AOD工艺的基本脱碳模型研究
用于转炉氩-氧脱碳（AOD）气体喷射数学流体流动模型已完成和高温热力学模型的联合。联合后的通用模型是早期开发的三维三相且包括某些工艺热力学模型的强化版。它建立在基本传办理议程和独立的钢液、渣液、气相以及它们间的摩擦力的基础之上。AOD模型已用于预测AOD转炉第一喷射阶段脱碳。结果证明，准确性与工业过程控制模型预测结果十分一致。观察发现，AOD早期存在很大的碳尝试梯度，其梯度值随着脱碳末期的逼近而逐步减小。除此之外，预测结果还显示，AOD转炉脱碳时其局部脱碳速度随着局部压力的升高而降低，与理论相符。
1 概况
冶炼不锈钢通常用EAF熔化废钢，接着用转炉将EAF熔化后的钢水进行初次精炼，之后在精炼设备中完成二次精炼，最后用连铸机将成品钢液浇铸成优质钢坯。因为高碳含量降低不锈钢抗腐蚀性和/或机械性能，所以，采用有效方法降低不锈钢中的含碳量是生产优质不锈钢十分重要的环节。实践证明，转炉炼钢采用Ar-O氩氧脱碳（AOD）是实现快速脱碳和降低Cr消耗的有效方法国。通常将AOD分成几个阶段：脱碳、还原和脱硫。脱碳又可分成不同步骤，每个步骤都必须降低Ar/O比例。为获得AOD转炉在高温和强烈搅拌下的各种科学参数，许多冶金工作者为此进行过多方面探索。他们认为在碳浓度较低的情况下将会很快生成Cr2O3，大约0.06s后，气泡界面可以达到平衡。Earlier Jonsson等人完成了流体流动模拟与高温热力学之间的偶合，但至今未见用于AOD工艺的报导。而是一种以前开发的计算机模型结合化学反应使功能得到扩展并用于分析脱碳现象。
在目前的研究中，已有一种工业AOD转炉基本模型可供使用，但其计算功能很有限。更准确地说是仅完成已知初始化学成分和温度条件下第一阶段喷氧脱碳模拟。为此，用一种名为Time AOD2的过程控制模型对模拟成果的可靠性进行比较和确认。Time AOD模型是一种建立在适当的试验数据基础之上并且考虑了包括化学反应热，气体和炉渣冷却作用在内的平均温度过程控制模型。在本研究中用Time AOD2的结果与通用模型对具有边界条件的工业转炉数据的预测结果进行比较。
脱碳周期部分已采用研究方法进行了探索。其前提条件是假设Si在模拟初期已被氧化且引起模拟初期温度升高，将模拟初始碳浓度设定为0.6%。
2数字模型
数字模型用稳定态流动，其流动通过Tilliander等学者研究的法则计算获得。使用Kim-Chen修正的k-ε模型说明湍流；应用IPSA描述两相流动。如探索摩擦力诱发从慢速流动钢水到快速流动气体的动量传输，导致快流气体突然减速从而产生对钢液的搅拌作用，便可用到IPSA。
2.1系统阐述、边界条件和解决方法
为了确定和规范计算条件，将模型作如下说明：
1） 计算网格是一个位于笛卡尔直角坐标系中的六面体（尺寸为3m×1.7m×2.37m，分成78×44×56个体积单元）。
2） 模型以y=0的XZ平面中心为对称条件。
3） 模型内包括钢液、渣液和气体等三相。
4） 自由表面为平面。允许气泡通过表面离开计算范围。
5） 使用的离散化流程图为椭圆交错式；使用的差分式流程图为混接网络。
6） 尽快获得收敛流场并利用该流场以标量方式传输热力学量。通过流场自身维持其稳定性。
7） 6个进气口边界，每一个进气口均保其流量固定在20m3/分（STP）。
8） 假设每个计算网格在每个时间步达到热力学平衡。
9） 仅考虑并假设初喷阶段喷入纯氧。
10） 假设钢液温度升高与Time AOD2的数据回归成线性关系。
11） 喷射气体采用钢液瞬时温度。
12） 脱碳起点为计算始点，钢液温度达到2000K时为计算终止点。
13） 假设电弧炉完全加入预热废话钢。
14） 使用PHOEWtcs商业软件和热力学数据库Thermo-Calc执行计算。
2.2传输方程
下列传输议程用于任何相之间的任何物质的传输：
（1）
式中αi为相体积百分数，Pi为相密度，Vi为相速度矢量，D0k为物质K的扩散系数，μi为湍流态粘滞性，Sct为测流施密特准数（此处假定为1）。
