论炼钢过程废钢熔化速度的影响因素.docx

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1、论炼钢过程废钢熔化速度的影响因素目录摘要11 .引言22 .废钢的熔化机理33 .废钢熔化行为的研究现状83.1. 废钢熔化与冰融化的比拟83.2.废钢在铁水中的熔化过程93.3.废钢熔化的数值计算与模拟93.4.废钢熔化的热模拟试验113 .5.废钢熔化的水模拟试验174 .废钢初始温度对废钢熔化的影响185 .结论206 .结论与展望21摘要在钢铁冶金过程中，逐步减少铁矿石比例、增加废钢比例，实现钢铁循环，已成为世界钢铁行业追求的目标。废钢的熔化行为是控制转炉炼钢过程温度轨迹和废钢比以及电弧炉炼钢能耗和产能的关键因素；同时，铁水包中废钢的熔化行为可能影响铁水预处理工艺的顺利进行。研究废钢的

2、熔化行为对提高废钢在转炉、电弧炉和铁水包等设备中的利用率以及对保证钢铁冶金流程的稳定顺行具有重要意义。通过对铁碳熔池中废钢熔化行为的研究成果进行总结，包括废钢的熔化机理以及采用数值计算与模拟、热模拟和水模拟试验研究熔池温度、熔池碳含量、废钢预热温度、废钢尺寸和吹气搅拌等因素对废钢熔化行为的影响，旨在为钢铁冶炼过程中提高废钢利用率提供理论指导与试验依据。废钢熔化主要包括固化层的形成、重熔与废钢本体的渗碳熔化等过程。随着熔池温度和熔池碳含量的增加、废钢尺寸的减小，废钢的熔化速度逐渐增大，预热温度对废钢熔化后期的熔化速度影响较小，改善吹气搅拌条件可以提高废钢的熔化速度、缩短熔池混匀时间。同时，随着熔

3、池温度和熔池碳含量的增加、废钢比表面积的增大和熔池搅拌强度的增强，熔池与废钢之间的传热传质过程得以加强，熔体与废钢之间的传热系数和碳的传质系数随之增大。关键词：废钢；熔化机理；铁碳熔体；传热；传质1 .引言随着国内废钢积蓄量的增加，未来35年，我国将迎来废钢应用的攀升期。对于钢厂而言，由于铁矿石、焦炭和废钢价格都在上涨，因此钢铁企业只能去寻求两者比例间的平衡点，提高生产率，降低生产成本，增加经济效益。在碳达峰、碳中和的背景下，绿色低碳是钢铁行业向高质量发展的关键。钢铁行业的绿色低碳化发展方向之一是改变生产原料结构，提高废钢利用率。在炼钢过程中使用废钢可大量减少冶金资源的消耗和“三废”的产生。据

4、统计，每利用It废钢，可减少0.4t焦炭或It原煤使用量，减少1.7t新水消耗，减少1.7t铁矿石使用量，同时可降低排放70%的废水、1.6t的Co2、035t炼铁渣和2.6t尾矿渣。因此，提高钢铁工业中废钢的利用率具有较高的经济和环保效益，对实现钢铁工业的可持续发展具有重要意义。当前，逐步减少铁矿石的使用比例、增加废钢的比例，实现钢铁循环，已经成为世界钢铁行业的追求目标。废钢作为金属料被广泛应用在转炉、电弧炉、高炉和铁水包等设备中。其中，废钢在高炉内的熔化是软熔滴落行为，针对这方面的基础研究报道较少。转炉炼钢过程中的废钢比受废钢熔化速度的限制，主要是因为在冶炼前期的熔池温度较低，金属液的黏度

5、较大，熔池的传热和碳的传质速度较低，此时废钢的熔化速度低，为了在炼钢过程中消化更多的废钢即提高转炉废钢比，需要加快废钢的熔化。电弧炉炼钢具有工艺流程短、能耗低和环境友好等优点，近年来越来越受到人们的重视。该工艺的主要原料之一是废钢。电弧炉炼钢中总能量的60%左右用于加热和熔化炉料，熔化炉料所需时长占总冶炼时长的50%以上。因此，废钢的熔化行为是控制电弧炉炼钢能耗和产能的关键因素。为提高产量、降低生产成本，同时提高废钢的利用率，还可在铁水包中添加废钢，但这会使铁水温度下降，可能会导致废钢熔化不完全、铁水黏度升高、倾倒困难，从而影响铁水预处理工艺的顺利进行。同时，在铁水包中添加废钢还会加重天车的调

