钢包电磁搅拌生产洁净钢的几个工艺理论问题

钢包电磁搅拌生产洁净钢的几个工艺理论问题钢包电磁搅拌生产洁净钢的几个工艺理论问题　　摘　要　90tLF/VD(EMS)钢包精炼炉的试验表明:“钢渣混卷”能显著提高ηs,但使η0急剧下降,甚至出现负值。因此在对钢液进行脱硫时,应使I＞I卷、临;而对钢液进行净化搅拌时,应使I＜I卷、临。搅拌过程中使钢液裸露,不仅提高其收得率，也利于快速真空脱气。但在非真空状态下,钢液的氮含量与“开眼”面积大小负相关。电磁搅拌在排除钢液非金属夹杂物方面,有其他搅拌根本无法替代的独特功能,可加快夹杂物的上浮速度;电磁场能对导电流体(钢液)中的不导电物质(非金属夹杂物)产生挤压力而使其分离,这一功能对生产洁净钢有着十分重要的意义。　　关键词　钢包电磁搅拌　洁净钢生产　工艺理论1　前　言　　炉外精炼是生产洁净钢的关键工序之一,而搅拌又是炉外精炼不可缺少的关键环节。我们在90tLF-VD(EMS)精炼炉工业性试验的基础上,探讨了钢包电磁搅拌生产洁净钢的几个工艺理论问题。2　电磁搅拌工业性试验条件　　工业性试验在马钢股份有限公司第一炼钢厂90tLF-VD(EMS)装置上进行,设备主要技术参数见表1。表1　90tLF-VD(EMS)主要技术参数钢　包电搅器LF/VD公称容量　90t高　　度　2720mm变压器容量　1400kVA+30%熔池直径　2752mm形　　状　V型板式电极直径　357mm熔池深度　2183mm夹　　角　90°极心园直径　650mm净空高度　900mm工作电压　390V加热速率　＞4.0℃/min钢包内衬　高铝砖工作频率　0.3～5.0Hz真空度　＜66.7Pa渣线用砖　镁钙碳砖工作电流　≤1350A底吹氩在电搅器同侧3　试验结果3.1　电磁搅拌强度与脱硫率的关系　　在钢包顶渣成份与渣量基本相同的条件下,用不同电磁搅拌强度上搅10min。实测数据表明:随电磁搅拌电流强度I的提高,脱硫率不断增加,其关系式是:ηs=15.6exp(0.0012×I)　　　　　　　　　　　　　　(1)3.2　电磁搅拌强度与钢中全氧含量的关系　　在钢包顶渣厚度为110mm情况下,用不同电磁搅拌强度上搅12min。实测数据表明:当I≤600A的情况下,随电磁搅拌强度增加,钢中全氧不断下降,η0不断提高;当I≥700A以后,电搅后的钢中全氧含量与I≤600A的相比不断上升,η0不断下降,甚至出现负值(见图1)。图1　电搅电流强度与钢中全氧量的关系3.3　电磁搅拌时间与钢中全氧含量的关系　　在钢包顶渣厚度110mm和电磁搅拌强度固定不变的情况下,钢中全氧含量与上搅拌的时间关系见图2。从图可见,随电搅时间增加钢中全氧是不断下降的。图2　电搅时间与TO的关系3.4　渣层厚度及吹氩量与临界“开眼”电流强度的关系　　分别测试了不吹氩、底吹氩50l/min和底吹氩100l/min的3种情况下,不同渣层厚度与上搅临界“开眼”电流强度关系(见图3)。渣层越厚I开、临越大,底吹氩强度越大,I开、临越小。当渣层厚度为110mm,在不同吹氩量情况下,I开、临可以用下式计算:I开、临=800exp(-4.6×10-4Q)　　　　　　　　　　　　　　　(2)图3　渣层厚度及底吹氩量与临界开眼电流的关系3.5　电磁搅拌强度与“开眼”面积关系　　在钢包顶渣厚度基本相等(h=110mm)的情况下,分别测试了不吹氩与底部吹氩50l/min(搅拌方向一致)两种情况下,上搅拌的电流强度与“开眼”面积的关系。随I的增大,F不断增大,在相同的I时,吹氩又比不吹氩的要大。在底吹氩50l/min的情况下,其关系式是:F=3.182×10-27×I8.645　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)4　分析与讨论4.1　电磁搅拌强度与“卷渣”问题　　决定化学反应能否进行及精炼的本质因素是热力学条件,就精炼炉内钢水与顶渣发生反应而言,若顶渣是挡去初炼钢水渣后重新加入的具有良好脱硫能力的合成渣,则应增大电搅强度,发生“卷渣”现象,改善脱硫反应的动力学条件,能获得更好的精炼效果。