Physical and Mathematical Modeling of the Argon-Oxygen Decarburization Refining Process of Stainless Steel

The available studies in the literature on physical and mathematical modeling of the argon oxygen decarburization (AOD) process of stainless steel have briefly been reviewed. The latest advances made by the author with his research group have been summarized. Water modeling was used to investigate the fluid flow and mixing characteristics in the bath of an 18 t AOD vessel, as well as the 'back attack' action of gas jets and its effects on the erosion and wear of the refractory lining, with sufficiently full kinematic similarity. The non rotating and rotating gas jets blown through two annular tuyeres, respectively of straight tube and spiral flat tube type, were employed in the experiments. The geometric similarity ratio between the model and its prototype (including the straight tube type tuyeres) was 1:3. The influences of the gas flow rate, the angle included between the two tuyeres and other operating parameters, and the suitability of the spiral tuyere as a practical application, were examined. These latest studies have clearly and successfully brought to light the fluid flow and mixing characteristics in the bath and the overall features of the back attack phenomena of gas jets during the blowing, and have offered a better understanding of the refining process. Besides, mathematical modeling for the refining process of stainless steel was carried out and a new mathematical model of the process was proposed and developed. The model performs the rate calculations of the refining and the mass and heat balances of the system. Also, the effects of the operating factors, including adding the slag materials, crop ends, and scrap, and alloy agents; the non isothermal conditions; the changes in the amounts of metal and slag during the refining; and other factors were all considered. The model was used to deal with and analyze the austenitic stainless steel making (including ultra low carbon steel) and was tested on data of 32 heats obtained in producing 304 grade steel in an 18 t AOD vessel. The changes in the bath composition and temperature during the refining process with time can be accurately predicted using this model. The model can provide some very useful information and a reliable basis for optimizing the process practice of the refining of stainless steel and control of the process in real time and online.

顶底复吹条件下不锈钢VOD精炼过程的数学模拟——过程数学模型

对顶底复吹条件下不锈钢VOD精炼过程提出了一个数学模型。该模型假设低压下顶吹入的氧,部分与逸出熔池的CO反应,部分使生成的钢液滴内各元素氧化,其余经射流冲击坑向钢液渗透和溶解;进入熔池的氧使钢中的碳、铬、硅、锰和铁氧化,生成的FeO是一中间产物。所有可能的氧化-还原反应分别在钢液/熔渣及钢液/气泡界面同时发生,并在竞争中达到其各自的综合平衡。在较高碳含量下,各元素氧化速率主要与吹氧量有关;在低碳含量下,脱碳速率主要取决于钢中碳的传质。吹入钢液未反应的氧不在钢中溶解和积聚,逸出熔池并参与熔池上方炉气内CO的二次燃烧。以多层复合壁的二维瞬态导热处理了炉壁传热,考虑了各操作因素及不等温状态等的影响。

VOD精炼316L不锈钢吹氮合金化的研究

用0.8 kg钢水石墨坩埚的硅钼棒炉研究了常压下氮气分压(33～100 kPa)、吹氮时间(0～50 min)、吹氮流量(0.3 L/min)、钢液温度(1 773～1 833 K)对316L钢(%:0.031C、16.13Cr、10.12Ni、2.12Mo、0·028N)中氮含量的影响,并试验了在前期真空条件下1 853～1 833 K吹氮40 min、2 kPa、0.1 L/min,中期吹氮40 min、100 kPa、0.3 L/min,后期吹氮50 min、100 kPa、自然冷却至1 773 K时316L钢水的增氮行为。结果表明,钢中氮含量随着吹氮时间、氮分压的增加而增大,常压下吹氮10 min,钢液含氮量即可超过0.10%,随吹氮流量增加钢液达到饱和的时间缩短,氮的溶解度随着钢液温度的降低而升高。应用热力学和动力学模型进行了分析。

85 t VOD精炼超纯铁素体不锈钢的脱氮工艺及效果

分析了85 t VOD精炼时相关工艺参数对超纯铁素体不锈钢00Cr18Mo2和00Cr17Mo终点氮含量的影响。结果表明,随初始碳含量增加,初始氮含量降低,钢水温度提高,适当增加脱氮时间,VOD钢水终点氮含量降低;当控制钢水初始碳含量0.4%～0.9%、处理温度≥1 590℃、真空度≤70 Pa、脱氮时间15～20 min、吹氩搅拌强度8～15 L/(min·t)、初始氮含量≤0.017 0%,VOD终点钢水氮含量为0.006 4%～0.009 5%。

