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一种铸造熔炼配料计算方法
申请（专利）号：
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公开(公告)号：
主分类号：
G06Q50/04,G06Q50/00,G,G06,G06Q,G06Q50
G06Q50/04,G06Q50/00,G,G06,G06Q,G06Q50,G06Q50/04,G06Q50/00
申请（专利权）人：
山东联诚集团有限公司
发明（设计）人：
宋长运,李金龙
主申请人地址：
272100 山东省济宁市兖州市经济开发区创业路6号
专利代理机构：
济南舜源专利事务所有限公司 37205
国别省市代码：
一种铸造熔炼配料方法，其特征在于，建立数学模型，制定铸造熔炼配料计算的流程如下：①设定废钢的加入量，生铁的加入量，回炉料的加入量；②核算P、S；③核算成本；④配料是否适当，重新配料；⑤根据上述数学模型，利用MicrosoftExcel工作表中单元格自动根据公式计算的功能，输入计算公式。
法律状态：
公开，公开，公开，实质审查的生效，实质审查的生效，实质审查的生效
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◇热点推荐因素来确定；生产实践证明，脱碳量过少，达不到去除钢中一定量气；(2)脱碳速度；生产实践证明，脱碳速度过慢，熔池沸腾缓慢，起不到；(3)激烈沸腾时间；氧化期的脱碳量和脱碳速度往往还不能真实地反映钢液；在电炉钢生产过程中，氧化期熔池的激烈沸腾时间不应；2.氧化期操作；(1)氧化期操作的原则；氧化期的各项任务主要是通过脱碳来完成；在氧化顺序上，先磷后碳;在温度控制
因素来确定。一般说来，炉料质量越差或对钢的质量要求越严，要求脱碳量要相应高些。
生产实践证明，脱碳量过少，达不到去除钢中一定量气体和夹杂物的目的;而脱碳量过大，对钢的质量并没有明显的改善，相反会延长冶炼时间及加重对炉衬的侵蚀，浪费人力物力，因此脱碳量过大也是没有必要的。一般认为，氧化法冶炼的脱碳量为0.20%～0.40%，返吹法则要求大于0.10%，而小炉台因脱碳速度快，可规定略高一些。
(2)脱碳速度
生产实践证明，脱碳速度过慢，熔池沸腾缓慢，起不到充分去气除夹杂的作用;而脱碳速度过快，在短时间内结束脱碳，必然造成熔池猛烈的沸腾，易使钢液裸露，吸气严重，且对炉衬侵蚀加重，这不仅对去气除夹杂不利，还会造成喷溅、跑钢等事故。所以，电炉炼钢的脱碳要求要有一定的速度。合适的脱碳速度应保证单位时间内钢液的去气量大于吸气量，并能使夹杂物充分排出。一般正常的矿石脱碳速度要求为0.008～0.015%/min，而吹氧脱碳速度要求为0.03～0.05%/min。
(3)激烈沸腾时间
氧化期的脱碳量和脱碳速度往往还不能真实地反映钢液沸腾的好坏，必须再考虑熔池的激烈沸腾时间，只有这样才能全面地表明钢中去气除夹杂及钢液温度的均匀情况等。然而熔池的激烈沸腾时间取决于氧化的开始温度、渣况及供氧速度等，即熔池的激烈沸腾时间与脱碳量和脱碳速度有直接关系。但即使上述因素不完全具备，电炉炼钢工也可通过直接向熔池吹入氩气或CO气体等，保证熔池具有足够的激烈沸腾时间。这里必须指出，向熔池中吹入氩气或CO气体，虽能制造良好的激烈沸腾，但它不能解决钢中杂质的氧化，而许多杂质的氧化是离不开氧的。因此，在氧化期如果不向熔池中供氧，单凭吹氩或吹CO气体，最终也不能获得较为理想的纯净钢液。
