CN1200768A - 对具有高铬含量的钢水脱碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在吹氧的情况下对用于制备高铬钢的钢水脱碳的方法,其中对脱碳速度连续地进行测量并且根据测量值调整吹氧量,其特征在于:－计算出下述调节参数:a)至脱碳过程开始时的Al－Si－氧化阶段的持续时间,b)紧接Al－Si－氧化阶段的主脱碳阶段直至达到由脱碳反应至金属氧化的过渡点的持续时间,c)主脱碳阶段中的脱碳速度和－紧接Al－Si－氧化阶段将吹氧量快速增大到主脱碳阶段的氧量,直至调整到根据c)计算出的脱碳速度,－在主脱碳阶段的持续时间内通过吹氧量将脱碳速度基本保持在恒定状态,和－紧接主脱碳阶段以这样的方式连续减少吹氧量,以使以预定时间常数连续地降低脱碳速度。

Description

对具有高铬含量的钢水脱碳的方法
本发明涉及一种在吹氧的情况下对用于制备高铬钢的钢水脱碳的方法，其中对脱碳速度不断地进行测量并且根据测量值调整吹氧量，其中根据废气中的CO和CO2的含量和废气流量确定脱碳速度。
在DE 3311232 C2中记载了一种对钢水脱碳的方法，其中在表述钢水中脱碳过程的理论模型的基础上计算出过程参数，根据过程参数对脱碳过程进行控制。其中将氧和稀释气体吹入钢水中并且根据脱碳变化利用可调整的气体流量控制装置对吹入量进行控制。对吹入量的控制采用如下方式加以实现，根据模型计算出熔炼过程中脱碳的程度和钢水的碳含量并与预定值进行比较。在计算出的值与预定的值一致的时刻，以预定方式改变稀释气体份额和吹入钢水中的气体量。在采用本方法时还将输入模型中，即输入计算程序的参数与实际测量值进行比较并通过预定额定值与测出的实际值的比较对脱碳过程进行控制，以使过程的实际变化与在计算机中模拟出的过程变化尽可能相符。采用此计算机控制的脱碳方法将会对脱碳过程进行精确地控制。
该方法虽然适用于对钢水的脱碳，但由于所采用的模型之故，而不适用于精确地确定到达由脱碳反应至金属氧化的过渡点的时间点。
由此将会导致增大的铬氧化损失量并且因此附加需要的诸如硅铁和石灰石等作为熔渣中的硅含量的碱性中和剂的还原物质量，以及最后将会造成钢包或转炉耐久性的降低。
本发明的任务在于，对为制备高铬钢通过向钢水吹氧对钢水脱碳进行精确地控制，从而尤其避免不希望出现的铬氧化并且尽管如此仍能实现对钢水充分的脱碳和最小程度的金属渣化。
就本发明的方法而言，该任务的解决方案的特征在于在权利要求1中给出的特征。通过从属权利要求2至5的特征部分的特征，可有益地进一步设计本方法。
依照本发明，利用计算机根据测量值或预定值计算出下述调节参数：至脱碳过程开始时的Al-Si-氧化阶段的持续时间、紧接Al-Si-氧化阶段的主脱碳阶段直至达到由脱碳反应到金属氧化的过渡点持续时间、主脱碳阶段中的脱碳速度，其中脱碳速度又根据废气中的CO和CO2含量和废气流量测定出。
本方法的实施方式如下，紧接Al-Si-氧化阶段将吹氧量快速增大到某氧量上，直至调节到计算出的脱碳速度。接着在主脱碳阶段持续时间内通过改变吹氧量将脱碳速度基本保持在恒定状态。在紧接主脱碳阶段的后临界阶段内以这样的方式连续减少吹氧量，从而使脱碳速度以预定的时间常数连续地降低。
因此实现了在预定条件下的最大脱碳和最小金属渣化，尤其是最低的不希望出现的铬氧化。本发明用于制备高铬钢的方法利用了如下认识，在过程变化中有一个临界的脱碳状况，即一个由脱碳反应向金属氧化的过渡点，该过渡点根据特定模型可以预先充分精确地计算出，并且最佳过程实施取决于对该状况的及时识别，当超过该状况时在钢水中的金属氧化，尤其是铬氧化将不利于脱碳反应。
就过程实施而言，只有确定出临界脱碳状况才能预测出随时间的过程变化。在已知预熔铁水(Vormetall)，尤其是化学组成、温度和重量的起始数据，以及给定与起始数据相同方式的钢水所需最终数据的情况下，可根据模型预先计算出过程实施的对调控重要的参数。
