第12卷第2期2000年4月
钢铁研究学报
JOU RNAL O F I RON AND ST EEL R ESEA RCH
V o l .12,N o.2
A p r .2000
基金项目：国家“八五”科技攻关项目(“八五”2621)
作者简介：刘 浏(19512)，男，博士，高级工程师(教授); 收稿日期:1999204221; 修订日期:1999211229
刘 浏, 杨 强, 张春霞
(钢铁研究总院工艺研究所北京100081)
摘 要：根据RH 精炼过程钢水传热的物理模型，提出了预报RH 精炼过程钢水温度的数学模型。根据此模型可以分别计算真空室内和钢包内钢水的温度变化。计算结果表明：在精炼初期2～3 m in 内，由于炉壁吸热，钢包内钢水温度迅速降低，随后真空室内钢水温度开始回升,4m in 后，钢包
和真空室内钢水温度趋于均匀。采用该模型预报实际真空脱碳终了温度，其中平均误差在±5℃以内的占72%。
关键词:RH 精炼；传热；钢水温度；数学模型
中图分类号:T F 769.4 文献标识码:A 文章编号:100120963(2000)022*******
Study on the Tem perature Pred iction M odel of
M olten Steel for RH Process
L I U L iu , YAN G Q iang , ZHAN G Chun 2x ia
(Central Iron &Steel R esearch Institute ,Beijing 100081,Ch ina )
Abstract :Base on the physicalmodel of heat transfer of RH p rocess ,a temperature p redicti on mod
2el of mo lten steel fo r RH 2KTB refining p rocess w as developed .T he temperature of mo lten steel in vacuum vessel and ladle can be calculated using th is model
.T he calculated results show that the temperature of mo lten steel rap idly reduce during the early stage of 2—3m in ,due to endo ther m of w all of vacuum vessel and then the temperature of mo lten steel in vacuum vessel rise up .A fter 4m in ,the bo th temperature tend to unifo r m .T he comparison betw een calculated and m easured val 2ues show s that the values having average erro r w ith in ±5℃is by 72%fo r p redicting temperature of mo lten steel at decarburizati on end 2po int of RH p rocess .
Key words :RH refining ;heat transfer ;mo lten temperature ;m athem atical model
符 号 总 表
A i ——耐火材料面积,m 2;
c P i ,c P r ,c P A r ,c P g ——钢水、炉衬耐火材料、氩气和炉气的
定压比热容,J (kg ・℃); c k ——修正系数;
∃[C ]——在t 至t +∃t 时刻内钢水脱碳量,%; [C ]t ——t 时刻的钢水碳含量,%; [C ]0——钢水初始碳含量,%; D ——上升或下降管直径,m ; E i ——表面自身辐射能,kJ m 2;
G ——氩气流量,L m in ; G i ——表面辐射密度,kJ m 2;
h r ——真空室炉衬耐火材料的对流传热系数,W
(m 2・K );
H ——真空室炉壁厚度,mm ; J i ——表面有效辐射能,kJ m 2; k c ——表观脱碳速度常数,1 m in ;
k r ——真空室炉衬耐火材料的导热系数,W
(m ・K ); M r ——耐火材料的总重量,t ;
—
51—
p 1,p 2——环境与真空室压力,Pa ; Q ——钢水循环流量,t m in ;
Q c ——真空室内钢水脱碳产生的化学热,kJ ; Q g ——吹入的氩气泡与炉气带走的热量,kJ ; Q s ——真空室内钢水表面辐射热量,kJ ;
Q W ——真空室内衬蓄热与传热引起的热损失,kJ ; q i ——与钢水接触的各部分耐火材料的传热量,kJ c m 2; T 1,0,T 2,0——钢包和真空室内钢水的初始温度,℃; T 1t ,T 2t ——钢包和真空室内钢水在t 时刻的温度,℃; T i,sur ——耐火材料或钢渣表面温度,℃; T r0——真空室内壁初始温度,℃;