但对净化钢液搅拌,排除钢中夹杂物而言,情况就相对复杂。当在不发生“卷渣”的前提下,增大搅拌强度有助于夹杂物的碰撞,聚结长大和去除。从图1看是I≤600A的情况下,此时只有一定量的非金属夹杂物从钢液中排出,排出数量与电搅强度的关系式可以表示为M出=K出f(I),而没有浮渣的卷入,M入=0,电流强度越大,排出量越大,则全氧(TO)越低,η0不断提高。但是当I＞I卷、临以后,一方面钢液夹杂物仍在排出,另一方面浮渣卷入钢液,钢液中夹杂物含量变化见下式,即ΔM=M出-M入=K出f(I)-K入f(I-I卷、临)(4)　　随I不断增加,又出现两种不同情况,其一是通过电磁搅拌,夹杂物排出量大于浮渣卷入的量,在此情况下(从图1看是700～800A的情况),与电搅前相比,电搅后的TO仍然有所下降。其二是浮渣卷入的量超过了钢液夹杂物排出的量,在此情况下ΔM＜0,电搅后的TO反而增加,η　0出现负值(从图1看是I≥900A情况)。因此从理论上推导精炼钢包电磁搅拌发生卷渣的临界电流强度值(I卷、临),对生产应用有很重要的指导意义。　　根据 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 ［1］,精炼钢包的钢渣界面发生卷渣的临界速度是:　　　　　　　　　(5)式中　σm-s——钢渣界面张力　　　ρm——钢液密度　　　g——重力加速度　　　ρs——钢渣密度　　在马钢一钢厂精炼渣系与温度下,σm-s约为0.5N/m,求得μ卷、临=0.399m/s。设钢包中μmax=μ卷、临,则卷渣临界电磁搅拌功可以用下式计算:　　　　　　　　　　　　　(6)式中　μ——钢液流股速度　　　r——钢包半径　　当ρm=6900kg/m3,μ=0.399m/s,r=1.367m时,求得W卷、临=408N*m。当电磁搅拌的工作频率为3Hz,电磁搅拌器边缘与钢包中心夹角为90°时,可求得比搅拌功率ε卷、临=50.5w/t。根据马钢一钢厂90tLF-VD精炼炉的设备条件,按Shiwaku 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算了搅拌电流与比搅拌功的关系,并相应简化成如下关系式:ε=2.182×10-3I1.56　　　　　　　　　　　　　　　　(7)　　根据式(7),可最终推导出I卷、临=628A。因此在精炼炉内对钢液进行脱硫时,应使电搅I＞I卷、临;但在对钢液进行净化搅拌时,应使电搅I＜I卷、临,在不发生卷渣的情况下,η　0与I正相关,I越大越好。4.2　电磁搅拌强度与“开眼”的问题　　所谓“开眼”就是钢液面上的渣层被推开，使钢水裸露。精炼过程的“开眼”问题分为两个方面,一方面在非真空状态下,除特殊要求外,不要“开眼”,以减少合金元素的烧损和钢液的吸气量;另一方面在精炼过程中添加合金微调成分和真空脱气时必须“开眼”,对前者而言,可以提高合金的收得率,对后者而言,可以提高脱气效率。脱气速度可以用下式表示［2］　　　　　　　　　(8)　　从式(8)可见,提高搅拌强度,增加“开眼”面积,同时也增大了传质系数,这都使脱氢速度加快。4.3　电磁搅拌与夹杂物排出的问题　　在不卷渣的前提下,比搅拌功率越大,越有利夹杂物的排出,所以钢中的全氧(TO)含量越低。电磁搅拌与吹氩搅拌不发生卷渣的临界比搅拌功率是不一样的。以马钢90t钢包而言,电磁搅拌的临界比搅拌功率为50.5w/t。吹氩搅拌的临界比搅拌功率为50.5w/t。当钢液流动临界速度为0.399m/s时,临界吹氩量为186l/min,代入(9)式，求得吹氩搅拌的临界比搅拌功率为42.7w/t。　　　　　　　　　　(9)式中　ML——钢液重量　　　h0——吹氩深度　　一般用“半衰期”τ1/2作为夹杂物排除速度的准数,半衰期越小,夹杂物排除速度越快［4］。　　　　　　　　　　　　　(10)　　综上所述,在不发生卷渣的前提下,电磁搅拌在精炼钢水净化搅拌时,可采用高于吹氩约18%的比搅拌功率,来促进夹杂物的上浮排出,其夹杂物排除的“半衰期”时间比吹氩搅拌减少15%。　　由于处于电磁场中的通电物体体积元V存在一种电磁重力(EMW),当该体积元处于平衡时,则必有一个力与之抗衡,这个力就是电磁挤压力(EMB)。