2.3特性
元素的扩散系数和初始化学成分分别见表1和表2。注意，分析的钢试样来自工业电弧炉冶炼。此分析为未加高C-Cr铁的初始分析。所以，C和Cr的浓度通常低于实际钢水。分析试样中的含碳量低于1%。
表1 扩散系数
元素
C（g）
O（g）
O（Fe）
Ni（Fe）
Cr（Fe）
C（Fe）
DKO，m2/s
3.89×10-4
3.89×10-4
1.50×10-8
4.91×10-9
4.56×10-9
9.90×10-9
参考值
31
31
32
32
32
32
表2 不同元素和化合物初始成分
元素
C
Cr
Ni
Fe
O
钢
0.6
14.19
8.7
76.497
0.013
气体
40.75
0.0029
0.0039
0.00017
59.2403
氧化物
Cr2O3
NiO
FeO
Fe2O3
Fe3O4
0
0
0
0
0
液相由钢水和渣液组成并假设钢水和渣液的温度（K）成下列线性关系：T=0.4709t+1813.7 (2)
式中t为模拟时间（s）。线性关系式通过Time AOD2模型回归获得，温度考虑了化学反应热以及气体和炉渣的冷却作用。另外，假设整个范围内的温度恒定。
2.4热力学
使用Thermo-Calc软件文本S执行热力学计算。数据库TCMSI1和SSUB4分别用于钢液、炉渣和气体。Thermo-Calc是一个总软件包适用于多组元平衡计算，吉布斯自由能的最小值则用于单组元平衡计算。
主要化学反应见表3。注意，将所有反应放置在一起，按任意秩序以获得化合反应。第一，输入压力、温度、化学成分和相质量作为非稳定计算流体动力学的计算参数。第二，计算每种独立化合物的焓值。第三，假设一含热量同时确定一输入自变量以计算总平衡。最后，获得多种新的化合物的成分及总量。
表3 模型中精炼时的化学反应
本次研究中，热力学系统由Fe、Cr、Ni、C和O组成。系统分成气体、液体和所有这引起元素可能生成的氧化物FeO、Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3和NiO。虽然这引起元素被转移，但还是会形成一群气体物质，见表4。
表4 用于热力学计标的气体组分
C
CO
CO2
C2
C2O
C3
C3O2
C4
C4NiO4
C5
C5FeO5
C60
Cr
CrO
CrO2
CrO3
Cr2
Cr2O
Cr2O2
Cr2O3
Fe
FeO
FeO2
Fe2
Ni
NiO
Ni2
O
O2
O3
2.5 偶合
Thermo-Calc和PHOENICS之间的接口是一个人们熟知的接口TQ。它是一个在Thermo-Calc软件包内执行Thermo-Calc自身语言功能的接口，可快速而准确地执行热力学计算。
模型的CFD部分执行反应产物和元素的对流及扩散计算。在每一个水平网格平面内，如果条件满足，可在平面风格位置内进行热力学计算。在一个计算网格中的气体体积如果在20%-99.5%，这个网格将发生反应。当气体化学成分的变化达到或超过5%时，开始每一时间步骤的平衡计算。
3 结果
图3为计算碳含量随时间的变化图线。数据来自作者模型模拟和Time AOD2模型预测。按下式执行碳浓度计算：
（3）
式中fc，i为网格i中的含碳量百分数，P是网格i的密度，αi是网格i的相体积百分数，Vi是网格i体积。
比较图3中的两曲线可见他们大体上是相似的，更准确地说是含碳量随着处理时间的增加而减少。直到大约1.5min，Time AOD2预测的含碳量更低一些。此后，通用模型预测的含碳量低于Time AOD2模型。曲线第一部分，含碳量随着温度的升高和处理时间的延长出现缓慢降低。脱碳约2min后，可见曲线出现拐点，在拐点的碳含量以相似于指数的方式降低。
图 预测含C量随时间变化曲线