∃T r ——耐火材料在∃t 时刻内的平均温升,℃; T A r ——氩气温度,℃;
T (X ,t )——耐火材料在t 时刻X 点的温度,℃; T z ——环境温度,℃; t ——精炼时间,m in ; t 0——初始精炼时间,m in ;
V 1,V 2——钢包和真空室内钢水的体积,m 3; w ——钢水重量,t ; w c ——冷却剂加入量,kg ; X ——沿厚度方向某点,m ; Αr ——炉衬导温系数,W ・m 2 kJ ; Θl ——钢水密度,kg m 3; Θr ——耐火材料密度,kg m 3; Εi ——表面黑度; Ρ——波尔兹曼常数。
RH 精炼设备具有真空脱碳、脱气等冶金功能，适宜大量生产超纯净钢[1～3],RH 精炼处理周期短，生产效率高，广泛用于大型钢铁联合企业[4,5]。为进一步提高RH 精炼的生产效率，提高处理终点的控制精度与命中率，许多学者研究开发了各种脱碳预报模型[6～8]。但对RH 精炼过程钢水温度的预报和控制模型研究较少[9]
。本文作者通过分析RH 精炼过程的传热规律，建立了钢水传热的物理模型和温度预报的数学模型，并应用于实际生产预报RH 精炼过程中的钢水温度。
1 预报RH 精炼钢水温度的数学模型
1.1 物理模型
图1为RH 精炼工艺原理和钢水传热物理模型示意图。从图中可以看出,RH 精炼过程中的热量传递通过以下3种途径完成:
①C 2O 反应区:t 时刻钢包内温度为T 1t 的钢水，以循环流量Q 在氩气泡的作用下通过上升管进入真空室，发生脱碳反应，反应式为
:
图1 RH 精炼工艺原理(a )与传热物理模型(b )示意图
F ig .1 The pr i nc iple (a )and heat tran sfer
m odel (b )of RH process
[C ]+[O ]=CO
(1)
每公斤碳燃烧生成CO 的热焓为:∃H CO
=9195.3
kJ kg
[10]
。
虹吸式屋面雨水排放系统 同时，钢水以辐射和对流方式向真空室壁传热，综合作用的结果使真空室内的钢水温度变为T 2t 。 ②钢水混匀区：温度为T 2t 的钢水经下降管流入钢包并在钢包内混匀，待钢水温度变为T 1t +∃T 后重新流入真空室。周而复始，引起钢水温度不断变化。 ③散热区：在钢水循环流动过程中，钢水与钢包、真空室和上升管壁的耐火材料间通过对流和传导方式散热。1.2 数学模型
根据上述RH 精炼过程传热物理模型，可以建立预报RH 精炼钢水温度的数学模型。 ①真空室内传热
在t 时刻，真空室反应区内钢水的热平衡式为: Θl V 2c P l
d T 2t
d t
= Q c P l (T 1t -T 2t )+Q c -Q W -Q s -Q g
(2)
其中:Q c =∃H
CO
∃[C ]w
[10]
Q W =c P r M r ∃T r +2A i q i Q s =23
i =1Q i =23
i =1
A i J i
Q g =Gc P A r (T 2t -T A r )+2.33w c P g ∃[C ]
②钢包内传热 Θl V 1c P l
d T 1t
d t
=Q c P l (T 2t -T 1t )-Q W -Q s (3)
③炉壁耐火材料传热
假定钢包、真空室和吸管耐火材料的温度除厚度方向(径向)以外，其它方向是均匀的，所以热量仅沿着耐火材料的厚度方向从内向外传热，则传热方
—
61—2000年 钢 铁 研 究 学 报 第12卷
程为:
52T (X ,t )5X 2
=1Αr 5T (X ,t )
5t (4)
其中,Αr =
k r
Θr c P r
。边界条件: 5T 5X X =X 0,t =k r 5T
5t X =X 0,t
5T
5X
X =X 1,t =h r (T -T z )
在此取T z =20℃。
初始条件:
T (X ,0)=T X ,0
对于钢包,T X ,0由钢包进站时钢包耐火材料中的温度分布决定。对于真空室和上、下吸管,T X ,0由RH 精炼开始时真空室耐火材料中的温度分布决定。图2、图3分别给出武汉钢铁(集团)公司第二炼钢厂(以下简称武钢二炼钢)2号RH 精炼设备中真空室及钢包的结构和材质。
④钢水或炉渣表面辐射传热
计算自由空间内辐射换热时假定：辐射空间的气体透明、构成自由腔体的表面为灰体、各表面温度均匀。则每个表面的辐射密度为: G i =23
k =1
J k Υik
(5)
J k ,Υik 的计算方法见参考文献[11]。每个表面的自身辐射能为:
E i =Εi ΡT 4
i ,sur (6)每个表面的有效辐射能为: J i =E i -(1-Εi )G i
(7
)
图2 真空室炉壁结构及材质
F ig .2 The structure and mater i als of the
wall for vacuu m
vessel
图3 钢包包壁、包底的结构和材质
