PDF《模拟氧气转炉炼钢》

模拟氧气转炉炼钢 用户手册 2.

01 版本 目录

1 简介

1 2 氧气转炉炼钢介绍

1 3 模拟目标.2

4 车间布局和介绍.2

5 模拟炼钢选项.3 5.1 使用对象.3 5.1.1 学生板块.3 5.1.2 职业板块.3 5.2 模拟炼钢速度.4 5.3 目标钢种等级.4

6 各项进展安排.5 6.1 成分

5 6.2 温度

6 6.2.1 钢液温度的计算.7 6.3 吹氧阶段.7 6.3.1 硅氧化阶段.7 6.3.2 脱碳阶段.7 6.3.3 碳的扩散阶段.8 6.4 耗材成本.8

7 用户界面.9 7.1 模拟炼钢中的控制.9 7.1.1 原料的添加.10 7.1.2 原辅料的类型及加入时间可视化.10 7.1.3 操作步骤可视化.11 7.1.4 熔化路径可视化.11 7.1.5 化学分析和成本费可视化.112 7.1.6 钢渣成分随时间变化可视化.12 7.2 模拟结果.12

8 科学理论关系.13 8.1 添加剂的计算.13 8.1.1 元素添加.13 8.1.2 其它元素含量的增加.14 8.1.3 搅拌时间.14 8.2 重要反应.15 8.2.1 磷的分配系数.156 8.2.2 脱磷的动力学条件――搅拌.16 8.2.3 硫的分配系数.167 8.2.4 锰的分配比.167

9 物料平衡和热平衡

18 9.1 介绍

178 9.2 物料平衡.178 9.3 热平衡.19 9.3.1 热力学函数和单位:189 9.3.2 热平衡原则建立.19 9.3.3 实例应用: 铝加热技术.22

10 加料计算.23 10.1 平衡方程选择.23 10.2 应用 SIMPLEX METHOD 原理解决平衡方程.25 10.3 怎样书写平衡方程.246 10.3.1 铁平衡.26 10.3.2 氧平衡.246 10.3.3 气体平衡.26 10.3.4 除铁之外渣中其它元素的平衡.256 10.3.5 碱度平衡.27 10.3.6 能量平衡.27 10.4 数值应用.28

11 参考文献.29 Secondary Steelmaking Simulation User Guide

1 1 简介 本文件是氧气转炉炼钢模拟的用户手册,炼钢模拟可从 http://www.steeluniversity.org/得到. 这个互动的模拟软件是教育和培训的工具,适用于钢铁冶金专业的学生和钢铁行业的从业 人员. 本文件和相关网站提供的信息是可信的.但提供者并不对这些信息的可靠性和使用这些信息的 结果提供任何保证、声明或承诺,不具有代表性.使用这些信息的风险由用户自己承担.无论 在何种情况下,国际钢协、和及其合作伙伴都不会对使用本文件的信息导致的成本和损失负责 (无论是直接损失、间接损失还是经济损失、利润损失). 本文件不应作为技术建议或财务建议实施与否的依据.

2 氧气转炉炼钢介绍 氧气转炉炼钢(BOS)是从熔融生铁(铁水)生产粗钢运用最广泛的工艺.该工艺包括向吹 氧氧化来降低铁水中的碳含量.存在许多不同类型的炉子可以将铁水转化为钢水,也称为转炉, 通常这些炉子分为顶吹、底吹和复吹.1952-1953 年,在奥地利的林茨(Linz)和多纳维茨 (Donawitz)发明了通过垂直喷枪的顶吹,该工艺被称为 LD(Linz Donawitz)或者 BOP(碱 性氧气工艺).除了氧气之外,底吹工艺使用烃类气体(丙烷或天然气)或燃料油来冷却风口 区域中的耐火材料.这些相应的过程称为 OBM(氧气底吹 Maxhütte),Q-BOP(快速碱性氧 气工艺) 和LWS (Loire-Wendel-Sidelor).它们的优点是在整个氧气吹炼过程中有非常有效的 金属渣搅拌. 转炉的最新发展是

20 世纪

70 年代后期开发的混合吹炼.通过顶吹转炉容器的底部吹入有限的 中性气体(氮气或氩气)或氧气提供有效的搅拌.相应的工艺成为 LBE(喷枪气泡平衡)、 LET(喷枪风口平衡)、K-BOP(川崎碱性氧气工艺)、K-OBM(川崎氧气底吹 Maxhütte)等, 这些设备现在大部分装备了顶吹转炉.