方程式(1)至(5)对用于确定临界脱碳状况的模型的具体设计做了说明，该模型可实现对Al-Si-氧化阶段的持续时间ΔtAl-Si、主脱碳阶段的持续时间Δtkr和主脱碳阶段中的脱碳速度的确定。该模型的基础在于，在主脱碳阶段存在有一近乎恒定的脱碳速度，该主脱碳阶段在到达由脱碳反应至金属氧化的过渡点后过渡到紧接着的后临界阶段。其中已与吹氧管的效率相乘的氧流入量在主脱碳阶段保持恒定。
可以采用如下方式实现很低量的Cr-氧化损失，随着降低的脱碳速度，以利用方程式(1)至(5)计算出的时间常数τkr连续地减少氧流入量。
利用可控气体流量控制装置吹氧可以非常简单地实现控制。
在实施此脱碳方法时应在Al-Si-氧化阶段持续时间内将吹氧量调整到预定的流量上，从而使熔渣的发泡不致超过确定的强度。
下面将对照附图对本发明的一个实施例做进一步说明。图中示出：
图1基础模型的脱碳动力学和
图2图1的脱碳动力学的氧平衡。
图1示出基础模型的脱碳动力学。其中y轴表示脱碳速度并且x轴表示钢水的含碳量。如图1所示，主脱碳阶段的特征在于一恒定的脱碳速度，其在到达由脱碳反应至金属氧化的临界的过渡点后连续地过渡到后临界的阶段。出于此点考虑，临界过渡点既属于主脱碳阶段又属于后临界阶段。据此，脱碳反应的适用于这两个阶段的不同的动力学是相同的，即：
    ΔCkr/Δtkr＝Ckr/τkr        (1)
式中：
ΔCkr直至临界点的碳氧化损失，以％计
Δtkr主脱碳阶段的持续时间
CKr临界碳含量，以％计
τkr工作反应时间常数，单位分钟
在主脱碳阶段，即在Al-Si-氧化损失后直至达到临界过渡点期间进行真正的脱碳。在碳氧化的同时，已知还进行金属的氧化，主要是铬、锰和铁的氧化。由此对氧平衡得出下式：
    ΔO2，C+ΔO2，Me＝ηHQO2，HΔtkr    (2)
式中：
ΔO2，C直至临界点的碳氧化损失所需的氧量，单位Nm3/分钟
ΔO2，Me直至临界点的金属氧化所需的氧量，单位Nm3/分钟
ηH在主脱碳阶段中喷氧管的效率
QO2，H在主脱碳阶段中的吹氧量，单位Nm3/分钟
钢水的能量平衡如下，钢水的瞬时能量容量由预熔铁水的初始能量容量和与能量输入与能量损耗的差相等的、存储的能量构成。另外其出发点在于，曾经在临界点达到的钢水的额定温度在后临界阶段的继续处理中仅稍有升高。在该设想的基础上形成所建议的过程控制，采用该过程控制在后临界阶段中仅出现低量的铬渣化。碳-和铬氧化损失时的能量释放的绝大部分是由产生的能量损耗补偿的。因此能量平衡用下式示出：
CTP(GA/1000)ΔT额定＝
+CTP(GA/1000)常数1ΔSi/0，1+
+CTP(GA/1000)常数2ΔAl/0，1+
+CTP(GA/1000)常数3+λ常数4)ΔCkr/0，1+
+CTP(GA/1000)常数5ΔCkr/0，1+
+CTP(GA/1000)常数6ΔFekr/0，1+
+CTP(GA/1000)常数7ΔMnkr/0，1+
-(CGP/1000)(常数8GAΔCkr/100+QAr，Al-SiΔtAl-Si+QAr，HΔtkr)(To
+T额定/2)
-CTPΔTwΔQw(ΔtAl-Si+Δtkr)
-CSP(ΔtAl-Si+Δtkr)/60
-∑(Gi/1000)Ci                (3)
 式中：
 GA钢水重量，单位Kg
 ΔSi以常数1＝25至40K/0.1％Si-氧化损失时的Si-氧化损失
 ΔAl以常数2＝25至45K/0.1％Al-氧化损失时的Al-氧化损失
 ΔCkr以常数3＝5至20K/0.1％C-氧化损失和CO-再燃烧为λ份额(常数4＝20至40)时的C-氧化损失
ΔCrkr以常数5＝5至20K/0.1％Cr-氧化损失的Cr-氧化损失