F ig .3 The structure and mater i als of wall for ladle
联立式(5)～式(7)，求出:
J i =Εi ΡT 4
i ,sur -(1-Εi )2J k Υik
(8)
式(5)～(8)中,i =1,2,3，分别表示钢、渣自由
表面对炉顶、炉壁及炉壁之间的热辐射。1.3 计算条件
RH 精炼过程中的脱碳速度表达式为[2]: [C ]t =[C ]0exp (-k c t )
(9)
RH 精炼过程中钢水循环流量按下式计算[6]:
Q =c k G 1 3D 4 3(ln p 1 p 2)
1 3
对武钢二炼钢2号RH 精炼设备取c k =9.86[12]。具体的设备参数和工艺参数见表1。1.4 计算方法
为简化计算，计算前进行以下假设:
①钢水流动为稳定流动，真空室内钢水深度只是真空度的函数;
②钢包、真空室和上、下吸管内衬中的温度分布沿轴向是均匀的，而沿径向(壁厚方向)是不均匀的; ③上升炉气的温度与真空室内钢水温度相等，即T g =T 2;
④钢包内钢水表面通过炉渣向无限大空间辐射;
⑤RH 处理过程中脱碳速度常数为恒定值。1.4.1 初始时间段钢包和真空室中钢水温度的计
算
根据假设①，假定在初始时间t 0段，钢水由钢包流向真空室直至达到与真空室压力相平衡的液面高度前，钢水不会回流到钢包内。在该时间段钢包内钢
—
71—第2期 刘 浏等:RH 精炼钢水温度预报模型 4月
表1 2号RH 精炼设备参数和工艺参数
Table 1 Param eters of dev ice and technology for No .2
设备参数
真空室尺寸 m
内径高度
1.4310.80真空室上升(下降)管直径 m 真空室上升(下降)管长度 m
0.330.9钢包尺寸 m
内径深度2.643.29工艺参数
真空室大气压力 Pa 处理前期处理后期20000115真空室钢水液面高度 m
0.95
钢水循环流量 t ・m in -1
处理前期处理后期2230氩气流量 L ・m in -1
处理前期处理后期400600RH 处理时间 m in
处理前期处理后期
515环境大气压力 Pa
10132.33
注：处理前期——RH 真空脱碳阶段；处理后期——真空脱
碳后直至精炼结束的阶段。
水温度下降只由包衬蓄热、包壁和包底传热以及渣层辐射引起；而真空室钢水温度下降只由真空室(包括插入管)耐火材料吸热及真空室内外表面辐射引起。以开始RH 精炼的钢水温度为初始条件，分别计算钢包和真空室内钢水的初始温度T 1,0和T 2,0。1.4.2 任意时刻钢包和真空室中钢水温度的计算 根据初始条件:T 1,0、T 2,0和T X ,0对式(2)、
式(3)和式(4)采用二阶R ung 2ku tta 迭代即可得到任意时刻t 时钢包和真空室内的钢水温度T 1,t 和T 2,t ，以及耐火材料表面温度T X =0,t 和T X =1,t 。
2 计算结果和讨论
2.1 RH 精炼过程中钢水温度下降的规律
图4给出RH 精炼过程中真空室和钢包内钢水温度随精炼时间的变化。从图中可以看出,RH 精炼过程中钢水温度下降有以下规律:
①在RH 精炼初期(t <2m in )，炉衬耐火材料强烈吸热使钢水温度急剧下降(钢包中钢水温度下降15～20℃，而真空室内钢水温度在1.5m in 内下降约70℃);1.5m in 后，由于钢水循环加快使真空室炉衬蓄热，真空室内钢水温度开始回升;3
～4m in 时，真空室与钢包内的钢水温度基本趋于相等。图4 RH 精炼过程中真空室和钢包内钢水
温度随精炼时间的变化
T 0=1650℃; T r0=1100℃;k c =0.15l m in ; H =245mm
F ig .4 Relation sh ip between the te m perature of m olten
steel and treat m en t ti m e i n RH process
②随精炼时间延长，钢水温度逐渐下降，平均下
降速度为3.55℃ m in ，整个处理过程中温度下降
30～60℃。
2.2 RH 精炼过程中工艺参数对钢水温度下降速
度的影响2.2.1 初始碳含量的影响
在所计算的初始碳含量范围([C ]0=0.01%～0.03%)内，初始碳含量对RH 精炼过程中钢水温度下降速度的影响较小。钢包内钢水温度的平均下降速度与初始碳含量的关系为:
∃T ∃t =2.439-4.066[C ]0(10)2.2.2 表观脱碳速度常数的影响
在所取的表观脱碳速度常数范围内(k c =0.1～
0.25l m in )，表观脱碳速度常数对精炼过程中钢水温度下降速度几乎没有影响。钢包内钢水温度的平均下降速度与表观脱碳速度常数的关系如下:
∃T ∃t =2.415-0.78k c +1.015k c -0.98k c
2
(11)2.2.3 真空室内壁初始温度的影响