观察转炉垂直平面内在不同时间（1，3，6分）碳的等值线发现，脱碳1min后进气口外碳出现浓度梯度，由于此外氧量很高使碳浓度变得较低。位于氧气进口对立面的非进气口，此时的碳浓度仍然很高说明碳浓度未受到喷氧影响。脱碳3min后，原始低碳浓度区扩大，非进气口区域的碳浓度降低。脱碳6min后，碳浓度梯度已混合，局部碳浓度与整个转炉碳浓度之差仅为5%。
观察转炉XZ平面内的CO（g）和CO2（g）在不同时间（1，3，6min）的浓度发现，整个钢液中的气体组成相当均匀。仅CO2（g）的浓度会随时间的延长而发生微量变化即从1.0%增加到1.6%。
在AOD转炉中，通常用脱碳效率（CRE）作为衡量炉子的脱碳能力，并定义为：CRE=Oco/Otoc×100% （4）
式中Oco为O与C反应并假设仅生成CO（g）时消耗的总O量，Otot为输入转炉内的总O量。
观察CRE随时间变化的关系曲线可以看到，Time AOD模型计算CRE值初期增加极快，但仅到1min。然而，通用模型预测CRE增加值却持续到1.5min。Time AOD2与通用模型的最大脱碳效率CRE分别为75%和90%，且均出现在2min后。4min后两曲线再次重合，5min后又一次各自分裂。
压力对C-Cr-O局部平衡的影响见的基础是Cr2O3和CO形成之间的联合平衡，其反应式为：Cr2O3(s)+3C←→2Cr+3CO（g） （5）
3讨论
将上述方案用于模型不可能实现由Reichel和Szekely前面提到的单一临界碳浓度。通过假设一局部平衡，由传输议程提供一个与气体十分接近而又适宜的碳浓度。结果可使临界碳浓度变成一个动态范围（取决于局部热力学性质等）。此外，从转炉垂直平面内不同时间（1，3，6min）碳的等值线发现，经相当长的时间后碳浓度梯度的减小说明，碳的动态范围与反应区高碳浓度之间在经历着相互渗透和融合。应当注意，等值曲线仅代表转炉内小范围（立方厘米）的平衡。为此，当整个转炉处于非平衡状态时，可研究某个局部平衡。Jarvinan等研究证实，单个气泡平衡的时标约为0.06s。然而，如果时标更短，Fe可能发生瞬时氧化且在Rao和Robertson开展悬浮液滴模拟AOD工艺时氧与钢液反应中得到证实。
许多研究证明，压力影响碳的平衡浓度，降低脱碳压力可提高脱碳速度。因为脱碳是氧与碳之间的化学反应且反应区很可能与气体卷流十分接近。由于局部压力的降低可能导致氧气直接脱碳速度的增高。模拟发现碳的氧化发生在进气口外面，与Fruehan早期的发现相反。模拟期间未发现平衡产品中有FeO存在，与其他研究成果相符合。如果考虑更短的时标，仍有可能生成FeO。
脱碳初期，CRE出现下降点是因为对模型进行了清除并给模型充入100%的CO。此后，由于温度升高使CRE增高。在此点，当喷入的所有氧气被碳的氧化全部耗尽时，整个气体/金属反应区达到平衡浓度。在此点，脱碳速度未受供氧的影响是由于转炉内的碳是从高浓度区传输到含气区具有较高的传输速度。
讨论有限选择模型中的Fe、Cr、Ni、C和O元素是很有意义的。不限制Si含量，因为它在初期脱碳中的作用十分重要（。更准确地说，Si与O反应生成SiO2是放热反应，放出的热量有利于脱碳反应提速。在将来解释能量方程时可获得不同的结果和展现出其他的现象。即使不考虑Si的反应热和脱S，Si对脱碳也是有一定促进作用的。
4结论
包括热力学反应在内的AOD转炉喷气数学模型已研发成功。使用证明，使用模型预测AOD转炉喷气脱碳第一阶段的结果与工业过程控制模型获得的结果十分一致。除此之外，使用开发成功的数学模型预测转炉AOD脱碳还有以下重要发现：1）模拟脱碳初期出现很大的碳浓度梯度且随着脱碳终点的逼近而逐渐减小；2）模型展现的结果与其他研究者获得的结果和热力学理论相符即局部脱碳速度随着压力的升高而降低；3）AOD工艺可通过近似于转炉主体钢液平衡碳浓度的单一平均压力进行描述；4）在提供的热力学条件下，模型中未发现有FeO形成。。
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