6、度任务。因此，研究废钢的熔化行为对提高废钢在上述设备中的利用率以及对保证钢铁冶金流程的稳定顺行具有重要意义。该方面的研究主要包括熔体与废钢之间的传热系数、碳的传质系数、废钢的熔化速度以及完全熔化时间。近年来，大量的研究通过数值计算与模拟、热模拟试验和水模拟试验等方法探究了熔池温度、熔池碳含量、废钢预热温度和废钢特征长度等因素对废钢熔化行为的影响，为实际生产提供了一定的理论基础和试验依据。本文对关于铁碳熔池中废钢熔化行为的研究工作进行了梳理总结，旨在为该领域的研究提供参考。2 .废钢的熔化机理“废钢熔化”实际是一种熔解现象，在这种现象中，包含熔体到废钢的传热，还可能包含碳的传质过程。废钢的熔化速

7、度与熔池碳含量、温度以及废钢碳含量、比表面积有关；同时，废钢的熔化速度可由传热、传质或传热传质耦合控制，具体取决于熔体和废钢的化学成分及温度。在废钢熔化过程中，最重要的溶质是碳，通过研究热量与碳的耦合传递，可以在保证普遍性的前提下理解废钢熔化的整体现象。Tb为熔池温度，K；Tm为液相线温度，K；W(Cb)为熔池碳质量分数，%；W(CSC)为废钢碳质量分数，。研究表明：当TbTm时，w(Cb)w(Csc),且Tb、Tm差异较小时，废钢的熔化过程由传热和碳的传质耦合控制；当Tb、Tm差异较大时，由传热控制；(2)当TbTm且w(Cb)W(CSC)时，由传热控制；(3)当Tbw(Csc)时，由传质控

8、制；(4)当TbTm且w(Cb)W(CSC)时，废钢不熔化。一般而言，在转炉炼钢前期，作为炼钢原料的废钢熔化过程由传质控制；在转炉炼钢中期以及铁水包中，废钢的熔化过程由传热传质耦合控制；在转炉炼钢后期，作为冷却剂的废钢的熔化过程主要由传热控制。同时，电弧炉炼钢过程中废钢的熔化过程主要受传热控制。废钢的熔化行为属于具有相变的移动边界层问题，热边界层和浓度边界层的性质分别决定了从液态熔池到固体废钢的热流和质量流。ShUkIaA等根据移动边界层理论建立了耦合传热传质的废钢熔化模型(图1),同时利用傅里叶(FoUrier)定律和菲克(FiCk)定律分别表征了边界层的传热与传质现象，见式(1)和式(2)

9、。该模型假设固体废钢一接触液态熔体就形成了热边界层，但由于传质过程缓慢，碳的浓度边界层的发展需要一定时间。该模型可用于预测熔池温度、碳含量和废钢尺寸对熔体与废钢之间的对流传热系数、碳的传质系数以及废钢熔化速度的影响。傅里叶定律：对流传热当(1)atar菲克定律：扩散传智/=OC票(2)式中：T为温度,K；W(C)为碳质量分数，%；为固体废钢的热扩散系数，m2/S；OC为液体熔体中碳的扩散系数，m2s;U为界面的移动速度，m/soM(G)一液相线下的碳质量分数。图1移动边界层理论示意KruskopfA提出的废钢熔化模型也可以预测废钢的熔化速度、熔体与废钢之间的传热传质演化，根据模型计算得出的无量

10、纲关系见式(3)和式(4)。该模型考虑了废钢熔化过程中固液共存区的存在，如图2所示，弥补了文献模型的不足。S=O.163Reo78Sc0356(3)Nu=0.017Reo8VPr(4)Sh=0.017Re8VSc-(5)式中:Na为努塞尔数;Re为雷诺数；Pr为普朗特数；S/为舍伍德数；SC为施密特数。u(Cs)固相线下的碳质量分数图2温度和碳质量分数变化示意虽然文献在废钢熔化的机理方面进行了大量研究，但仍有一些问题值得探讨，尤其是对废钢熔化过程中边界条件的分析，这对于数学建模过程中相关方程的求解非常重要。ShU1daA等考虑了热边界层和碳的浓度边界层的形成与发展过程，但忽略了废钢熔化过程中固