3 模拟目标 模拟的目标是掌握碱性氧气转炉(BOF),通过必要的添加和吹氧来处理铁水,并在指定的 时间、温度和成分下将热量输送到钢包内. 同时,您还应该最大程度降低整个操作的成本. Secondary Steelmaking Simulation User Guide

2 4 车间布局和介绍 模拟的车间布局如图 4-1 所示.在模拟开始时,您将看到废钢和添加剂,如石灰和白云石(根 据用户的选择)装入到转炉中,并将铁水也装入到转炉中.当钢水出钢到钢包中时,点击屏幕 模拟立即结束. 图4-1 屏幕截图显示了模拟中使用的布局

5 模拟炼钢选项 5.1 使用对象 本套模拟系统的开发主要针对以下两种用户: ? 冶金学,材料科学和其他工程学科的学生 ? 钢铁工业技术生产从业人员 5.1.1 学生板块 在此板块,用户可以科学地方法解决问题,运用相关热力学和动力学理论,解决诸如各种处理 选项确定等问题.例如,用户为了确定废料和炉渣添加量以及总氧气量,可以执行全热量和质 量平衡计算. 在该板块下,未熔化的固体是可见的,例如废料和铁矿石. 5.1.2 钢铁工业技术板块 Secondary Steelmaking Simulation User Guide

3 在这个级别板块,用户同样可以科学地方法解决问题.但是,用户必须使用数量有限的辅助工 具完成模拟.例如,未熔化的固体是不可见的. 5.2 模拟炼钢速度 模拟可以在 1~32 倍不同速度范围内运行.在模拟过程中可以随时更改速率.但是,当发生重 要反应时,模拟将自动默认为*1. 5.3 目标钢种等级 为了说明一系列不同的加工选项,模拟炼钢包括不同的钢种. 建筑用钢种(CON)是一种相对要求不高的钢种等级,加工工序最少,因此建议新手使用. 使用者的主要工作就是是确保碳含量在 0.1 和0.16%之间. 用于汽车车身零件的 TiNb 超低碳钢(ULC),其碳含量低于 0.01%,旨在优化成形性.因此, 用户主要控制冶炼终点的温度,以保持温度低于最大值的同时实现低目标含量. 用于气体运输的管线钢(LPS)的生产等级较高,因为高强度和高断裂韧性的组合需要极低水 平的杂质(S,P,H,O 和N)和夹杂物.建议只有经验丰富的用户才能尝试此冶炼等级. 工程钢(ENG)是一种热处理低合金钢,碳含量相对较高.选择正确的初始冶炼温度对于达 到目标温度是很有必要的,同时要保持碳含量在 0.30 和0.45%之间. 表5-1 模拟用的四种目标钢种元素的最高含量/wt%. 元素 建筑用钢 超低碳钢 管线钢 工程用钢 C 0.16 0.01 0.08 0.45 Si 0.25 0.25 0.23 0.40 Mn 1.5 0.85 1.1 0.90 P 0.025 0.075 0.008 0.035 S 0.10 0.05 0.01 0.08 Cr 0.10 0.05 0.06 1.2 B 0.0005 0.005 0.005 0.005 Cu 0.15 0.08 0.06 0.35 Ni 0.15 0.08 0.05 0.30 Nb 0.05 0.03 0.018