如图5所示，真空室内壁初始温度T r0对RH 精炼过程中钢水温度下降速度的影响极大，在相同条件下,T r0从800℃升至1300℃时，钢水处理温度可下降20～25℃。即T r0每升高100℃，处理温度下降4～5℃。随着真空室内壁温度的降低，在处理前期(<2m in )，由于耐火材料强烈吸热，引起钢水温度骤然下降。T r0对钢包内钢水温度下降速度的影响为:
∃T ∃t =4.43-0.002T r0
(12)
—
81—2000年 钢 铁 研 究 学 报 第12卷
图5 真空室内壁初始温度对RH精炼过程角关联
中钢水温度下降速度的影响
T0=1650℃; k c=0.15l m in;
[C]0=0.02%; H=245mm
F ig.5 The effect of wall te m perature for
vacuu m vessel on te m perature
drop of m olten steel
2.2.4 钢水初始温度的影响
钢水初始温度T0对精炼过程中钢水温度下降速度的影响较大。随着钢水初始温度的升高,RH精炼过程中钢水温度下降速度加快，二者的关系为:
∃T ∃t=1.66×10-6T20-1.16×10-3T0-0.257
(13) 3 温度预报模型在实际生产中的应用
3.1 预报RH精炼过程中钢水温度的下降速度
总结式(10)～式(13)，得到RH精炼过程中钢水温度平均下降速度:
∃T ∃t=3.34-4.066[C]0-0.002T r0+
1.66×10-6T20-1.16×10-3T0(14) 3.2 预报RH精炼过程中脱碳终点的钢水温度
根据式(14)，设RH精炼前期脱碳结束的取样时间为t4，可用式(15)预报RH精炼过程中脱碳终点的钢水温度，即:
T4=T0-(∃T ∃t)t4-0.0317w c-0.127
(15) 图6为武钢二炼钢2号RH设备精炼W L C钢时，真空脱碳终点处用上述模型预报的钢水温度与实测钢水温度的比较。从图6可见，模型计算值与实测值的平均误差a v=6.51℃。其中误差≤±5℃的占72%，说明用该模型来预报钢水温度基本可行
。
图6 RH精炼过程中脱碳终点钢水温度
的模型计算值与实测值
F ig.6 Co m par ison between the m easured and calculated
te m perature at end-po i n t of RH decarbur ization
4 结 论
(1)根据RH精炼过程中钢水传热的物理模型，建立了RH精炼过程中钢水温度的预报模型。该模型可用于计算RH精炼过程中钢包与真空室内钢水温度的变化。用此模型预报武钢二炼钢2号RH设备精炼W L C钢脱碳终点处的钢水温度，与实测钢水温度相比，平均误差只有6.51℃，误差在±5℃以内的数值占72%。
(2)在RH精炼初期，钢包内钢水温度迅速下降,2～3m in后，真空室钢水温度迅速升高，逐渐与钢包内钢水温度趋于均匀，钢水温度平均下降速度为3.55℃ m in。
(3)真空室内壁温度和钢水初始温度对RH精炼过程中钢水温度下降速度的影响较大。
参考文献:
移相电路
[1] Charles J L.N ati onal Steel U nveils V acuum D egasser at Great
L akes D iv[J].Iron and Steel Engineer,1990,67(6):64265. [2] 住田 夫，藤井 也，小口征南,ほか.底吹转炉とRH 流
式真空脱 装置による 低碳素钢の制度[J].川崎 技
,1983,15(2):1522157.sata连接器
[3] R ichard G R,Charles R C.P rocess A utom ati on at L TV
Steel’s IndianaH arbo r W o rk s L adle M etallurgy Facility
[J].Iron and Steel Engineer,1990,67(7):38242.
[4] D iana L B,Jeffrey P D,Jo seph N S.P rocess Contro l System
fo r Dofasco’s L adle M etallurgy Facility[J].Iron and Steel Engineer,1990,67(5):30238.
—
9
1
—
第2期 刘 浏等:RH精炼钢水温度预报模型 4月
[5] F ritz K .A dvanced M elting fo r U ltra 2clean Stainless Steels
[J ].Steel T echno logy Internati onal ,1995 1996:1522156.[6] Kuw araba T ,Um ezaw a K ,M o ri K ,et al .Investigati on of D e 2
carburizati on Behavi o r in RH 2reacto r and Its Operati on I m 2p rovem ent [J ].T rans IS I J ,1988,28(4):3052314.
