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收藏词条   编辑词条 喷射冶金

创建时间:2008-08-02


向金属熔池中喷吹气体或同时喷入粉料以进行金属提取和精炼的一种冶金工艺。现代氧气转炉炼钢、高炉喷吹燃料或粉料以及其他冶炼设备中向熔池喷吹气体和粉料等,均属于喷射冶金工艺的一种应用方式,但通常所说喷射冶金,主要指铁水的喷粉预处理和对钢包中钢水喷气搅拌和喷粉的炉外精炼技术。

按喷吹气体和粉剂的种类、喷入方式和冶金目的的不同,喷射冶金的应用可以区分为表1给出的几种情况。与常规的以渣金界面反应为主的冶炼方法(如平炉炼钢法、电弧炉炼钢法)相比,采用喷吹方式进行冶金过程控制的工艺,由于搅拌强度和界面接触面积的增大,其冶金反应加速,设备生产率提高。

自20世纪60年代以来,喷射冶金在开发新的冶金工艺和提高现有设备生产效率方面取得进展并得到广泛应用。其中应用效果最好的是用于铁水预处理和钢包喷粉法精炼。为改善转炉冶炼条件和生产超低硫等洁净钢的需要,许多大型钢铁联合企业均配置有铁水喷粉处理站。

由铁水罐车或鱼雷罐车运来的高炉铁水,在铁水预处理站处理5~15min,进行脱硫,脱硅,脱磷,或进行其中一项预处理(多数情况下进行脱硫)。载送气体为空气或氮气,常用粉剂有石灰、CaC2、金属镁粒、苏打、氧化铁、合成渣料以及其他脱硫和脱磷用粉剂。铁水的预脱硫和脱磷程度,按生产条件下的具体要求确定,采用喷粉预处理铁水,最大脱硫和脱磷效率可以达到90%。钢包喷粉处理的主要目的有:脱硫、夹杂物的排除和形态控制(见夹杂物变性处理和钙处理技术)、合金化和成分微调、温度调整和均匀化等。载送气体为氩气,对部分钢种也可用氮气;炉外精炼用粉剂有:CaSi、CaO、CaC2、碳粉和各种合金粉剂,以及各种合成渣粉;处理时间一般为5~10min,氩气流量1~2m3/min、供粉速度10~100kg/mm。

                                    

钢包喷粉处理也有其弊端,部分金属裸露于大气会引起钢水吸氮、搅拌过于激烈不利于夹杂物的充分排除且温降较大等,这些又限制了喷粉处理在一些车间和一些钢种上的应用。表2列举出钢水喷粉处理与其他几种钢水精炼的效果比较。表2各种钢水精炼方式的效果比较

气体射流在金属熔池中的行为        气体射流可以以不同角度(顶、底、侧和斜吹)、不同方式(冲击射流和浸入式射流)吹向熔池,其对熔池的冲击作用和穿透行为,可以根据气体和熔池的物理性质,按动量守恒原理去分析。由于具体喷吹条件下的现象十分复杂,难于确切地进行定量的理论计算,故许多研究工作者同时利用实验手段研究金属中气体或气粉射流的行为。舍克里(J.Szekely)等提出的液相中水平气体射流的轨迹,他们作出一些简化假设,通过建立水平和垂直方向的动量平衡,推导出射流中心轴线的轨迹方程:

                                                           

                                                              

式中xj=x/d0和yj=y/d0分别为距射流原点无因次水平和垂直距离;d0为孔径;N’Fr为喷嘴出口处修正弗鲁德准数。中西恭二等用上式计算空气一冰铜体系中斜吹射流的行为,所得结果基本与实验结果相符。图1为氧气顶吹转炉内由氧枪喷出的超音速射流所形成的冲击射流。沙马(Sharma)等人理论分析了冲击射流对熔池的穿透并利用水模型和100kg金属熔池进行实验,获得了冲击射流穿透深度与射流动量流量Pj(Pj=d02ρgu0)的关系:

                                                         

式中d0为喷嘴直径,m;u0气流喷出速度,kg/s;ρL、ρg分别为金属熔池和气体密度,kg/m3。在浸没式喷吹中,当气体流量减少到一定程度时,喷嘴出口处就不再能维持气体的连续射出。莱布森(Leibson)等根据空气一水系统内的实验结果,提出气流由喷嘴流出方式转换的条件为:

                                                                  

式中N Re,0为喷嘴雷诺数;u为气体出口速度,m/s;d0为喷嘴出口尺寸,m;ρ为气体密度,kg/m3,μ为气体黏度,N.s/m。即当气体射流雷诺数.N Re,0小于2100时,气体将直接在喷嘴孔口形成;N Re,0大于2100,气体以连续流股的形式流出喷嘴。虽然不清楚气体喷入金属熔池中当.N Re,0为2100时,是否存在这种转变,但可以肯定,这种由气泡流向连续射流的转换,随吹气量的增加,在金属熔池中总是会产生的。在气泡于孔口形成的条件下,气泡行为(气泡尺寸和频率)取决于气泡表面张力、惯性力和浮力的平衡。库玛尔(Kumar)和戴维森等提出水体系中不同孔口雷诺数下气泡形成的尺寸:

当N Re,0<500时.

