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第十四届全国炼钢学术会议文集
VOD冶炼铁素体不锈钢脱碳脱氮动力学
徐迎铁1 陈兆平1 黄宗泽1 张戈1 刘 竑2
（ 1宝钢股份研究院 2宝钢股份不锈钢分公司技术中心）
摘 要： 针对VOD冶炼过程不同区域的脱碳脱氮特点，通过对SS－VOD冶炼不锈钢过程钢液、气泡运动规律的物理解析，进一步探讨了VOD冶炼铁素体不锈钢的脱碳脱氮动力学。 关键词：脱碳 脱氮 铁素体不锈钢 VOD
Kinetics of Decarburization and Nitrogen Removal in VOD Process for Stainless Steel Making
XU Yingtie1 CHEN Zhaoping1 HUANG Zongze1 ZHANG Ge1 LIU Hong2
(1 Research Institute in Baosteel Co., Ltd. 2 Stainless Steel Branch, Baosteel Co., Ltd)
Abstract: The movement of liquid steel , bubbles of different decarburization zone in the VOD vessel has been analyzed . The kinetics of deep decarburization and nitrogen removal in VOD process have been studied. Key words : Decarburization , Nitrogen Removal, ferrite Stainless Steel, VOD
1 引言
对铁素体铬不锈钢而言，为确保其耐蚀性和焊接点的延展性，要求间隙元素(碳和氮)的含量远低于保证其常温韧性所要求的含量。人们通常把C+N≤150ppm时称为超纯铁素体不锈钢，冶炼的主要任务之一就是降低钢液中的C+N总含量，再根据终点C、N含量，确定适宜的Ti、Nb含量，保证间隙元素的含量满足要求[1]。
纵观国内外三步法冶炼超纯铁素体不锈钢的工艺路线中，VOD及其延伸工艺如SS-VOD、VOD-PB， VCR等精炼设备，在超纯铁素体不锈钢的冶炼过程中发挥着重要作用。从脱碳脱氮效果以及成本、生产可控性、精炼时间等方面来比较，SS－VOD具有一定的优势[2]。
当前VOD脱碳脱氮动力学模型基本是参考AOD、转炉相关的模型，真空对脱碳脱氮动力学过程的影响研究还不够充分，为此，本文展开了对VOD脱碳脱氮动力学的理论探讨，为超纯铁素体VOD深脱碳脱氮提供有价值的信息。
2 VOD冶炼不锈钢的脱碳机理简介
对于不锈钢脱碳，局部氧的供给是反应是否能连续进行的必要条件；局部CO分压小于平衡CO压力也是反应能否进行的必要条件。对于VOD脱碳，存在以下五个反应区域：
1）吹氧凹坑反应区 2）底吹气柱脱碳反应区 3）钢渣界面反应区 4）风眼反应区 5）喷溅液滴反应区
作者在本次会议另一篇文章《VOD冶炼不锈钢脱碳机理初步分析及相关模型研究进展》中对这五个区域脱碳反应的条件、初步机理及相关模型研究的进展做了总结，并提出了不锈钢脱碳和普碳钢脱碳在热
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力学和吹氧间接氧化上的差异。在此基础上建立了如下动力学模型[3]。
3 VOD脱碳动力学分析
微观脱碳动力学主要研究反应的限制性环节及传质系数大小，这方面非常成熟。本文从物理学的观点上分析VOD冶炼过程钢液、气泡运动规律，计算每个反应区的反应面积、物相间的流动状况、反应区大小及反应介质的尺寸。从而从宏观上分析VOD脱碳的动力学。 3.1 传质系数的求解