[7] K ish i m o to Y,Yam aguch i K,Sakuraya T ,et al .D ecarburiza 2
ti on R eacti on in U ltra 2low Carbon Iron M elting under R educed P ressure [J ].IS I J Internati onal,1993,33(3):3912399.[8] Sano M ,H an Y ,Saw ada T ,et al .D ecarburizati on and O xy 2
gen A bso rp ti on of M elten Iron of L ow Carbon Concentrati on
w ith B low ing A r 2O 2M ixture of L ow O xygen P ressure [J ].IS I J Internati onal ,1993,33(8):8552861.
[9] 张春霞，刘 浏，张 钊，等.RH 2KTB 真空精炼过程温度控
制数学模型[J ].中国稀土学报,1998,16(专辑):5492554.
钢板桩引孔>cd激光头
[10] 佩尔克R D .氧气顶吹转炉炼钢(下)[M ].邵象华，楼盛赫
译校.北京：冶金工业出版社,1982.
[11] 杨贤荣.辐射换热角系数手册[M ].北京：国防工业出版社,
1982.
[12] 区 铁.RH 真空处理钢水循环流量的研究[C ].首届全国冶
金工艺理论学术会议,1990,3412347.
・技术推广・
由首都钢铁公司所属矿业公司和钢铁研究总院共同开发的“首钢矿业公司小球团烧结技术”于1998年通
过冶金部鉴定。该项技术解决了传统细精矿烧结透气性差、能耗高、烧结矿质量差的问题，是一种先进的烧结工艺。其工艺特点为：通过将烧结料造成3mm 以上的小球，蒸汽预热混合料，实现厚料层烧结；燃料熔剂同时分加，适度偏析布料和控制点火温度、点火强度，实现低温、高氧化性气氛烧结，并达到料层上部温度与下部温度基本一致的温度状态。这样制出的烧结矿不但有高碱度烧结矿以硅酸盐渣相和铁酸钙固结的方式，同时还有球团矿的Fe 2O 3再结晶的固结方式。小球团烧结不仅可以显著提高烧结矿的产量、降低燃料消耗，而且还能提高烧结矿的强度和还原性。
小球团烧结在设备上采用的新技术主要有:①提前在配料室预加水混匀润湿物料，以便提高造球效果;②采用高效圆筒混合造球专利技术，在一、二混总有效容积与烧结机面积之比仅为1.05∶1，精粉率为95%，生石灰配比为3%左右的条件下，将烧结混合料造成3mm 以上的小球;③采用混合机加雾化水专利技术，按最佳供水曲线向一、二混料机上喷雾化水，提高造球效果;④采用燃料分加专利技术，在二次混料机中部分加燃料和熔剂，成功地解决了一次混料机造球能力小、造球质量差以及在一、二次混料机之间分加燃料的效果不好等问题;⑤采用蒸汽预热混合料专利技术，在二混中间料仓内设喷射式蒸汽喷嘴，使蒸汽的热利用率大幅度提高;⑥控制五辊布料器间隙，使烧结混合料产生适度的偏析，并与点火强度、点火温度配合，实现了在95%精矿率的条件下确保580mm 料层正常烧结，并且做到了料层上部温度与下部温度基本保持一致，实现了厚料层、低温、均温、高氧化性气氛烧结。
由于采用了上述新技术，使得首钢矿业公司烧结厂烧结机的利用系数由1996年的1.29T S M 2H 提高
到1.45T S M 2H (无燃料分加)或1.60T S M 2H 以上(有燃料分加)；烧结矿固体燃料消耗由1996年的75kg T S 降到62kg T S (无燃料分加)；每吨烧结矿的电耗降低5～8k W ・h ；运到北京的烧结矿粉末由1996年的28%降到23%。由于采用小球团烧结工艺，首钢矿业公司1997年当年即获利1276万元以上，如果6台烧结机全部改造完毕，烧结厂每年可获利约4000万元。
鉴于该项技术是利用较小的混料机，在较低生石灰配比的情况下对烧结混合料造小球，因此比以前采用的其它造小球烧结方法更适合我国老烧结厂的技术改造。具体来说，改造一台90m 2的烧结机一般只需投资60万元(无燃料分加)，每年可获利500～800万元,2～3个月即可收回投资。另外，由于减少了烧结矿中的粉末并改善了冶金性能，对高炉也会带来十分可观的经济效益。
有意者请与本刊编辑部联系。
—
02—2000年 钢 铁 研 究 学 报 第12卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议