0 Ti 0.01 0.035 0.01

0 V 0.01 0.01 0.01 0.01 Mo 0.04 0.01 0.01 0.30 Ca

0 0 0.005

0 6 各项进展安排 Secondary Steelmaking Simulation User Guide

4 在开始模拟之前,做好提前计划是很重要的.首先要做的是完成物料平衡和热平衡计算,以确 定脱碳和维持终点温度所需的铁水,废料,铁矿石,炉渣和总吹氧量.然后,用户需要考虑如 何在规定时间内达到冶炼目标值. 表6-1 用于超低碳钢等级的铁水和出钢钢水元素成分的实施例. (必须脱碳,硅和磷,而锰可以保持不变.此外,还需增加温度.) 铁水 / wt% 出钢钢水/ wt% 差值/ wt% C 4.5 0.01 -4.49 Si 0.4 0.25 -0.15 Mn 0.5 0.85 +0.35 P 0.08 0.075 -0.005 Temperature

1350 ?C

1680 ?C +330 ?C 6.1 成分 为了达到冶炼目标,必须进行一些补充.以下是用户需要回答的关键问题: ? 冶炼过程中可以使用哪些添加剂来实现目标? ? 需要多少添加剂(以kg 为单位)? ? 这种添加剂是否会影响其他元素,如果影响,是多少? ? 什么时候应该添加? ? 添加剂如何影响成本,钢材成分和温度? 表6-2 原辅料的成分和成本 原辅料 成分 成本美元/吨 铁水 4.5%C, 0.5%Mn, 0.4%Si, 0.08%P, 0.02%S + Fe bal. $185 轻型废钢 0.05%C, 0.12%Mn, 0.015%P, 0.015%S, 0.06%O, 0.003%Ce, 0.26%Cr, 0.02%Cu, 0.14%Mo, 0.001%Nb, 0.4%Ni 0.001%Sn, 0.015%Ti, 0.005%V, 0.009%W + Fe bal. $190 Secondary Steelmaking Simulation User Guide

5 重型废钢 0.05%C, 0.12%Mn, 0.015%P, 0.015%S, 0.06%O, 0.003%Ce, 0.26%Cr, 0.02%Cu, 0.14%Mo, 0.001%Nb, 0.4%Ni, 0.001%Sn, 0.015%Ti, 0.005%V, 0.009%W + Fe bal. $150 铁矿石 99.1%FeO, 0.3% Al2O3, 0.5%CaO, 0.1%MgO, 0.001%P $85 石灰石 94.9%CaO, 1.2%Al2O3, 1.8%MgO, 2.1%SiO2 $85 白云石 59.5%CaO, 38.5%MgO, 2%SiO2 $85 表6-3 典型添加元素的回收率(%) 元素 C Si Mn P S Cr Al B Ni 回收率

95 98

95 98

80 99

90 100

100 元素 Nb Ti V Mo Ca N H O Ar 回收率

100 90

100 100

15 40

100 100

100 元素 As Ce Co Cu Mg Pb Sn W Zn 回收率

100 100

100 100

100 100

100 100

100 6.2 温度 为了最终得到正确的出钢温度,我们首要考虑的是不同添加量对钢水温度的影响. 1. 在静止状态下,例如当关闭搅拌气体并且没有吹入氧气时,钢水大约每分钟降温 1~2℃. 2. 对于大多数添加剂,每加入一吨(1000 千克)会导致额外的温度下降约 5℃. 3. 磷和硅氧化时放出大量的热,每吨铁水每氧化 0.1%时产生的热量约 26MJ /吨,相 当于每 0.1%接近升温 3℃/吨. 4. 碳氧化也是放热的,每0.1%氧化产生热量约 13MJ /吨,相当于每 0.1%升温约 1.4℃ /吨. 5. 提高铁水或钢的温度分别需要 9.0 或9.4 MJ / 吨的热量. 通过从加料到出钢过程的精确计算,可以得出温度与时间的关系曲线. 6.2.1 钢液温度的计算 Secondary Steelmaking Simulation User Guide

6 必须防止钢液温度降至液相线温度以下(即钢开始凝固的温度).液相线温度跟元素成分相关, ........