1第24卷第2期武汉科技大学学报(自然科学版)V ol.24,N o.22001年6月J.of Wuhan Uni.of Sci.&T ech.(Natural Science Edition )June 2001 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.LF 钢包精炼过程中的脱氧薛正良1,李正邦2,张家雯2(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。
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]:u p =(ρm -ρp )gd 2p /(18ηm )(1)式中:ρm ,ρp ———钢液和夹杂物的密度;ηm ———钢液粘度;d p ———夹杂物直径。
在1550℃时,若取ρm =6.89g/cm 3,ρp =2.3g/cm 3,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)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U p 可用下式表达[6]:U p =3.26×104Qv tR14(2)v t =5.5×10-3H (1-α)gQ/(2R )1/3(3)将式(3)代入式(2)可得:U p =4.177(1-α)1/12Q 1/3H 1/4/R 1/3(4)式中:Q ———吹氩流量,m 3/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%;v t ———紊流速度,m/s 。
当α>5%时,流股中气泡平均上升速度U p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U p =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U m (>U p )。
假定U m =U p =0.55～0.64m/s ,则70t 钢包钢水在渣面下的水平流动时间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u m 向下环流时,没有来得及上浮的夹杂物跟随钢流以速度u p 向下运动,这时夹杂物的运动速度可用牛顿定律表示:π6d 2p ρp d u p d t =π6d 3p (ρp-ρm )+kπd 2p 4ρm2g(u m -u p )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 阻力定律范围,k =10/Re 1/2;Re >500时为Newton 阻力定律范围,k =0.44。
Re =|u m -u p |d p /v 。
当u p ≤0时,夹杂物将脱离钢水而上浮,此时的钢流速度u m 为:u m =43gd p k (ρm -ρp )ρm(6)对d <150μm 的夹杂物,按Stocks 阻力定律范围计算的钢水流速u m 为:u m =(ρm -ρp )gd 2p18ηm(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d p =100μm ,1550℃时按式(7)计算的钢水流速u m =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W e =6.796[8,9]:W e =F S /F g F σ=ρs U 2m /[g σs -m (ρm -ρs )]1/2=6.796(8)211 武汉科技大学学报(自然科学版) 2001年第2期U m =6.796[g σm -s (ρm -ρs )]1/2ρS(9)式中:U m ———钢液发生卷渣时的水平流速(图3),m/s ;g ———重力加速度,9.8m/s 2;σs -m———钢渣界面张力,N/m ;ρm ———钢液密度,kg/m 3;ρs ———熔渣密度,kg/m 3。
当取σs -m =1.2N/m ,ρm =6890kg/m 3,ρs =3000kg/m 3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P C 和碰撞发生后夹杂物粘附于气泡上的概率P A 之乘积[2],即:P =P C P A(10) 根据该模型,夹杂物与气泡的碰撞概率P C 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定于夹杂物尺寸。
对5～10μm 的夹杂物而言,气泡尺寸对P A 无明显影响,P A ≈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P A 。
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d b 可用下式表示[10]:d b =[(6σd n )/(ρm g )]1/3(11)式中:σ———氩气氛下的界面张力;d n ———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]。
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:-d N P d t =(π4d 2b H )(N P V)・P (18232936Qπd 3b)(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 P 0exp -9.33Q ″HP ρmd bt(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;d b ———气泡直径。
夹杂物去除效率ηN 为:ηN =N P 0-N PN P 0=1-exp -9.33HP ρmd bΣQ ″(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]。
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C 2O 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Al S ol (达到0.02%,主要来自硅铁中的铝),另一种是合金化后钢中Al S ol(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3112001年第2期 薛正良,等:LF 钢包精炼过程中的脱氧余氧的去除意义不大;在第二种脱氧条件下,合金化后析出的一次脱氧产物量仅占56.52%,其余氧仍溶解在钢液中,这时钢包吹氩对溶解氧的去除具有十分重要意义。
图5 两种脱氧条件下各次脱氧产物析出量的比率4.2 钢液吹氩脱氧假定吹入钢液的氩气呈气泡流上浮,气泡界面上C 2O 反应达到平衡,对气泡中的Ar 和C O 作质量衡算,则得到:n CO n Ar =P CO P Ar ≈K f C f O [C][O]P(15)n CO n Ar =-d [O ]100×16×106d Q Ar22.4×103=-224d[O]16d Q Ar(16)由式(15)和式(16)得:-224d[O]16d Q Ar =K f C f O [C][O]P (17)-d[O][O]=16K f C f O [C ]224PQ ″Ar d t(18)对上式积分得:[O]=[O]0・exp -16K f C f O [C ]×101.325224PQ ″Ar t(19)式中:Q ″Ar ———钢液吹氩强度,m 3/(t ・min ),P ———真空度,kPa 。