VOD法在冶炼低碳不锈钢中的应用

介绍宝钢、武钢二炼钢、鞍钢三炼钢与太钢二炼钢利用LD—VOD法生产低碳不锈钢工艺特点,并对国内某厂利用VOD法生产0Cr18Ni9型、SUS304型和SUH409L型三种类型低碳不锈钢的冶炼操作要点进行了总结研究,在使用中取得了较好的效果。

VOD冶炼不锈钢工艺模型的研究

以鞍钢重型机械公司40 t VOD冶炼ZG06Cr13Ni4Mo钢的生产实测数据为依据,根据质量、能量守恒及热力学原理,采用系统工程的分析方法,从操作、化学反应、冶金计量和热化学计量4个层次剖析VOD冶炼过程,建立了VOD冶炼不锈钢的工艺模型。该工艺模型包含冶金模型和热模型,可以根据各输入物料的用量、成分与温度等输入值,方便地求出各输出物料的收得量和成分等输出的预报值。VOD生产结果表明,该工艺模型能较准确地预报VOD精炼需氧量、终点钢水成分及温度等,相对误差低于5%。

LD—VOD法在冶炼低碳不锈钢中的应用

在介绍国内一些钢厂利用LD—VOD法生产低碳不锈钢工艺特点的基础上,对利用LD—VOD法生产0Cr19Ni9型、SUS304型和SUH409L型3种类型低碳不锈钢的冶炼操作要点进行了总结研究。

不锈钢VOD精炼过程数学模拟初探

对不锈钢VOD精炼过程数学模拟作了初步研究。从该精炼过程的物理和化学特征出发,考虑体系的质量和热量衡算,以及各项操作,精炼过程的不等温状态等的影响,对整个精炼过程提出了一个数学模型。以该模型处理和分析了120 t VOD炉内铁素体型不锈钢的整个精炼过程,并以实际生产数据作了检验。

VOD+LF精炼的工艺流程304不锈钢夹杂物的演变

对304不锈钢采用VOD+LF精炼工艺流程的夹杂物的变化进行研究,分别在其连铸连浇第2炉VOD炉冶炼开始前和结束后、LF炉弱搅拌工艺开始前和结束后、中间包浇铸中期、连铸坯进行取样,并利用化学成分分析、金相观察以及电镜能谱分析进行检测。研究发现304不锈钢生产过程T[O]随流程逐渐降低;夹杂物数量在LF弱搅拌前呈上升趋势,随后工艺流程中逐渐降低;而夹杂物形态在进行还原工艺前以Cr_2O_3、MnO的氧化物为主,还原工艺后以硅酸盐夹杂物为主;而LF精炼弱搅拌后,夹杂物变为以钙铝酸盐球形夹杂物为主。同时对夹杂物的产生机理进行了分析和研究。

中频炉和VOD双联法冶炼不锈钢工艺

介绍了中频炉熔炼及VOD精炼X3CrNiMoN27-5-2不锈钢的生产工艺及措施。采用优质原材料,调整化学成分及出炉温度,控制VOD精炼炉吹氧真空度、吹氧强度、吹氧时间、氩气流量等工艺参数,并结合氧势图和废气温度,准确判断吹氧终点时间和极限真空保压时间,其冶金效果可以达到铸件材质的质量标准。

电炉和精炼炉VOD双联法冶炼0Cr18Ni9

阐述了采用电炉和精炼炉双联法生产不锈钢0Cr18Ni9的工艺特点,着重讨论了冶炼工艺参数对冶炼质量的影响,通过合理控制相关工艺参数,成功冶炼了不锈钢0Cr18Ni9.

电炉和精炼炉VOD双联法冶炼不锈钢工艺

对核电泵壳用钢Z3CN20-09M的冶炼工艺进行了改进。分别熔炼钢水及合金,合兑后简单微调成分即进行VOD操作。能够保证质量并将冶炼时间大大缩短。

VOD冶炼超纯铁素体不锈钢过程工艺问题研究

对VOD冶炼超纯铁素体不锈钢过程脱碳、脱氮、还原、钙处理工艺进行了研究,提出了最佳的生产工艺,解决了VOD冶炼过程中的工艺问题,提高了超纯铁素体不锈钢的钢水质量。