在均一流体中,显然EMW=EMB。但当该体积元V被一与周围流体电导率不一致的物质所取代,则EMW≠EMB,平衡被打破,该体积元受到不平衡力的作用。根据资料［5］,推导其合力为:　　　　　　　　　　(11)式中　μ——导磁率　　　H——磁场强度　　　j2——钢液电流密度　　　V——物体体积元　　　σ1——夹杂物电导率　　　σ2——钢液电导率　　为了比较电磁挤压速度与重力迁移速度的大小,以Al-Al2O3体系为例,在相同的工艺参数条件下算出Al2O3夹杂在电磁挤压力作用下,迁移速度是重力作用下下沉速度的11倍,这无疑表明在电磁场中,夹杂物有很大的排出速度。不仅如此,更值得强调的是这种电磁合力的产生主要是由于非金属夹杂与金属液的导电率差异所致,而与非金属夹杂颗粒大小无关,这就为那些颗粒很小(＜20μm),很难靠重力差分离的夹杂物,提供了快速排除的新动力。　　大量的研究证实:电磁搅拌能得到夹杂物较低和洁净度较高的钢质,见图4［6］。图4　不同搅拌方式对钢中TO的影响4.4　电磁搅拌方向与搅拌时间的问题　　电磁搅拌方向分上搅和下搅,流动的钢液在电磁搅拌器的作用下,不断被加速,所以上搅时,钢液最大流速的流股在熔池表面,下搅时则在熔池底部。为此我们认为;除了熔化包底冷钢,在加热时酌情采用上、下交替搅拌,以利包底冷钢快速熔化和熔池的快速升温外,一般都应采用上搅。因为下搅时,最大流速流股与包底接触,在包底上流股动能损失与流股流速平方成正比,另一方面动摩擦力还与流股所受正压力成正比,因此下搅动能损失较大,搅拌混匀的效果较差,见图5［7］,另外下搅还降低包底耐火材料的使用寿命。图5　不同搅拌方式对混匀时间的影响　　搅拌时间取决于熔池均匀化与夹杂物充分排除的需要。混匀时间与电磁搅拌电流强度的关系可以根据本文公式(7)与中西恭二给出的混匀时间与比搅拌能关系式推出:τ=9280I-0.624　　　　　　　　　　　　　　　(12)　　根据式(12),在净化搅拌时,因为要求电搅电流I＜628A,所以搅拌时间应＞3min,过长的搅拌时间对夹杂物的排除效果不大(见图2),搅拌时间应不大于12min。5　结　论　　(1)电磁搅拌在降低钢中非金属夹杂物,尤其是≤20μm的非金属夹杂物方面与吹氩搅拌相比有显著的优越性。这不仅是电搅的临界比搅拌功率是气搅的1.2倍,夹杂物的“半衰期”时间比气搅减少15%,更重要的是电磁搅拌对钢液还有“电磁净化”作用,使非金属夹杂物不论颗粒大小,都能以较快的速度从钢液中排出。　　(2)电磁搅拌产生“卷渣”的临界电流I临界=628A。由于电搅的电流可以精确控制,可以根据不同精炼工艺的要求,防止“卷渣”发生或制造“卷渣”现象。比如在净化搅拌时,控制I＜I卷、临,防止卷渣发生;为了钢液深度脱硫,控制I＞I卷、临,制造“卷渣”现象。　　(3)电磁搅拌(在通常渣层厚度h=110mm的情况下)使钢液面“开眼”裸露的临界电流强度I开、临=800exp(-4.6×10-4Q)。同样可以根据不同精炼工艺的要求进行控制,比如为防止钢液中铝等合金元素氧化和钢液吸氧,控制I＜I开、临;但为了提高微调合金的收得率和真空脱气效率,则应使I＞I开、临。在底吹氩50l/min的情况下,“开眼”面积与电流强度的关系是F=3.182×10-27I8.645.　　(4)电磁搅拌的方向可以根据精炼工艺的需要而改变,采用下搅时具有处理包底冷钢透气砖堵塞等事故的能力,在加热时可采用上、下交替方式。但一般情况下应采用上搅,因为上搅能量损失小,搅拌效果比下搅好,有利于提高钢包使用寿命。　　(5)电磁搅拌能量分布均匀,流场基本上无死角,另外不“卷渣”的临界比搅拌功率也比吹氩搅拌的大,因此钢液温度与成分相对容易均匀,上搅混匀时间≥3min即可,即使是净化搅拌,也以不超过12min为宜。　　(6)电磁搅拌可以在较低温度下进行搅拌,而低温出钢可使钢中氧含量减少,出钢过程吸气减少,同时减少钢包耐材的侵蚀,使钢中夹杂物含量降低。电磁搅拌时钢液面相对平静,减少了电弧加热时电极渗碳等不利因素。　　(7)电磁搅拌是生产洁净钢理想的搅拌方法。