在电炉钢生产过程中，氧化期熔池的激烈沸腾时间不应过短或过长，一般约在15～20min就可满足要求。
2.氧化期操作
(1)氧化期操作的原则
氧化期的各项任务主要是通过脱碳来完成。单就脱磷和脱碳来说，两者均要求熔渣具有较强的氧化能力，可是脱磷要求中等偏低的温度、大渣量且流动性良好，而脱碳要求高温、薄渣，所以熔池的温度是逐渐上升的，根据这些特点，我们将氧化期总的操作原则归纳如下：
在氧化顺序上，先磷后碳;在温度控制上，先慢后快;在造渣上，先大渣量去磷，后薄渣脱碳;在供氧上，可先进行矿石或综合氧化，最后以吹氧为主。
(2)氧化期的一般操作
炉料全熔经搅拌后，取样分析C、Mn、S、P、Ni、Cr、Si、Cu，如钢中含有MO、W等元素也要进行分析。然后扒渣并补造新渣，使氧化渣的渣量达到料重的3%～4%。为了加速造渣材料的熔化可用氧气吹拂渣层，流动性不好时要用萤石调整，当温度达到l530℃以上开始用矿石氧化。在氧化过程中，应控制脱碳速度，并掌握熔池的激烈沸腾时间;脱碳量要满足工艺要求，如果不足应选择适当时机进行增碳。在氧化过程中，最好能够做到自动流渣，这样既有利于脱磷，又有利于后期的薄渣降碳。为了掌握脱碳、脱磷情况及
准确地知道不氧化元素的成分，在氧化中途还应分析有关的含量。当加完矿或停吹后，熔池进入清洁沸腾，有的还要保持锰，在这同时，根据需要还要调整一些不氧化元素的成分，如Ni、MO等，使之达到规格的中下限，然后再取样分析C、Mn、P等及其他有关元素的成分。当熔池具备扒渣条件时，即可进行全扒渣操作，而后转入还原期。
在氧化过程中，应正确控制熔渣的成分、流动性和渣量，无论是脱磷还是脱碳，都要求熔渣具有较高的氧化能力和良好的流动性。理想的脱磷碱度应保持为2.5～3.0，而脱碳的碱度为2.0左右。在冶炼过程中，有的因炉壁倒塌或炉底大块镁砂上浮，使氧化渣的流动性变坏，这时应及时地扒出。
良好的氧化渣应是泡沫渣，可包围住弧光，从而有利于钢液的升温和保护炉衬，冷却后表面呈油黑色，断口致密而松脱，这表明(FeO)含量较高、碱度合适。氧化末期有时氧化渣发稠，这主要是炉衬粉化的镁砂和大量的非金属夹杂物上浮造成的。冶炼高碳钢时，如熔渣发干，表面粗糙且呈浅棕色，表明(FeO)含量低，氧化性能差，这种现象在返吹法冶炼或纯氧氧化时出现较多。冶炼低碳钢时，如氧化渣表面呈黑亮色，渣又很薄，表明(FeO)含量高，碱度低，这时应补加石灰。
(3)氧化期常见的几种典型操作
氧化期是在确知熔清成分和温度合适的条件下开始的，但有时熔清成分不是那么理想，常见的有碳高、磷高;碳高、磷低;碳低、磷高;碳低、磷低等几种典型情况，现分述如下：
a.碳高、磷高。此时应在氧化初期，利用熔池温度偏低的机会集中力量脱磷，并在脱磷过程中，逐渐升温，为后期脱碳创造条件。具体操作是：全熔扒渣后制造较大的渣量，可吹氧化渣并升温，然后加入矿石粉或氧化铁皮及适量的矿石，以利于脱磷。在这同时，要保证熔渣流动性良好，当温度合适后，再分批加入矿石制造脱碳沸腾，并自动流渣，补充新渣或进行换渣操作，这样很快就能使磷满足扒渣的许可条件。如果全熔换渣后改用喷粉脱磷效果更好。在碳高、磷高的情况下，氧化前期的操作以脱磷为主，后期以脱碳为主。当然，高水平的操作也可两者兼顾，直至全面满足工艺要求为止。
