基于全废钢电弧炉的炼钢新工艺基础研究

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全废钢炼钢工艺,熔清后P含量波动大,C含量低,钢液粘稠度高,加之炉型限制,动力学条件差,电弧区域容易吸氮,终点磷、氮含量一般稳定控制在0.020%和0.0060%以下,而加工性能较高的钢种,要求钢中磷、氮含量分别不大于0.010%、0.0025%,难以满足其成分要求。基于此,本论文针对低碳熔池搅拌功不足,脱磷、脱氮困难等问题,研究了适用于气-固喷吹工艺的低碱度高磷容量渣系、成渣路线以及低碳条件下的CO2控氮工艺;开发了“三元”复合搅拌工艺用以补偿熔池搅拌功不足,同时分析了连续加料条件下废钢在熔池内的运动行为和分布,并建立了熔化模型,完善了纯平熔池废钢熔化、气-固喷吹深度脱磷以及底吹CO2脱氮等全废钢电弧炉炼钢新工艺。基于全废钢炉料成分热力学计算,结合热态实验研究了适用于气-固脱磷技术的高磷容量渣系和成渣路线。结果表明:当碳含量小于0.5%时,磷会优先碳氧化;熔渣中磷含量达到2%时,活度增加600倍,会发生回磷。1560℃时,低碱度渣仍具有较高的磷分配比,适量配加MnO、Al2O3可以降低熔渣粘度;采用低碱度成渣路线,成渣初期形成低熔点化合物,CaO溶解度大,粘度小,有利于快速成渣。采用热态实验模拟了电弧炉炼钢全过程熔池热力学条件,研究了氮气反应规律。发现废钢熔化期,吸氮反应为一级反应,氮原子在液相传质为反应限制环节。吹氧脱碳期,脱氮反应为二级反应,受液相传质和界面反应混合控制;前期碳含量较高,底吹CO2可以增加气体量;后期碳含量降低,应切换为氩气作为脱氮气体。升温阶段,钢液中氧含量较高,不仅抑制了界面反应速率,也降低了氮原子的传质速率,采用CO或CO2作为脱氮气体时,气体部分溶解进入钢液,因此应采用氩气作为脱氮气体。基于全废钢冶炼新工艺,建立了物料和能量平衡模型,计算了新工艺对冶炼参数的影响。全废钢炉料冶炼,电能缺口由23%增加到64%(224.86 kWh),提高喷碳量、CO二次燃烧率、废钢预热以及降低空气吸入比例可有效补偿电能缺口。采用低碱度渣系时,石灰用量减少29%;通过调整碳粉喷入量、二次燃烧率、空气比例和二氧化碳喷吹比例可以控制氮气比例,防止熔化期钢液吸氮。开展了基于“三元”复合搅拌的熔池搅拌优化研究。发现“三元”搅拌消除了射流和底吹复合搅拌死区,并强化了边部形成的局部环流;通过多源流场耦合方式强化界面传质,传质系数随时间成指数变化,但熔池内部钢液混匀和钢-渣传质对搅拌参数的要求并不一致,甚至相反。基于相似理论,搭建了废钢运动行为物理模型,并建立连续加料废钢熔化模型。结果表明:重/轻薄型废钢运动行为不一致,受冲击、惯性沉降以及液体回流分离机制共同作用,废钢在熔池内离散。加入位置、形状、搅拌方式和流量会影响轻薄废钢运动速度及分布。重型废钢破坏底吹流股的形成,而轻薄废钢会阻碍流场运动。基于此,修正了废钢自由料堆熔化时间模型,建立了连续加料条件下废钢熔化模型。
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