ΔFekr以常数6＝1至10K/0.1％Fe-氧化损失的Fe-氧化损失
ΔMnkr以常数7＝5至20K/0.1％Mn-氧化损失的Mn-氧化损失
CTP钢水的比热容量，单位KWh/K/t
λ釜内CO-再燃烧份额
CGP废气的比热容量，单位KWh/Nm3/K
QAr，Al；Si，QAr，H在Al-Si-和主脱碳阶段的Ar-惰性气体流量，单位Nm3/分钟
CWP冷却水比热容量，单位Kwh/l/k
ΔTw入口/出口温差，单位K
Qw平均冷却水流量，单位l/分钟
CSP壁的辐射功率，单位KW
Gi添加料“i”单位Kg
Ci合金“i”的热含量，单位KWh/t
To预熔铁水的温度，单位℃
能量平衡方程式(3)右侧具有多个带有“+”号的项，这些项考虑了由金属氧化释放出的热能。对于各种金属的金属氧化强度由常数K1至K7表征。这些常数涉及的是对熔炼炉和钢水典型的参数。方程式(3)中的带有“-”号的项涉及的是由于废气排放、水冷却、热辐射造成的能量损耗和用于熔化合金和熔渣所需要的能量。
由方程式(4)得出与过程相关的温度的相互关系：
    T额定＝TSkr-To  (4)
式中：
Tskr临界点上钢水的额定温度，单位℃
ΔT额定临界点上的钢水的额定温度的升高，单位℃
To在处理开始时的钢水温度，单位℃
由解方程式组(1)、(2)和(3)得出的主要参数是临界的碳氧化损失ΔCkr。用此参数得出临界碳含量ΔCkr，ΔCkr是由下式计算出的在图1所示的钢水过渡点上的碳含量：
    Ckr＝CA-ΔCkr        (6)
其中CA是钢水的初始碳含量。
考虑到下式根据图1计算出脱碳速度：
(-dC/dt)＝ΔCkr/Δtkr＝Ckr/τkr        (5).
除临界碳含量Ckr外，通过解方程式组(1)-(4)求出对调控非常重要的过程时间tkr和tAl-Si。由方程式组求出作为第四个未知数的参数(To+ΔT额定/2)。将此值代入方程式(4)中，得出TSkr-临界点上的钢水额定温度。
方程式(1)至(5)对用于确定临界脱碳状况的模型做了明确的表述并可确定出与脱碳过程相关的控制参数：Al-Si-氧化阶段的持续时间ΔtAl-Si、主脱碳阶段的持续时间Δtkr和主脱碳阶段中的脱碳速度。
脱碳方法的实施过程如下，在脱碳开始时利用方程式(1)至(5)计算出相关控制参数。图2中示出接着的过程。在Al-Si-氧化阶段调整预定的氧流量和预定的惰性气体流量(例如氩气)并使之穿流过钢水。预定的值在金属熔渣发泡不超过允许值的范围内。紧接Al-Si-氧化阶段中断惰性气体的输送并快速增大输送的氧量，直至调整到为主脱碳阶段计算出的脱碳速度，所述脱碳速度是根据废气中的CO和CO2含量和废气流量确定出。在主脱碳阶段通过调整送氧将脱碳速度基本保持恒定不变。当达到临界过渡点tkr时以时间常数tkr与时间成比例地减少送氧量。
本发明的特点在于确定临界点上的化学元素的金属浴浓度、金属浴温度和临界点出现的时刻。另外还计算出在临界过渡点金属浴中进行的化学反应的化学-热动力比例关系。就最大瞬时脱碳和最小金属渣化而言，该反应过程是最佳的。在后临界的脱碳阶段通过如下方式保持最佳的反应进程，将根据模型对临界过渡点计算出的过程参数用于控制后临界阶段，从而可以最大限度地减少所不希望出现的铬氧化、对氧的消耗和对还原物料，尤其是硅的消耗。与主脱碳阶段一样，通过脱碳速度对氧流量进行控制。
根据模型对临界状况的确定另外还可以实现对钢水的最佳起始数据进行确定。本方法基本适用于所有这样的工艺，其中该工艺在碳对铬氧化作用减少的情况下进行。具有各种技术衍变的真空精炼过程(Vakuumfrischprocess)(VOD)以及AOD(氩氧脱碳)转炉冶炼过程都属于此列。

Claims (3)