b.碳高、磷低。如果没有满足扒渣的许可条件，这时的操作除采用喷粉脱磷外，还可利用脱碳沸腾，并在脱碳过程中去磷。具体操作是：全熔扒渣后制造较大的渣量，用氧气化渣升温，当温度合适后开始降碳，并适时地加入矿石或氧化铁皮等，使其自动流渣、并补选新渣，这样很快就能将磷降到扒渣许可的条件，最后采用高温、薄渣脱碳直至满足工艺要求为止。
如果已满足扒渣的许可条件，这时的操作主要是制造熔池沸腾和降碳，与此同时升温。具体操作是：全熔扒渣后制造合适的渣量，用氧气快速化渣与升温，当温度合适后，可采用矿氧并用或纯氧脱碳，直至满足工艺要求为止。
c.碳低、磷高。这时应集中力量去磷，然后增碳，当温度上来后，再制造脱碳沸腾直至满足工艺要求为止。
d.碳低、磷低。这时的操作主要是增碳，然后再脱碳激烈沸腾，与此同时快速升温。如果炉料质量较好，即杂质较少，而激烈沸腾时间不够时，也可借助于直接吹入氩气或吹CO气体来弥补熔池的沸腾，以满足工艺要求。
第七节 还原期精炼操作
还原精炼的具体任务是：
(1)尽可能脱除钢液中的氧;
(2)脱除钢液中的硫;
(3)最终调整钢液的化学成分，使之满足规格要求;
(4)调整钢液温度，并为钢的正常浇注创造条件。
上述任务的完成是相互联系、同时进行的。钢液脱氧好，有利于脱硫，且化学成分稳定，合金元素的收得率也高，因此脱氧是还原精炼操作的关键环节。
1.脱氧产物的形成与排除
(1)脱氧产物的形成
电炉炼钢常用的脱氧剂有C、Mn、Si、Al及钙系合金等，其中除碳与氧反应生成CO 气体逸出外，其他各种元素在钢液中的脱氧产物主要是以硅酸盐或铝酸盐形式存在，因此这里所叙述的脱氧产物主要是指钢中的氧化系夹杂。
脱氧产物形成是由成核和长大两个环节组成，这也是脱氧过程的首要步骤。对于脱氧能力很强的Al、Zr、Ti元素，由于在微观体积内具有较大的过饱和度和能量起伏，所以均相成核的机率性较大。而对于脱氧能力较弱的Si、Mn元素，有可能依附在熔体内的现成基体上成核，这样的基体在钢液中总是存在的，如夹杂或其他原子集团或浓度差及其他不同的界面等，因此脱氧产物在熔池中的成核一般是比较容易的。
成核一旦发生，周围的脱氧剂和氧的浓度就立刻降低，为保持浓度的平衡，这些元素将不断地从远处扩散过来，从而引起核的长大。有人曾计算溶解氧从0.06%降到0.01%的硅脱氧，最终半径为2.5um的脱氧产物，长大到最终半径的90%只需0.2s，最终半径为20um的脱氧产物长大到90%也只需12.8s，可见脱氧产物的长大也是很快的。形成的脱氧产物因比钢轻及在界面张力或搅拌等因素的作用下必然引起上浮，从而有可能排除。
(2)脱氧产物的排除及其影响因素
脱氧产物从钢中的去除程度主要取决于它们在钢液中的上浮速度，而上浮速度又与脱氧产物的组成、形状、大小、熔点、密度以及界面张力、钢液的粘度与搅拌等诸因素有关，并大致服从斯托克斯公式：
式中v――脱氧产物颗粒夹杂上浮速度，cm/s;
r――颗粒夹杂半径，
g――重力加速度，cm/s2;
ρ/――钢液密度，g/cm3;
ρ――脱氧产物密度，g/cm3;
η――钢液粘度，Pa?S;
K――常数，脱氧产物在钢液中上浮时可选用K=1。
由式中可看出，降低钢液粘度有利于颗粒夹杂的上浮。但钢液的粘度与成分、温度有关，依靠调整成分来降低钢液的粘度是有限的，而钢液的粘度随着温度的变化不大，例如30钢当温度由1535℃升至l610℃时，粘度仅降低0.00055Pa?s。通过计算可知，对于化学成分一定的钢种，提高温度改善钢液的流动性，在最理想的条件下，上浮速度只能增加 3倍左右。从式中还可看出，密度差越大，越有利于颗粒夹杂的上浮，但钢液内不同氧化物的密度变化范围较小，依靠改变颗粒密度至多能将上浮速度提高2～3倍。因此，要去除钢中氧化系夹杂，主要是依靠增加它的半径。此时，斯托克斯公式可简写成下式：