当N Re,0>500时,

式中dB和VB分别为气泡的直径和体积,m和m3;d。为喷嘴直径,m;σ为气液界面张力,N/m;Q为气体流量,m3/s。熔融金属中孔口气泡形成现象的研究得还不够深入。葛斯里、艾恩斯、佐野和森一美发表了一些研究结果,发现液体金属对孔口的浸润、前室效应、界面张力值的不同等,使得在熔融金属中测出的气泡尺寸与上述空气一水体系中的研究结果有所不同。因此熔融金属中气泡的行为仍是喷射冶金中有待深入研究的现象之一。


气体对熔池的搅拌作用      

吹入气体对熔池作功主要有:喷吹高压气体时气体在喷口处膨胀作功W1,喷口处气体因升温而膨胀作功W2,喷吹时气体所具有的动能作功W3,和气泡在熔池中上浮时浮力做功W4。气体喷吹金属熔池时,只有引起熔池中金属作循环流动的搅拌作用才最有效,上述W1、W2和W3只在喷嘴附近完成,作功效率很低。可以认为,气体吹搅熔池时主要由浮力作功,其功率为

               

式中p1,p2为喷嘴出口处金属静压力和大气压。钢包吹氩处理是吹气搅拌金属熔池最典型、应用最广的工艺之一。按浮力做功的分析,吹气钢包中两相区结构和循环流场的基本规律示于图2。舍克里、葛斯里((3uthrie)和萨哈依(Sahai)、奥托斯(F.C)eters)等按图

                                     

2所示之力源和两相区结构,建立了数学模型,用计算机计算了吹气搅拌时钢包内的流动场。在生产实践中,衡量吹气搅拌效率的参数通常采用均匀混合时间tm(s)。设C为t时间内测得的某一组元的浓度,C为完全均匀混合后的浓度。一般取(足够)均匀混合时间为达到0.95<1.05的时间。中西恭二总结了50t钢包,200tRH装置、65kg水模型和50tASEA—SKF炉内测定结果,提出

                                  

式中k为常数(中西恭二取为600±100),÷为搅拌能密度,w/t。森一美和佐野正道认为均匀混合时间除与吹气量有关外,还与容器的几何条件有关,他们提出均匀混合时间的计算公式为

                      

式中D为熔池直径,m;H0为熔池深度,m;ε为搅拌能密度,w/t。当同时喷入粉剂时,粉粒穿透进入金属液相可以显著提高反应效率。粉粒进入金属的条件可以按运动粉粒克服表面张力、阻力和推出力进行估算。按粉粒冲击金属界面并向前运动一段等于本身直径距离来考虑,粉粒所需的最低速度为

                                  

式中r为粉粒半径;σ为表面张力。表3为直径0.1mm不同密度粉料进入钢水的最低速度。

                           


超低硫钢处理    

喷粉处理是钢包脱硫的最有效手段之一。在插入喷枪喷吹条件下,喷入粉剂与金属中元素反应的热力学和动力学条件有利于钙、镁等强脱硫元素参与反应,反应产物易于由反应区排出。对于良好脱氧的钢水,喷吹CaSi粉脱硫可以将钢中硫降到很低含量。

                               [Ca]+[s]=(CaS)

                             lgk=aCaS/aCaaS

三木在1大气压氯压下,对成分为C0.3%、Si0.3%、Nil0%、A10.2%~0.3%的铁液在1600oC下喷吹ca—Si粉,得到lgk=7.1。故取口aCaS=1,aCa=20×10-4 %,则平衡时铁水中硫只有1×l0-4%。已有用钢包喷粉处理等手段,冶炼含硫0.0003%的超低硫钢的报道。


夹杂物控制             

钙与硫的亲和力大于铁、锰,与氧的亲和力大于铁、锰、硅、铝。钙与氧的亲和力又大于与硫的亲和力。当向钢中喷入CaSi或金属Ca后,钢中夹杂物组成、数量和形态将发生变化。FeS、MnS、MnO、SiO2等氧和硫的化合物全部和部分被CaO和CaS取代。钢中部分Al2O3夹杂物与[Ca]反应,生成钙铝酸盐。适当控制钢中残铝量和钙量,可以获得低熔点钙铝酸盐(如12CaO•7Al2O3,熔点1455℃),在钢中以液态形式存在,故有聚积成球状趋势,从而有利于由金属中排出,残存于成品钢中的球状钙铝酸夹杂在轧制中对钢质量的危害作用也小于Al2O3、MnS等夹杂物。

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