铁碳熔池废钢熔化行为研究进展

马国军 1,2、刘梦科 1,2、张翔 1,2、郑鼎立 1,2、姚旺龙 1,2

（1. 天元二手材料，湖北 武汉；2. 武汉科技大学钢铁冶金新技术湖北省重点实验室，湖北 武汉）

摘要： 在钢铁冶金过程中，逐步降低铁矿石比例，提高废钢比例，实现钢铁循环利用已成为世界钢铁工业追求的目标。废钢的熔化行为是控制转炉炼钢过程中的温度轨迹和废钢比以及电弧炉炼钢能耗和生产率的关键因素；同时，铁水包内废钢的熔化行为可能会影响铁水预处理过程的顺利进行。研究废钢的熔化行为对于提高转炉、电弧炉、钢包等设备中废钢的利用率，保证钢铁冶金过程的稳定、顺畅具有重要意义。综述了废钢在铁碳熔池中熔化行为的研究成果，包括废钢熔化机理以及利用数值计算与模拟、热模拟和水模拟实验研究了熔池温度、熔液研究熔池碳含量、废钢预热温度、废钢粒度、吹炼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和实验依据。废钢熔炼主要包括废钢本体的凝固层形成、重熔和渗碳熔化等过程。随着熔池温度和熔池含碳量的升高，废钢尺寸的减小，废钢的熔化速度逐渐增大。预热温度对熔化后期废钢的熔化速度影响不大。改善吹炼和搅拌条件可以提高废钢的熔化速度。熔化速度加快，缩短熔池混合时间。同时，随着熔池温度和熔池碳含量的升高，废钢的比表面积增大，熔池的搅拌强度加大，熔池与熔池之间的传热传质过程加剧。废钢强化，熔体与废钢的关系强化。碳的传热系数和传质系数相应增加。

关键词：废钢；熔化机制；铁碳熔体；传热；传质

在碳达峰、碳中和背景下，绿色低碳是钢铁行业高质量发展的关键。钢铁行业绿色低碳发展方向之一是改变生产原材料结构，提高废钢利用率。在炼钢过程中利用废钢，可以大大减少冶金资源的消耗和“三废”的产生。据统计，每使用一吨废钢，可减少焦炭使用量0.4吨或原煤使用量1吨，减少新水消耗量1.7吨，减少铁矿石使用量1.7吨。同时可减少废水排放70%、二氧化碳1.6吨、炼铁渣0.35吨、尾矿渣2.6吨。因此，提高钢铁行业废钢的利用率具有较高的经济效益和环境效益，对钢铁行业的可持续发展具有重要意义。

目前，逐步降低铁矿石使用比例、提高废钢比例、实现钢材循环利用已成为世界钢铁工业追求的目标。废钢广泛用作转炉、电弧炉、高炉、钢包等设备的金属材料。其中，废钢在高炉中的熔化属于回流滴落行为，这方面的基础研究报道很少。转炉炼钢过程中的废钢比受到废钢熔化速度的限制，主要是因为冶炼初期熔池温度低，金属液粘度高，传热和碳传质影响大。熔池率低。废钢的熔化速度较低。为了在炼钢过程中消化更多的废钢，即提高转炉内的废钢比，就必须加快废钢的熔化速度。电弧炉炼钢具有工艺流程短、能耗低、环境友好等优点，近年来越来越受到人们的关注。该工艺的主要原材料之一是废钢。电弧炉炼钢总能量的60%左右用于加热熔化炉料，熔化炉料所需的时间占总冶炼时间的50%以上。因此，废钢的熔化行为是控制电弧炉炼钢能耗和生产率的关键因素。为了增加产量，降低生产成本，提高废钢的利用率，也可以在铁水包中添加废钢。然而，这会导致铁水温度下降，可能导致废钢熔化不完全、铁水粘度增大、卸料困难，从而影响铁水预处理过程的顺利进行。同时，铁水包中加入废钢也会增加桥式起重机的调度任务。

因此，研究废钢的熔化行为对于提高上述设备中废钢的利用率，保证钢铁冶金过程的稳定、顺畅具有重要意义。该领域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、废钢的熔化速度和完全熔化时间。近年来，大量研究通过数值计算与模拟、热模拟试验和水模拟试验，探讨了熔池温度、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。 。实际生产提供了一定的理论依据和实验依据。本文对铁碳熔池中废钢熔化行为的研究工作进行了综述，旨在为该领域的研究提供参考。

1、废钢熔化机理

“废钢熔化”实际上是一种熔化现象，包括从熔体到废钢的热传递，也可能包括碳的质量传递。废钢的熔化速度与熔池的碳含量和温度以及废钢的碳含量和比表面积有关；同时，废钢的熔化速度可以通过传热、传质或热质传递耦合来控制，具体取决于熔体和废钢的化学成分和温度。在废钢熔化过程中，最重要的溶质是碳。通过研究热和碳的耦合传递，可以在保证普适性的同时了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)为熔池碳的质量分数，%； w（Csc）为废钢的碳质量分数，%。研究表明：（1）当Tb>Tm、w(Cb)>w(Csc)且Tb与Tm相差较小时，废钢熔化过程受传热与碳传质耦合控制;当Tb和Tm不同时，当Tb > Tm且w(Cb) < w(Csc)时，由传热控制； (3)当Tbw(Csc)时，受传质控制； (4)当Tb＜Tm且w(Cb)＜w(Csc)时，废钢不会熔化。一般来说，转炉炼钢初期，作为炼钢原料的废钢的熔化过程是通过传质控制的；转炉炼钢中期和钢包内废钢熔化过程受传热传质耦合控制；转炉炼钢后期，以废钢为冷却剂的熔化过程主要通过传热控制。同时，电弧炉炼钢过程中废钢的熔化过程主要受传热控制。

