外文翻译--电弧炉脱碳和造渣模型的发展 中文版

电弧炉脱碳和造渣模型的发展 克里斯托弗 浦浩之， 1） 2） 蒙 . 1） 以前炼铁和炼钢的研究中心，材料科学与工程学院，卡耐基 - 梅隆大学 。 现在，在部高级材料科学的前沿科学，大学，研究生院 5市，千叶277 2）材料 处理解决方案的公司，邮政信箱 1203，伊斯顿， 3）技术部和工业过程中，盖尔道 巴西 昂 6777 4）炼铁和炼钢研究中心，卡耐基 5000福布斯大街，匹兹堡， 5213 摘 要 电弧炉甲脱碳和炉渣地层模型的开发，其中包 括脱碳速率现象和炉渣中的碳质材料和铁的氧化物之间的反应，每个种类 的金属，炉渣和气相的质量平衡，和熔化生铁，废钢和通量的行为。该模型被施加到两个铲斗充电动作电弧炉和动态的金属和炉渣组合物作为时间的函数的计算。融化模式为原料，碳 反应速率，和二次燃烧比的影响进行了研究。关键 的参数，其中最强烈地影响着化学的发展，进行了鉴定。这些参数被运用到一些 工业的情况下，例如，该模型可以 准确地预测炉渣和金属化学的发展。该模型可以被用来优化的操作，提高产率、 能源效率，并增加金属和炉渣的化学物质从热对热的一致性。 关键词 ： 电弧炉；脱碳；渣形成；质量平衡；模型的开发。 1 介绍 电弧炉（ 产的钢材已经在过去的几十年中显着增长。这条生产大部分是在国家的最先进的工厂生产价值较高的高附加值产品如连续投扁平材钢。这些炉子使用大量的生铁，注入氧，碳和注入泡沫 渣 1和电能。注入以形成铁的氧化物，碳溶解在铁或固体碳形成 气可以直接与铁反应，或在气相中的形式的燃烧后产生 何分布在这些反应中的氧是炉的性能至关重要。在本研究中，脱碳和炉渣地层模型已经开发基于质量平衡脱碳 动能 方程，和炉渣中的碳质材料和铁的氧化物的还原反应之间。废钢和生铁的各种熔点的模式进行了检查，金属和炉渣 中的铁氧化物的含量中的碳含量的变化被计算出。这里开发的模型可以被用来优化氧气喷射，磁通量增加，碳注入和产量以及泡沫渣，这是未来的 主题。几个成功的模型已经开发了用于氧气炼钢（ 2. 一个真正的批处理过程，在该过程中的所有的铁水，废钢和通量 在吹氧开始之前加入，和所有的金属和炉渣被监视 的过程结束。的主要部分的一个的 容器电荷，液体热金属，是均匀的温度，物理性质和化学。许多 现代电弧炉运用于之前液态的 的热的金属 和炉渣，通量和碳连续喷射过程中各阶段的过程中，和炉渣被冲出来的 。此外，注入的碳减少 了 整个热炉渣中 且，在整个充电的电炉废钢、化学、 容重等物理参数，就极不均匀。在电炉中，脱碳液相传质控制在较低的碳含量，本文将证明是正确的电炉冶炼周期。这些考虑的电弧炉的模型要复杂得多的 些以前的模型已经被开发，如能源和原材料结余的充电控制和 2。但不存在全面的模型，考虑到许多动态效果和反应速率。 本脱碳渣形成模型为基础的金属和炉渣阶段，脱碳速率方程和图中的每个组件的质量平衡。图 1为本模型中的计算算法。 渣中氧化铁由注入 的碳质材料中的减少。图 1所示为 该模型的计算算法的图。的计算算法的主要成分是（ A）的熔化废钢和生铁和废料，如灰尘，以及磁通与杂质的溶解，（ B）的碳和其他元素包括铁的喷入的氧气的氧化，（ C）的还原的氧化铁由注入的碳质材料中，（ D）的炉渣排放或冲洗，和（ E）的质量平衡计算。步骤（ A）至（ E）被重复执行，直到由 （ A） 废钢和生铁熔炼，杂质和助焊剂溶解的废料，生铁和附带的杂质，熔化或溶解成渣，并包括在金属和炉渣阶段的基础上定义的（假定）熔化或溶解率。如果磁通注入在精炼过程中，这也被考虑到。金属和炉渣阶段都被假定为均匀的，然后计算组合物中的每个元素的金属和炉渣阶段。（ B）氧化注入氧气由氧，碳和其它元素的第一个氧化元素更容易被氧化，碳和铁。