上式表明，v与r 的平方成正比。因此，脱氧产物的颗粒半径越大，上浮速度越快， 例如在同一条件下的钢液中，当夹杂物颗粒半径r由20um增加到40um时，上浮速度提高4倍。上述讨论由于没有考虑脱氧产物的物化性质、界面张力以及钢液温度的不均匀性，也没有考虑熔体所处的各种动力学条件等，因此计算结果与实际观察约小2～4个数量级。所以，斯托克斯公式只能定性的估计脱氧产物半径的增大对上浮速度的影响，而用于计算有局限性。
悬浮于钢液内氧化物夹杂的聚集、长大过程称为聚结过程。聚结过程是自发的，并通过降低表面自由能所产生的聚合力来完成。然而液态的、粘性小的脱氧产物比固态的、粘性大的颗粒聚结上浮更容易，这是由它们各自不同的物理特性决定的。因此，脱氧方法和脱氧剂的选择是这样考虑的：最大限度地降低钢中溶解氧的浓度，并生成低熔点、流动性好的脱氧产物。然而，尽管固态的、粘性大的脱氧产物聚结比较困难，但在一定的条件下，只要有机会接触碰撞且通过表面自由能的降低，也会越聚越大，并加速上浮。
既然钢液中呈液态的脱氧产物易于聚结上浮，那么什么样的脱氧产物呈液态呢?各种元素的单独脱氧产物的熔点都高于炼钢温度，且元素的脱氧能力越强，脱氧产物的熔点越高，如Al2O3、TiO2、SiO2等。类似这样的脱氧产物在炼钢温度下都以固体颗粒状态存在。而复合脱氧剂或同时加入几种单元素的脱氧剂，在脱氧过程中易于生成低熔点的液态脱氧产物，如Mn0?SiO2、2MnO?SiO2、MnO?Al2O3等。由此不难看出，脱氧产物的熔点对其从钢中的排除也有很大的影响。
脱氧产物与钢液间的界面张力大小对脱氧产物的上浮与排除也有很大的影响。另外，因脱氧产物的组成不同，它们与钢液间的界面张力不同，所以也影响上浮与排除。例如，低碳钢的夹杂物中，大约含有95%的FeO和MnO的液态夹杂，它们与钢液间的界面张力实测为0.175～0.3N/m，当向此熔体中加入Al2O3时，界面张力约能激增到l.2N/m。夹杂物中Al2O3。的含量越少，界面张力越低，它们也就越不易排除。现已研究证明，脱氧产物的化学键越强，熔点越高，聚合力也越大，它们同钢液的化学作用也就越弱。因此，即使难熔的固体颗粒只要具有足够的界面张力，也能够以很快的速度从钢中上浮到渣层，也就是说，有许多强脱氧剂的脱氧产物也容易上浮与排除。如冶炼轴承钢，当用铝量由0...22kg/t钢增至2kg/t钢，钢中氧化物夹杂量由0.011%瞬间降至0.004%，Al2O3能够很快的上浮与排除的原因主要是聚合力很大。
在化学成分一定的情况下，提高温度降低钢液粘度有利于脱氧产物的上浮。温度对脱氧产物上浮与排除的影响是很大的。当其他条件相同时，高温冶炼能够获得较纯净的钢。这是因为高温除能改善钢液的流动性外，还能使一些固态的颗粒状脱氧产物得到相应的液化，有利于聚结、上浮与排除。然而冶炼的温度
又不能过高，因为过高的温度，不仅增加电耗，也影响浇注工作的顺利进行。此外，高温吸气及冲刷、侵蚀耐火材料严重，容易重新引进不必要的外来夹杂，进而又恶化了钢的质量。
搅拌可使钢液产生紊流运动，使脱氧产物的碰撞几率增多及聚结和上浮速度加快，从而有利于脱氧产物的排除。炉前除了采用人工搅拌、机械搅拌、电磁感应搅拌、气体搅拌外，目前在包中进行喷粉与吹氩冶炼也盛行起来，尤其是出钢后的喷粉操作，在进行脱氧、脱硫的同时，还可降低脱氧产物SiO2等的活度，更有助于它们的排除。