VOD冶炼过程中，传质方式分为三类：气泡表面的传质、钢渣界面有摩擦传质及自由表面的传质，方程一般可以统一写成准数方程：
sh?CbRemScn （1）
?ublb?ilb其中：谢伍德数sh= ，雷诺数Re=， 施密特数Sc=
DiDi?式中：Di,?i：i元素扩散系数和传质系数；ub：流动速度；lb：定性尺寸；?：钢液粘度。 Cb、m、n为针对不同流动状况准数方程的参数。对于Ar、CO气泡表面的传质，Cb＝1.13，m=1/2，n=1/2；对于层流自由表面传质，Cb＝1.13，m=1/2，n=1/2；对于有一定渣量钢渣界靠钢液侧的传质，Cb＝0.015，m=0.9，n=1/3 [4]。如果自由表面属于湍流情况，如凹坑表面钢液侧和风眼内的传质，传质系数与Re无关，可以写成：
?1/2 （2）[4] ?i?0.32Di1/2(0.3u?)3/2?L?L式中：?L：钢液界面张力。通过以上方式取DN=DO=1.28╳10-8, DC=2.56╳10-8,计算出：气泡（包括
?4?4Ar、CO）周围氧和氮的 ?O??N?4.6?10m/s，碳的?C?6.6?10m/s；自由表面湍流碳的
1/2?C,f?1.6?10?3m/s；钢渣有摩擦界面碳的?C?2?5.8?10?4m/s。
3.2 吹氧凹坑反应区脱碳动力学分析
如图1所表示，高速氧射流吹到钢液面上，形成凹坑，凹坑周围钢液发生环流，钢液从反应区底部流入，从反应区侧面流出。此反应区将发生间接氧化和直接氧化。
1） 间接氧化脱碳
假定反应区为圆柱体加上CO上升导致钢液突起部分并减去凹坑（截面如图1所表示），考虑钢液漩涡的对称性，圆柱体高度为凹坑深度的1.2倍，而圆柱体半径是突起部分顶点距凹坑圆心的两倍。在确定圆柱体高度时需考虑底部C、O反应的热力学条件。凹坑形状大小根据文献[5]提供的模型计算。
经分析，钢液环流的推动力为生成CO的上浮，不稳定的氧气流也有推动作用，此处暂不考虑。由此我们可以假定CO上浮所做的功按一定比例推动钢液流动，还有一部分被内摩擦消耗掉了，有如下方程：
kL?Lgm?CO?1RT l＝1QL?LvL2 （3）
(p0??Lgl)2方程左边表示CO气泡上浮做的功，右边表示钢液从熔池深处进入反应区加速具有的动能。
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图 1 凹坑反应区几何尺寸示意图
CO气泡既是反应的产物，又是反应的载体，根据这样的原则，有CO产生摩尔流率为：
?CO?1m([O]饱和?[O]*)1000([C]?[C]*)1000 （4） ??OSCO??L??C,1SCO??L100MO100MC而反应面积S又是还在反应区CO气泡提供，可表示如下：
?CO?1SCO?tcomRT2lRT2 （5） ?CO?1?mP0??Lglre(vL?vCO)P0??Lglre([O]饱和?[O]*)?O1002最后得出如下方程：
lRT2(vL?vCO)P0??Lglre?L1000?1MO
（6）联合公式(3)和(6) 可以求解出间接氧化脱碳的摩尔流率量：
QlRT m?CO?1＝L2kLgP0??Lgl)? （7） ???式（3～7）中：kL：CO做功用来加速钢液的部分比例；?L：钢液密度；m?CO?1：间接氧化CO摩尔
?21000([O]饱和?[O]*??r?LM?O100?eO流率；l，tco：气泡在反应区平均停留距离及停留时间；QL：钢液从外侧进入反应区的流量，经证明与反应区表面积成正比；vL、vCO：钢液环流速度及CO气泡相对钢液熔体速度；[O]饱和、[O]*：局部饱和氧及反应表面平衡氧含量，Si、Mn含量低条件下假定反应区氧与Cr2O3颗粒平衡；[C]、[C]*：反应区内碳含量（假定为钢液碳含量）及反应表面平衡碳含量；