在本模型中，作为废钢熔化的硅，铝和锰是氧化的，直到它们的组合物达到的每个元素的设定点。在本计算中，假定，在熔融的硅和铝的完全氧化，和锰被氧化锰含量，直到达到 的质量 。 O2(g)=( .(1) 3/4 O2(g)=1/2 (.(2) (g)=(.(3) 入炉渣相。 第二，脱碳由方程所得。 （ 4） 如在 。 它被广为接受，首先使该反应进行由氧与铁形成炉渣中的 后碳不同熔断器在金属还原成金属铁中的 O，如下列反应所指示。 C+1/2 g)=g) .(4) (g)=(.(5) ( C=O (g) .(6) 烧后。如果碳含量是高的，碳的传质的驱动力是足够的，以减少所有形成的 为结果，脱碳速度的氧的质量流率的限制。在低的碳含量，传质速率的减少，而不是所有的， 而渣增加的 此，脱碳速度控制在较低的碳含量，如由式表示，通过液相的传质的碳（ 7），或在较高的碳含量由方程描述为：氧气流量（ 8） 。 其中， 量熔融金属相的重量在时间为 于平衡碳含量 C到可以忽略 C定为零。处的点的速率机制的变化被称为临界碳含量 CC“ 毫安 ” 的值通常是通过以下方式获得测量的速率中的脱碳炉和回计算的参数利用方程 （ 7） 。然而，由于在 是几乎不可能获得有代表性的液体金属试样在氧气喷射时期上半年。其结果，不进行测量可用于电弧炉。在目前的工作中， “ 的价值是外推的从 假设是有效的 浴的搅拌能量通常是成比例的氧气喷射率。由于毫安 / 炉的尺寸，形状， 征值应该是众所周知的计算脱碳速率准确的特定炉中。在本计算中，本研究中所用的值 的毫安 / 00吨容器。 4）基于上述假设，等同方程计算临界碳含量。 （ 7）和 （ 8），并为约 34，当碳含量降低到低于临界值时，铁的氧化反应变得占主导地位，和铁的氧化物 产生，这是所吸收的熔渣相。脱碳和铁氧化书之间的反应，根据有竞争力的 和这两种反应之间的比例来确定的碳含量由方程描述。 （ 7）和 （ 8）。在炉渣中的 烧后的合金元素的氧化（铝，硅，锰）用于任何氧气注入氧气。在 气的一部分直接与反应在固体废钢生产 废钢熔化， 而，计算出的 氧的质量平衡没有用于碳， 金属氧化铁。因此，形成的然没有明确计算。 （ C）的 减少注入的碳素材料在电弧炉炼钢氧化铁， 含碳 材料，如焦炭和煤被注入到所说的熔渣中，以减少铁炉渣中相的氧化物，使熔渣泡沫状。 炉渣发泡是关键耐火材料的保护和水从电弧冷却和侧壁，屋顶，以及最小化的 热损失。然而，经常观察到的一些注入的碳残留在炉渣中，作为未反应的颗粒被排出。有人假设，由碳粒子的氧化铁的还原率被表示为式。 （ 9） 。该公式 假定质量转移的 其中， 重量 t。在这个模型中，还原铁返回的金属相。在本计算中，是 那些 一方面， 而，没有在这个模型中计算和其他计算（估计）模型应当被用来估计在以后的步骤中的温度，温度变化。此外，在本应用程序中计算优化的 在下面的部分中讨论。虽然增加 1 823 1 923 .5 应的活化能为 282 究的案例研究，汽车 T M（ 个人档案中金属的碳含量没有变化，在不同的 质量）。因此，在本计算中的温度变化的效果是有限的。（ D）在电炉炼钢的炉渣排放，炉渣排出或冲洗的过程中。假设的熔渣相是均质的，所说的熔渣的一部分被排出根据解罚款排渣率。炉渣中剩余的未反应的碳也与炉渣排出。（ E）质量平衡计算的物质平衡由下面的公式计算金属和炉渣 本模型中，没有被的耐火材料解散，包括对的渣质量平衡计算。将被纳入模型在进一步的发展。在不同的电弧炉操作的耐火材料的消耗变化很大，可以介于 吨金属 5在本，该模型假设炉渣中 一些其他因素是重要的，并主要取决于具体的操作。例如灰尘损失将不予考虑。正如讨论后者高达 10千克 /吨或更多的铁废料离开炉如灰尘。燃烧后依赖于实际的操作。