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180t转炉脱碳速度分析
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摘要:通过理论分析结合工业试验，对转炉的脱碳速度及对应的烟气量进行了研究，得出鞍钢180t转炉脱碳速度的经验模型，由此计算出脱碳速度的最大值及相对应的烟气量，结果表明，碳速度与理论…
摘要:通过理论分析结合工业试验，对转炉的脱碳速度及对应的烟气量进行了研究，得出鞍钢180t转炉脱碳速度的经验模型，由此计算出脱碳速度的最大值及相对应的烟气量，结果表明，碳速度与理论计算值基本吻合。为转炉烟气除尘净化系统的改造提供理论依据。
关键词:转炉 脱碳速度 烟气除尘
1 前言
鞍钢股份有限公司第二炼钢厂北区有1座180t转炉，两座150t转炉。白投产以来通过不断的挖潜改造，两座150t转炉炉容已达到180t。与国内许多钢厂相似，在对公称容量150t的转炉进行扩容改造时，受原有厂房结构的限制，转炉烟气除尘净化系统的处理能力达不到转炉扩容改造后的要求。为解决此问题，使烟气排放达到环保要求，必须对转炉烟气除尘净化系统进行改造。因此，对转炉的脱碳速度及对应的烟气量进行了研究。
2 180t转炉主要技术参数
鞍钢股份有限公司第二炼钢厂北区转炉主要技术参数见表1所示。试验在3号转炉上进行。
表1 第二炼钢厂北区转炉主要技术参数
3 转炉脱碳速度的理论分析
3.1 脱碳的物理描述
3.1.1 脱碳过程的热力学条件
据文献报道，在通常的炼钢炉熔池中，碳大多数按如下反应式进行：
[C]+[0]=CO↑
该反应的平衡常数及标准吉布斯自由能变化与温度的关系式如下：
lgKCO=lg(PCO/αCαO)=1160/T+2.003 (1)
式中 KCO——化学反应平衡常数；
PCO——CO气体的分压，Pa；
αCαO——碳、氧的活度系数；
T－温度，℃。
从热力学条件考虑，采取如下措施有利于促进脱碳反应：
(1)提高αC、αO和氧含量，有利于脱碳；
(2)降低气相中的CO分压，可使脱碳反应向深度方向进行。
在炼钢的温度范围内，温度对脱碳反应的影响不大。
3.1.2 熔池中的实际脱碳速度
脱碳反应是在钢液和CO气体之间进行的界面反应。氧气转炉中，气流强烈的搅动形成了接触面充分的气一渣一金属的乳化液，为碳氧反应提供了足够大的反应界面。生产实践表明，无论是顶吹还是底吹，脱碳速度均取决于供氧强度，而且呈“两头慢，中间快”的趋势。
3.2 转炉炼钢脱碳过程的经验模型
整个脱碳过程中，脱碳速度的变化曲线呈“台阶”形，见图1所示。该模型是脱碳过程的一种简化，实际吹炼过程十分复杂，例如矿石和石灰的影响、喷溅的干扰、氧枪的抖动、氧气流量的波动等因素都会影响实际冶炼过程。但不同供氧强度下，脱碳速度的变化情况基本相似。
图1 脱碳速度和吹炼时间的关系模拟图
3.3 转炉炼钢脱碳过程的非平衡态热力学模型
在供氧强度为1.9m3/(min·t)，取平均冶炼温度1600℃，且脱碳速度最大时，钢水碳含量为2.0％，应用不可逆热力学理论对转炉炼钢脱碳过程进行描述，经过计算，得出如下方程：
υC=-((d[C])/dt)=-2.22×10-4(A/T)+1.23×10-5×(A/T)2 (2)
式中υC——脱碳速度，％／min；
A——化学反应亲和势，kJ／mol；
T－－温度，K；
t——吹氧时间，min。
脱碳速度随碳含量的变化见图2所示。
图2脱碳速度随碳含量的变化
通过试验，根据式(2)计算得出，供氧强度每增加0.5m3/(min·t)，最大脱碳速度可提高0.03％/min。
3.4 180t转炉理论脱碳速度
由式(2)可计算180t转炉最大脱碳速度。
温度为1530℃时，碳的标准吉布斯自由能计算值为53849.94kJ/mol。由式(2)计算出供氧强度为1.9m3/(min·t)时，最大脱碳速度达0.261％/min；供氧强度为2.78 m3/(min·t)(流量30000m3/h)时，最大脱碳速度达0.314％/min；供氧强度为2.97m3/(min·t)(流量33000m3/h)时，最大脱碳速度达0.325％/min。
4 转炉脱碳速度的工业试验及分析
4.1 试验方案
由于吹炼过程中取样对生产影响较大，因此，每个供氧强度下的取样分6炉交叉进行，每次取样间隔6min，保证每个供氧强度下每分钟取一个样品。为保证样品准确反应炉内的脱碳反应速度，对相同供氧强度下的取样炉次进行了初始条件的模拟，即每炉铁水成分及数量、废钢结构及数量、熔剂加入时刻及数量以及冶炼过程枪位的控制等均保证在同一冶炼模型下进行。
4.2 试验结果和分析
4.2.1 脱碳速度及对应的烟气量分布
根据试验数据得出脱碳速度与吹氧时间、供氧强度的关系，烟气量与吹氧时间、供氧强度的关系，见图3、4所示。
从图中可以看出，与经验模型的“台阶”形曲线基本相似，最大脱碳速度出现在吹氧7—12min范围内；供氧强度为2.97m3/(min·t)时，最大烟气量达218704m3/h。
图3脱碳速度与吹氧时间、供氧强度的关系
1—供氧强度为2.78m3/(min·t)；2一供氧强度为2.97m3/(min·t)
图4烟气量与吹氧时间、供氧强度的关系
1一供氧强度为2.78m3/(min·t)；2—供氧强度为2.97m3/(min·t)
4.2.2 试验结果分析
依据理论分析的经验模型，结合试验数据，得出供氧强度为2.78m3/(min·t)时的脱碳速度方程如下：
υC=0.00929+0.05109×t一0.002322×t2
式中t——吹氧时间，min。
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