总之，钢中脱氧产物的排除程度，在冶炼过程中取决于脱氧产物的组成和性质，这与脱氧工艺有直接关系。脱氧产物的颗粒越大，或密度差越大，或熔点低呈液态并与钢液间的界面张力越大，排除程度越好。此外，控制合适的冶炼温度及加强不同形式的搅拌，也有利于脱氧产物的上浮与排除。
2.电炉炼钢的脱氧方法
1)直接脱氧
直接脱氧就是脱氧剂与钢液直接作用，它又分为沉淀脱氧和喷粉脱氧两种。扒净氧化渣后，迅速将块状脱氧剂，如锰铁、硅锰合金或铝块(饼)或其他多元素的脱氧剂，直接投入(插入)钢中或加到钢液的镜面上，然后造还原稀薄渣，这种脱氧方法称为钢液的沉淀脱氧。这个概念起源于沉淀反应，因凡从钢液中析出氧化物的过程多属于沉淀反应过程。钢液的沉淀脱氧的速度较快，可缩短还原时间，但脱氧产物易残留在钢中而成为夹杂。钢液的喷粉脱氧是将特制的脱氧粉剂，利用冶金喷射装置并以惰性气体(氩气)为载体输送到钢液中去。由于在喷吹的条件下，脱氧粉剂的比表面积(脱氧粉剂和钢液间的界面积与钢液的体积比)比静态渣钢界面的比表面积大几个数量级，以及在载流氩气的强烈搅拌作用下，增大了扩散传质系数和改善了反应的动力学条件，因此钢液的脱氧速度很快，即在极短的时间内就可较好地完成脱氧任务，进而简化了冶炼工艺，缩短精炼时间，且又能降低各种消耗。另外，钢液的喷粉脱氧使密度小、沸点低或在炼钢温度下蒸气压很高的强脱氧剂(如Ca、Mg等)获得了广泛的应用;同时又可改变钢中夹杂物的属性和形态、数量与分布等，从而使钢的力学性能及工艺性能得到了提高。
目前，钢液的喷粉脱氧方式有两种：一种是在炉内进行，另一种是在钢包中进行。炉内的喷粉脱氧因熔池浅，喷溅严重，脱氧粉剂容易随着载流气泡逸出并在渣面上燃烧，所以脱氧粉剂的利用率偏低，但最终脱氧效果还是强于钢液的沉淀脱氧，而不如钢包中的喷粉脱氧。包中的喷粉脱氧，由于粉剂运动的行程长，因此利用率很高。脱氧产物在氩气搅拌作用下，碰撞聚结几率大，易于上浮与排除，而少数夹杂物就是残留在钢中，也是细小、分散、均匀分布，或属性与形态发生了改变，因此对钢的危害也较小。此外，钢包中的喷粉脱氧无二次氧化。钢液的喷粉脱氧剂有多种，除钙系合金粉剂可用来脱氧外，还有铝粉、硅铁粉、钛铁粉、稀土等，也可喷吹渣粉，如Ca0粉或掺入少量的CaF2粉，也可喷吹渣粉和某些脱氧元素的混合剂。这些粉剂喷前需经严格烘烤、筛分，H2O≤0.1%。钢液的喷粉脱氧无论是在炉内进行，还是在钢包中进行，只是脱氧效果有差异，而反应基理不变。
喷吹渣粉(如喷吹85%CaO和15%CaF2)的脱氧，并不是渣粉与钢中氧直接作用，而是渣粉喷入后，降低了aSiO2，增强了硅的脱氧能力，从而降低了钢中的氧含量。也有人认为在喷吹条件下，渣粉在氩气泡表面熔化形成一层液体渣膜，使钢中硅和氧一齐向渣膜扩散，从而生成了活度低的脱氧产物并随同氩气泡排出，而使钢液中的氧得到了进一步的降低。因此，利用喷吹渣粉脱氧，钢液中必须含有足够的硅量。此外，该法温降大且增氢降硅，这在制定工艺制度时不可不考虑。在喷吹时，由于脱氧粉剂的比表面积大，有的还以气态与钢液接触，以及在氩气的搅拌作用下，扩散传质好，因此，钢液的喷粉脱氧有它自己独特的动力学条件。尤其是钢包中喷粉脱氧，准确的操作可将钢中氧降到20×10―4%以下。
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