11、液共存区的存在；KruskopfA考虑了废钢熔化过程中的传热与碳的传质过程，但又将固液共存区等同于热边界层与碳的浓度边界层，假定热边界层与碳的浓度边界层厚度一致。边界条件的不准确会导致数学建模过程十分困难以及模型的不准确。为了进一步探究废钢的熔化机理，笔者根据移动边界层理论建立了一维非稳态废钢熔化模型，在建立模型前分析了废钢熔化过程中熔体与废钢的接触界面，固体废钢、液态熔体及其界面的碳含量和温度分布如图3所示。Ty废钢的预热温度C图3温度与碳质量分数分布示意图废钢的熔化过程可分为3个阶段：(1)熔体在废钢表面凝固形成固化层：当废钢刚浸入熔池时，界面的温度梯度很大，此时废钢耗散的热流大于熔体提供

12、的热流，即进入废钢的热量大于熔体提供的热量，废钢熔化所消耗的热流为负值，形成固化层；(2)固化层熔化：随着浸泡时间的增加，界面的温度梯度降低，当熔体提供的热流与废钢耗散的热流相等时，固化层达到最大厚度，这是废钢熔化的第1阶段，随后，熔体提供的热流开始大于废钢耗散的热流，固化层重熔，这是废钢熔化的第2阶段；(3)废钢本体熔化：固化层重熔后，熔体向废钢表面渗碳并传递热量，当废钢表面渗碳层的熔点不大于液相线温度时，渗碳层熔化。之后废钢出现新的表面，渗碳熔化过程依次反复，直至废钢完全熔化(图4),这是废钢熔化的第3阶段，废钢熔化后期，温度梯度的变化很小，熔体提供的热流和废钢耗散的热流之差几乎不变，此时

13、废钢的熔化速度几乎是恒定的。图4废钢在钢液中熔化示意在熔体凝固形成固化层的过程中，密度会发生变化，从而会产生应力导致固化层与固体废钢之间形成气隙。气隙的存在已通过热模拟试验得到证实，如图5所示。气隙致使固化层与废钢之间接触不完全，从而会影响熔体与废钢之间的传热。ShUk1aA等基于有限差分法建立了笛卡尔几何和圆柱几何模型，给出了气隙存在时的温度分布（图6）O但气隙在整个废钢熔化过程中的作用机理还不明确，仍需进一步研究。图5试样的合金组织3 K气隙与固化层的界面温度；Tp气隙与废钢的界面温度；固化层的厚度图6气隙存在时的温度分布示意4 .废钢熔化行为的研究现状5 .1.废钢熔化与冰融化的比拟1)

14、在实际转炉炼钢过程中，由于氧射流对钢液流动的影响，以及轻、重废钢的混合存在，使得传热、传质系数和熔化速度随时间的变化颇为复杂；2)在电弧炉炼钢过程中，点弧期、穿井期和主熔化期的供电制度复杂多变，且存在电弧辐射传热形式；3)在实际铁水包中加废钢时，铁水的流动状态难以定量分析，且存在在线烘烤等工艺，这使得在实验室条件下模拟实际转炉、电弧炉和铁水包中废钢的熔化条件较为困难。因此，大多研究对工业条件进行了简化，在实验室中开展相关的研究工作，研究手段主要包括数值计算与模拟、热模拟试验和水模拟试验。其中，数值计算与模拟以较低的研究成本、较短的试验周期、较好的重复性、具有模拟真实条件和理想条件的能力等优点受

15、到广大研究者的青睐。物理模型试验是根据相似原理建立物理模型，然后利用易于操控的试验条件来模拟复杂生产过程的研究手段。由于水(20)与钢液(16O(TC)的流动状态相似，废钢与冰的物性参数在同一数量级且较为接近（表1和表2）,研究者通常采用水和冰分别模拟钢液和废钢开展相关的研究工作。表1水和钢液的物性参数物性参数水(20C)钢液（1600D密度/(kgm3)10007000表面张力/（Nm1）7.3X1021.6动力黏度/（Pas）1.OX1O36.4X10-运动黏度（m?.s）1.0X1060.9X106表2废钢与冰的物性参数物件参数冰块（0X?）废钢（25C）比热容/(J-kg1K,)2010760密度（kgmD9177200熔化潜热/(Jkg,)3.34IO52.721053.2.废钢在铁水中的熔化过程铁水温度通常在12501500,而废钢的熔点在150（TC以上。因废钢的熔点高于铁水的温度，那么废钢是如何在铁水中熔化的？根据废钢熔化的热力学模型及试验，认为废钢在铁水中的熔化过程如下：1）熔化初期，废钢与铁水的温差大，铁水在废钢表面发生凝固，形成凝固层；2）随着时间的延长，而废钢温度升高，表面的凝固