在此模型中它是一个输入，并通常被认为是 10。如上所述，重新耐火材料溶解还将影响的化学和渣量。 在本研究中，开发的模型被施加到两个铲斗充电动作炉。选项卡乐 1显示了典型的操作条件，这种皮毛炉的原料。在此模型中，将计算出的结果是 D 计算出的值与通过以下方式获得。 的影响对计算结果的初步考试独立非执行董事的： 0分钟（ 够小的值被选定为计算条件。该炉是 120吨容量的一个 105吨自来水 云石，石灰的收费是废钢和生铁的第一桶中。在后一阶段的精炼，焦炭被注入用于发泡和 从炉中排出的炉渣。 料的熔化图形的生铁的效果和废料熔化率的影响进行了检查的炉。氧喷射率随时间变化，在实际过程中的反射氧气喷射。由于炉与两个铲斗电荷的操作中，有一个所述第二桶电荷的操作开始后的 5分钟和 13分钟之间的空闲时间。期间的空闲时间的氧流率是非常低的。有两种类型的氧气喷射器 ;用于精炼的熔融的主要喷枪，和二次燃烧后的喷射器。在本计算中，燃烧后的熔体和炉渣阶段以上发生不考虑，因为这并不影响熔体和炉渣的化学。因此，它被假定主喷枪氧，100和 20的后燃氧与熔体反应和炉渣的基础上与炉操作的讨论。还假定，废钢杂质和带电磁通在第一桶溶于渣在最初的 30分钟以恒定的溶解速率。 红碳粒子和后燃烧比率 R 1.0 别。四生铁熔化模式和三个废钢熔融模式定义（假定的），如示于图。 2基于 与炉操作的基本考虑。在计算中，最终的金属和炉渣的化学被用作 下一个计算的金属和炉渣鞋跟的初始条件，并重复此过程数次，直到稳定状态下的结果得到。图 3示出了熔化熔点为每个图案作为时间的函数的，连同收集的熔融样品的分析结果中的碳含量的变化。该炉具有只有 15000千克初始鞋跟相比， 115 600公斤的带电材料。因此，熔体中的碳含量的改变相当具有不同的熔融生铁和废钢模式。假设在操作的早期阶段快速的生铁熔化速率，上升的碳含量为 对于所有的熔化模式约 30分钟后，被视为稳定的碳含量分布。但是，这是在约 炉中，比所观察到的碳 含量高。 图 4示出了炉渣中的 最小的 0吨计算发生在 10和 20分钟之间。中的 几乎保持不变。更快的熔融生铁中的早期阶段，如图案 为生铁熔化，导致渣中 是因为熔体的增加，和所有的氧气注入中的碳含量是所消耗的脱碳反应，没有的 产生的废料杂质和通量溶解连续造成的 操作的早期阶段，一些 一方面，在生铁熔化图案 的情况下， 虑到碳和 度较慢的熔融生铁在模式 ，在早期阶段，例如将现实此炉。然而，计算出的分析结果如图 4。高估的 i）该高估从燃烧后喷射器喷入氧气的反应和（ 低估二次燃烧比的贡献。 为每个熔化的生铁和废钢模式计算的 渣标签如表 2所示。 的损失生铁熔融图案的变化，而 废料熔化 图案的效果是小的。炉渣排放的碳损失为 生铁熔化模式 乎是最现实的。运算优化，生铁熔炼模式应同时进行其他操作变量重现的经营业绩。在下面的计算，生铁熔化模式 另一方面， “ 理想的熔融 模式” 生铁为一个特定的炉操作炉中在最佳状态可以从该模型得到与其他调谐参数。 次燃烧比与固定生铁和废料熔化模式（ ，分别）和碳 - 应速率常数（ 1）进行了检查。图 6示出在稳定状态下与三个后燃烧率在炉渣中的 二次燃烧比提高到 渣中的0 型的折痕 45分钟后的 生的炉渣中的 0热端。二次燃烧比的正上方的熔体是约 并计算出优化的二次燃烧比为 如前面提到的，它被假定 20的通 过燃烧后喷射器喷入氧气的参与进行脱碳和氧化反应发生在熔体和炉渣。当燃烧后喷射器氧的贡献下降，的 致减少在炉渣中的 4。讨论 开发的模型依赖于一些投入，包括熔化率和减少的速率常数。优化的参数，密切配合的经营业绩选项卡 。生铁熔化图案是一个重要因素，而废料熔化是不太重要的。在此表中的参数，得到从上面的讨论，其中一个参数是与固定其他参数优化。