基于非均衡底吹的转炉熔池废钢快速熔化机理

【作者】 汪宙； 陈爽； 马宗涛； 李继文； 晁霞；

【机构】 河南科技大学材料科学与工程学院； 河南济源钢铁(集团)有限公司；

【摘要】 废钢是现代钢铁工业的重要原料,也是节能环保的铁素资源。在碳排放政策日益收紧和废钢积蓄量不断增加的背景下,大力推进废钢的高效利用,既契合"双碳"目标下我国钢铁工业转型升级和低碳绿色发展的战略需求,也是降低我国铁矿石对外依存度和保障我国铁素资源安全的有效途径。现阶段转炉高废钢比冶炼是大量消耗废钢的重要方法,然而入炉废钢比提高后,易造成废钢熔化速率降低,严重影响转炉高效平稳运行,废钢快速熔化已成为当前转炉高废钢比冶炼技术亟需突破的应用瓶颈。笔者及其团队近年来围绕转炉熔池废钢快速熔化与转炉高效底吹工艺研发开展了系列研究,主要研究结果包括:(1)废钢熔化过程分为初期凝钢、渗碳助熔和热透速熔三个阶段,冶炼前期熔池铁水温度低于废钢熔点,碳由液态铁水向固态废钢表面迁移是影响废钢熔化速率的关键基元步骤;加强熔池搅拌改善熔池动力学条件,进而强化废钢熔化固-液界面的碳迁移是促使转炉熔池废钢快速熔化的有效方法。(2)增大底吹流量可有效提升转炉底吹搅拌效果,当底吹流量从14.48 L/min增大至36.32 L/min后,熔池混匀时间缩短了37.34%,熔池死区比例减少了43.86%,强流区比例增加了41.20%,流体平均速度从0.0291 m/s增加至0.0502 m/s。(3)综合考虑底吹喷嘴之间的夹角和所在节圆半径,提出了四类底吹喷嘴布置方式:等角同径、等角不同径、非等角同径和非等角不同径,当底吹喷嘴采用0.5倍节圆半径的等角同径布置时,转炉熔池的底吹搅拌混匀效果最好。(4)转炉非均衡底吹模式下(每个底吹喷嘴的流量呈梯度分布),熔池内形成了较大的非对称循环流,更有利于熔池的搅拌混匀;与传统均衡底吹(每个底吹喷嘴的流量相同)相比,当流量分配比为3:1时,非均衡底吹熔池的混匀时间减少了29%,熔池平均流速从0.0342 m/s增大至0.0404 m/s,熔池死区比例减少了26.23%,强流区比例增加了10.49%。(5)转炉非均衡底吹模式通过将各底吹喷嘴的流量梯度分布,可在熔池内形成非对称大循环流动,同时改善熔池水平方向的搅拌特性,为熔池废钢快速熔化创造良好的动力学条件。基于以上研究结果,笔者进一步探究了转炉底吹流量和底吹供气模式对废钢熔化的影响规律。结果表明,增大转炉底吹流量以及采用非均衡底吹模式均能显著加速熔池废钢熔化。当底吹流量从160 Nm3/h增大至400 Nm3/h时,废钢中心温度从298K升高至1623 K所需时间缩短了46.00%,废钢表面碳含量从0.4%升高至4.3%所需时间减少了45.62%,废钢完全熔化时间缩短了44.44%。与传统均衡底吹模式相比,非均衡底吹加速熔池废钢熔化效果明显,当底吹流量为160 Nm3/h、240 Nm3/h和320 Nm3/h时,非均衡底吹条件下转炉熔池废钢的完全熔化时间分别缩短了35.19%、24.39%、35.14%。上述研究结果可为转炉熔池废钢的快速熔化与高效利用提供理论依据与数据支撑。更多还原