VOD炉冶炼20Cr13不锈钢硅脱氧工艺

以实际工艺流程30 t EAF-VOD-LF-模铸冶炼20Cr13不锈钢为背景,通过热力学计算,对VOD精炼硅脱氧处理后,重新造渣过程中炉渣碱度、合金含量以及钢液温度对钢液中平衡氧含量的影响进行了研究。研究结果表明:钢液中的氧含量随炉渣碱度的增加呈现明显的减小趋势,实际生产中炉渣碱度一般应确保在2以上;为了保证添加合金进行脱氧的冶炼效果,应保证钢液中的硅的质量分数在0.3%以上;降低冶炼温度有利于降低钢液平衡氧含量;炉渣碱度对平衡溶解氧含量和实际生产全氧含量的影响规律基本相同,拟合出平衡溶解氧含量与实际全氧含量之间存在线性关系。

太钢VOD冶炼超纯铁素体不锈钢的工艺技术进步

阐述了超纯铁素体不锈钢的超低碳氮的特点及其熔体降碳去氮困难的原因,利用真空降碳去氮的理论结合这方面的研究成果分析和讨论了影响VOD脱碳脱氮的影响因素,并利用VOD现场冶炼的具体数据进行了这些因素的统计分析,在此基础上提出了提高真空度、加强底吹氩搅拌强度、提高入炉钢液温度、提高入炉碳含量和降低入炉氮含量、增加VOD吹氧脱碳时的供氧量、高真空吹氩纯沸腾工艺、选用无碳、或低碳还原料等工艺技术措施,最后介绍了太钢这几年在VOD冶炼超纯铁素体不锈钢采取上述措施后所取得的效果。

EAF+LF+VOD/VHD冶炼超级双相不锈钢工艺实践

介绍了抚钢超级双相不锈钢冶炼工艺流程,进行了VOD炉真空吹氧去碳、包底吹氮、二次造渣及喂线处理生产实践。研究表明,通过设定合理的吹氧、吹氮工艺,实现了低碳含量、准确氮含量的控制。通过在还原过程中调整合适的炉渣碱度,对钢液进行喂线处理,强化脱硫脱氧,从而改性夹杂物形貌,以确保钢液精准的化学成分及良好的纯净度控制,为热加工创造有利条件。

工艺参数对不锈钢管切割表面质量的影响研究

不锈钢管切割质量主要受到切口断面毛刺的影响,对不锈钢管切割时毛刺的形成过程及工艺参数对切口质量的影响规律进行分析。首先,建立解析模型描述切口毛刺的产生过程,分析切口毛刺形成的影响因素;其次,运用有限元仿真软件,建立奥氏体不锈钢316L材料的三维切削仿真模型,模拟切削加工过程,分析切削完成后切口毛刺的形貌特征;最后,针对切口毛刺形成的影响因素,对切削过程进行单因素仿真。对减少切口毛刺的形成和优化工艺参数提供理论指导。

VOD冶炼超纯铁素体不锈钢脱碳工艺的研究

针对不锈钢冶炼特点,通过脱碳热力学和动力学分析,研究了VOD精炼工艺参数对超纯铁素体不锈钢脱碳速度和终点碳含量的影响,并进行了大量工业生产试验。结果表明,提高冶炼温度、增加吹氧流量和吹氩流量、降低氧枪的供氧压力和枪位有利于提高脱碳速度,获得更低的终点碳含量。

超纯铁素体不锈钢VOD脱碳模型研究

为了实现对超纯铁素体不锈钢VOD精炼脱碳过程的动态即时预测及控制,以酒钢宏兴不锈钢分公司100 t VOD炉冶炼超纯铁素体不锈钢的过程为研究对象,从顶吹氧气的分配行为和C-Cr的竞争氧化出发,建立基于炉气分析技术的VOD动态脱碳模型,并在Matlab环境下开发相应的应用软件,得到全过程钢液成分、氧气分配比、温度等参数随时间的变化规律,对不同阶段的临界碳浓度给出估计范围。利用VOD出站成分以及精炼过程中CO/CO2的实际变化规律加以检验,与实际值吻合较好,较好地预测了实际变化趋势。

不锈钢焊管旋压损伤模型建立及损伤因子修正

针对439不锈钢焊管旋压存在的损伤开裂问题,基于不锈钢焊管旋压加工的特点,建立了Johnson-Cook损伤模型,采用单变量法进行拉伸模拟,确定了损伤因子的范围,分析了损伤因子对拉伸应力-应变的影响,并通过正交模拟和拉伸试验对损伤因子进行了修正。结果表明:损伤因子D_(1)、D_(2)、D_(3)对初始损伤值和最大等效破坏塑性应变值影响较大,损伤因子D_(4)、D_(5)对拉伸损伤的影响不明显。随着损伤因子D_(1)、D_(2)的增加损伤值和应变值逐渐增大,经正交模拟修正后的损伤模型与试验结果具有较高的一致性。