完整的参数优化需要大量的热数据，连同适当的优化工具，如序列二次规划（ 法。比如， 示为式。 （ 25） ，以尽量 减少由模型和预测值的运算结果之间的差异。 上标“模型”和“数据”代表模型和运算结果的预测值，分别。 1是物种 一般情况下，以上的模型预测相比，测得的由大约 碳含量。假定的脱碳速度常数可能是大于从 是假设的速率下降，由于较低的氧气流率。在金属中的碳含量脱碳速度的效果示于图中。 7。在熔体中和最终在炉渣中的 和从 。可以得到适当的 脱碳速度常数每炉从许多加热的运算结果。该模型可以被用来优化的过程中的几个方面。将在本文的下一部分，泡沫渣可以被优化通过控制的 渣碱度和 氮也可以提高通过改变操作。该模型可用于优化产率。通过减少炉渣中的 量，可提高产量。这可以通过使用碳注入更 有效。使用 更多的反应形式的碳会降低在炉渣中的 可以降低 拟的情况下，已经进行了研究，通过改变运行参数，这表明潜在的产量增加。减少 5的氧气流率（情况 1），增加 5的碳注入（情况 2）的量，或增加的碳 - .5 拟更多的反应的形式碳（情况 3），应用是固定的，而其它操作参数。选项 卡文件 5示出了施加的参数和计算结果的摘要。在本文中，产率的计算方法的基础上的炉而不是总的废钢和生铁的铁（ 投入。图 8示出了为每个情况下，随着时间的推移在炉渣中的金属和 含量中的碳含量的变化。在金属中的最终的碳含量增加与减少的氧气流率（情况 1）而碳含量不发生大的变化，在其他情况下。另一方面，最终的 而提高了约 产率。在这个模型中，如灰尘的铁损被忽略。在 9和 18之间产生的粉尘是千克 /吨的废料，并包含约 50质 量的铁 57，因此，铁损被认为是超过在本模型中计算出的，但不同的是小。因此，实际产量将略低（ ，比计算值。产量是连同适当的物理和化学渣性能所需的金属精炼以除去图像的纯度和进行有效的炉渣发泡行为的操作，应考虑的一个方面。这些额外考虑的重点，将是未来的论文题目。还应当考虑在炉中的热平衡。比如， 例 1中。然而，从铁的氧化所产生的热量必须被补偿额外的电 输入端或在整体生产率的损失将导致 。将被用来在本工作开发的模型来优化这些输入和输出，包括的产率和总的 生产成本。 在本研究中，电弧炉脱碳和炉渣地层模型被开发了。该模型考虑了用于脱碳和碳的 量平衡的金属，炉渣和气相中的每个元素，以及生铁，废钢和通量的熔融行为的反应速率现象。开发的模型被施加到两个铲斗充电动作炉和熔体的变化和矿渣组合物是基于操作条件计算和比较的操作结果。该模型可用于预测铁产量和碳的损失与排放的炉渣。它被确定的生铁熔化图案在确定熔体中的碳含量是非常重要的。炉渣中的 及碳 确的输入的操作参数，如带电的原材料和鞋跟的初始量和 组合物，需要进行模拟操作。此外，应通过比较计算结果与真实数据的许多加热进行熔化生铁，废钢和通量，碳 次燃烧比的模式的优化。 致 谢 从炼铁和炼钢在卡内基 - 梅隆大学研究中心的成员公司的财政支持和技术投入感谢。 盖尔道 使得 发展 和商业电弧炉模型与实际业务数据的验证，可以通过直接参与这个项目 。该作者还欣赏 士在美国钢铁公司的研究和技术中心的模式发展的讨论。 参考文献： 1编）：钢，第 11版的制作，塑造和治疗， 兹堡，宾夕法尼亚州（ 1998）， 525。 2编）：钢，第 11版的制作，塑造和治疗， 兹堡，宾夕法尼亚州（ 1998）， 475。 3编）：钢，第 11版的制作，塑造和治疗， 兹堡，宾夕法尼亚州（ 1998）， 124。 4钢冶金基础， 默尔亨普斯特德，英国（ 1993）， 194。 5人通信。 6编）：钢，第 11版的制作，塑造和治疗， 兹堡，宾夕法尼亚州（ 1998）， 611。 7编）：钢，第 11版的制作，塑造和治疗， 兹堡，宾夕法尼亚州（ 1998）， 590。