re：气泡半径，确定为气泡最大破裂后形成的两
个气泡半径；SCO：反应区CO面积；Mi：i元素的原子量； T：反应区温度。
如果氧气流速度不变，不同氧流量下凹坑形状相似，则有QLl?QO2（吹氧流量），忽略钢水静压力对脱碳影响的话，则CO摩尔流率正比与吹氧流量，这符合几何相似的原则。显然，在吹氧流量一定条件下，CO摩尔流率近似与C、O反应过程氧或碳饱和浓度（即?O([O]?[O])或?C([C]?[C])的平方成正比，表面[C]*、[O]*与局部熔体压力平衡。碳高时，氧饱和度可以看成是不变的，宏观上表现为碳含量高，脱碳由吹氧流量控制。
根据上述公式对120tVOD间接氧化脱碳速率进行计算，设定[%C]=0.25, [%Cr]=18, p0?0.08atm, 反应区温度接近2000K。吹氧流量1800Nm3/h，氧枪喷孔数目为3，氧枪候口直径1cm，氧枪高度1.1m。计算过程选取k1?0.5, vC＝1.4m/s，反应区氧饱和（即与纯Cr2O3颗粒平衡饱和）。得出如下计算结果 ：re＝1.5cm； h0?0.5m （按硬吹处理）；凹坑面积scrater＝0.3m2；
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**vL＝4.16m/s；t=0.05s；设定圆柱体高
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0.6m，半径0.74m；CO气泡总面积65.5m2；气隙率0.46；熔体凸起高度会收到气流的压制，理论高度0.6m
?CO?1＝14mol/s；左右；CO摩尔流率m间接氧化脱碳用氧气率31.6%。前面已经论述，凹坑相似情况下，?CO?1m正比于吹氧流量，其他氧流量的间接氧化CO摩尔流率在此不一一计算了。 2）直接氧化脱碳
吹氧凹坑区的间接氧化量前面已经进行了计算，这里主要计算直接氧化量，有：
?CO?2??C,fscrater([C]?0)m10?L （8）
MC吹氧后凹坑周围钢液面会凸起，所以认为实际反应的面积为凹坑自身面积的2倍，从上式可以看出，直接氧化速率与钢中碳含量成正比。最后计算出[C%]=0.25时,吹氧1800Nm3/h，计算出直接氧化脱碳的摩
?CO?2为14mol/s。 尔流率m最终得出了凹坑反应区的总脱碳量为18 mol/s ,其中间接氧化14mol/s，直接氧化4mol/s，凹坑反应区总的氧利用率为40.5%。生产过程中，氧脱碳的利用率平均为40％左右，本文计算的数据在合理范围内。
通过对VOD冶炼吹氧脱碳的分析和计算，可以得出：VOD冶炼不锈钢过程中，吹氧凹坑反应区间接氧化速率与氧饱和度的平方成正比，碳含量的降低会降低氧饱和度，间接氧化在碳含量不是很高条件下占主导地位。
3.3 吹氩气泡柱区脱碳反应动力学分析
1） 吹氩搅拌形成的钢液流动分析
熔体最大流速（m/s）32.521.510.500液体流速tg(θ/2）气隙率0.20.40.610.90.80.70.60.50.40.30.20.100.8吹气流量（Nm3/min）
图2 吹氩过程示意图 图3 吹氩流动状态计算结果
tg(θ/2） 上方最大气隙率
由于VOD底吹的是纯氩， [C]、[O]反应也能在其表面上进行，在高碳含量下，熔池氧含量相对较低，熔池深处的脱碳量可以忽略；在低碳条件下，熔池深处氧含量增加，可以考虑在氩气泡表面上的脱碳。氩气泡柱的主要作用是对熔池进行搅拌。如图2所示，气泡柱内钢液流速、气隙率符合如下双方程[5]：
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式（9～10）中：?m：气柱中心最大气隙率；um：气柱中心最大钢液流速；uG：气泡最大绝对流速；