1.在吹氧的情况下对用于制备高铬钢的钢水脱碳的方法，其中对脱碳速度连续地进行测量并且根据测量值调整吹氧量，其特征在于：
-计算出下述调节参数：
a)至脱碳过程开始时的Al-Si-氧化阶段的持续时间，
b)紧接Al-Si-氧化阶段的主脱碳阶段直至达到由脱碳反应至金属氧化的过渡点的持续时间，
c)主脱碳阶段中的脱碳速度和
-紧接Al-Si-氧化阶段将吹氧量快速增大到主脱碳阶段的氧量，直至调整到根据c)计算出的脱碳速度，
-在主脱碳阶段的持续时间内通过吹氧量将脱碳速度基本保持在恒定状态，和
-紧接主脱碳阶段以这样的方式连续减少吹氧量，以使以预定时间常数连续地降低脱碳速度。
2.依照权利要求1的方法，其特征在于：Al-Si-氧化阶段的持续时间ΔtAl-Si，主脱碳阶段的持续时间Δtkr和主脱碳阶段的脱碳速度根据由下述方程式(1)至(5)表述的模型计算出：
    ΔCkr/Δtkr＝Ckr/τkr    (1)
式中：
ΔCkr至临界点的碳氧化损失，以％计
Δtkr主脱碳阶段的持续时间
Ckr临界碳含量，以％计
τkr 工作反应时间常数，单位分钟
    ΔO2，C+ΔO2，Me＝ηHQO2，HΔtkr    (2)
式中：
ΔO2，C直至临界点的碳氧化损失所需的氧量，单位Nm3/分钟
ΔO2，Me直至临界点的金属氧化损失对氧的需求量，单位Nm3/分钟
ηH主脱碳阶段中喷氧管的效率
QO2，H在主脱碳阶段中的吹氧量，单位Nm3/分钟
CTP(GA/1000)ΔT额定＝
+CTP(GA/1000)常数1ΔSi/0，1+
+CTP(GA/1000)常数2ΔAl/0，1+
+CTP(GA/1000)(常数3+λ常数4)ΔCkr/0，1+
+CTP(GA/1000)常数5ΔCkr/0，1+
+CTP(GA/1000)常数6ΔFekr/0，1+
+CTP(GA/1000)常数7ΔMnkr/0，1+
-(CGP/1000)(常数8GAΔCkr/100+QAr，Al-SiΔtAl-Si+QAr，HΔtkr)(To
+T额定/2)
-CTPΔTwΔQw(ΔtAl-Si+Δtkr)
-CSP(ΔtAl-Si+Δtkr)/60
-∑(Gi/1000)Ci                (3)
式中
ΔSi以常数1＝25至40K/0.1％Si-氧化损失时的Si-氧化损失
ΔAl以常数2＝25至45K/0.1％Al-氧化损失时的Al-氧化损失
ΔCkr以常数3＝5至20K/0.1％C-氧化损失和CO-再燃烧为λ份额(常数4＝20至40)时的C-氧化损失
ΔCrkr以常数5＝5至20K/0.1％Cr-氧化损失的Cr-氧化损失
ΔFekr以常数6＝1至10K/0.1％Fe-氧化损失的Fe-氧化损失
ΔMnkr以常数7＝5至20K/0.1％Mn-氧化损失的Mn-氧化损失
CTP钢水的比热容量，单位KWh/K/t
λ在釜中的CO-再燃烧份额
CGP废气的比热容量，单位KWh/Nm3/K
QAr，Al；Si，QAr，H在Al-Si-和主脱碳阶段的Ar-惰性气体流量，单
位Nm3/分钟
CWP冷却水的比热容量，单位Kwh/l/k
ΔTw入口/出口温差，单位K
Qw平均冷却水流量，单位l/分钟
CSP壁的辐射功率，单位KW
Gi添加料“i”，单位Kg
Ci合金“i”的热含量，单位KWh/t
To处理开始时的钢水温度，单位℃
    ΔT额定＝TSkr-To  (4)
式中
TSkr在临界点上钢水的额定温度，单位℃
ΔT额定在临界点上的钢水的额定温度的升高，单位℃
其中在考虑到下式
(-dC/dt)＝ΔCkr/Δtkr＝Ckr/τkr        (5).
的情况下得出脱碳速度。
3.依照权利要求2的方法，其特征在于：在到达临界点后以时间常数τkr降低脱碳速度。
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