷粉粉剂流动行为数值模拟

第3章钢包底喷粉脱硫动力学

3．1冶金反应动力学

3．2不同限制性环节条件下脱硫速率模型

3．3钢包底喷粉脱硫动力学模型

3．4钢包底喷粉模型参数的确定

3．4．1钢包相关参数的确定

3．4．2硫分配比和传质系数

3．4．3有效利用系数的确定

3．5钢包底喷粉脱硫效率

3．5．1不同粉剂颗粒有效利用系数对脱硫率的影响

3．5．2不同喷粉速率对脱硫率的影响

3．5．3不同分配系数对脱硫率的影响

3．5．4钢包底喷粉脱硫效率

第4章底喷粉现场实验

4．1感应炉底喷粉试验

4．1．1冷态喷粉试验

4．1．2感应炉底喷粉热态试验

4．2钢包底喷粉温降预估

4．2．1钢包吹氩温降因素

4．2．2粉剂溶解和脱硫反应温降

4．2．3底喷粉工艺预计转炉出钢温度

4．3钢包底喷粉冷态试验和经济效益预估

4．3．1钢包用砖冷态试验

4．3．2几种炉外精炼工艺的经济效益对比

4．3．3钢包底喷粉精炼工艺流程的应用前景

第5章结论

参考文献

致谢

文中包含的图、表、公式、文献