废钢的熔化行为是一个带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态废钢的热流和质量流。 A等人。基于移动边界层理论建立了废钢熔化热质传递耦合模型（图1）。他们还利用傅立叶定律和菲克定律分别表征了边界层的传热和传质现象。 ，见式（1）和式（2）。该模型假设固体废钢一与液态熔体接触就形成热边界层，但由于传质过程缓慢，碳浓度边界层的发展需要一些时间。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、碳的传质系数和废钢熔化速率的影响。

式中：T为温度，K； w(C)为碳质量分数，%； α——固体废钢的热扩散系数，m2/s； DC为碳在液态熔体中的扩散系数，m2/s； v为界面移动速度废钢铁的合理损耗，m/s。

A提出的废钢熔化模型还可以预测废钢的熔化速度以及熔体与废钢之间传热传质的演变。根据模型计算出的无量纲关系如式(3)和(4)所示。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。

式中：Nu为努塞尔数； Re为雷诺数； Pr为普朗特数； Sh 是舍伍德数； Sc 是施密特数。

尽管文献对废钢熔化机理进行了大量的研究，但仍然存在一些值得探讨的问题，特别是废钢熔化过程中边界条件的分析，对于数学建模过程中相关方程的求解非常重要。 A考虑了热边界层和碳浓度边界层的形成和发展过程，但忽略了废钢熔化过程中固液共存区的存在； A考虑了废钢熔化过程中的传热和碳传质过程，但固液共存区等同于热边界层和碳浓集边界层，并假设热边界厚度为层和碳的浓度边界层是一致的。边界条件的不准确可能会导致数学建模过程困难和模型不准确。为了进一步探讨废钢的熔化机理，作者基于移动边界层理论建立了一维非稳态废钢熔化模型。在建立模型之前，对废钢熔化过程中熔液与废钢之间的接触界面进行了分析。固体废钢、液体熔体及其界面的碳含量和温度分布如图3所示。

废钢的熔化过程可分为三个阶段：（1）熔体在废钢表面凝固，形成凝固层； (2)固化层熔化； (3)废钢体熔化。当废钢刚浸入熔池时，界面处的温度梯度很大。此时废钢耗散的热流大于熔体提供的热流，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废钢为负。 ，形成固化层。随着保温时间的增加，界面处的温度梯度减小。当熔体提供的热流与废钢耗散的热流相等时，凝固层达到最大厚度，这是废钢熔化的第一阶段。随后，熔体提供的热流开始大于废钢耗散的热流，凝固层重新熔化，这是废钢熔化的第二阶段。凝固层重熔后，熔体渗碳并将热量传递到废钢表面。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。此后，废钢上出现新的表面，并重复渗碳熔化过程，直至废钢完全熔化（图4），这是废钢熔化的第三阶段。在废钢熔化后期，温度梯度变化很小，熔体提供的热流与废钢消散的热流之差几乎不变。此时，废钢的熔化速度几乎是恒定的。

当熔体凝固形成固化层时，密度发生变化，从而产生应力，导致在固化层和固体废料之间形成气隙。通过热模拟试验证实了气隙的存在，如图5所示。气隙导致凝固层与废钢接触不完全，影响熔体与废钢之间的传热。 A等人。基于有限差分法建立了笛卡尔几何和圆柱几何模型，并给出了存在气隙时的温度分布（图6）。然而，气隙在整个废钢熔化过程中的作用机制仍不清楚，需要进一步研究。

2 废钢熔化行为研究现状

在实际转炉炼钢过程中，由于氧气射流对钢水流动的影响以及轻、重废钢的混合存在，传热、传质系数和熔化速度随时间的变化相当复杂；在电弧炉炼钢过程中，起弧期、透井期和主熔炼期的供电系统复杂多变，存在电弧辐射传热的形式。在实际铁水包中添加废钢时，铁水流动状态难以定量分析，且存在在线干燥问题。焙烧等工艺，难以在实验室条件下模拟实际转炉、电弧炉、钢包中废钢的熔化情况。因此，大多数研究都简化了工业条件，在实验室中开展相关研究工作。研究方法主要包括数值计算与模拟、热模拟试验和水模拟试验。其中数值计算和模拟因其研究成本较低、试验周期较短、重复性较好、能够模拟真实和理想工况等优点而受到研究者的青睐。物理模型测试是基于类似原理建立物理模型，然后利用易于控制的测试条件来模拟复杂生产过程的研究方法。由于水（20℃）和钢水（1 600℃）的流动状态相似，废钢和冰的物性参数处于同一数量级且比较接近（表1和表2）研究人员通常分别使用水和冰来模拟液态钢。开展废钢相关研究工作。

2.1 废钢熔化数值计算与模拟

根据流体流动的来源，对流换热可分为强制对流换热和自然对流换热。在强制对流换热过程中，流体流动是由外力引起的，努塞尔数（Nu）是雷诺数（Re）和普朗特数（Pr）的函数。自然对流换热时，流体的流动是由温差引起的密度差产生的浮力引起的。努塞尔数 (Nu) 是普朗特数 (Pr) 和格拉舍夫数 (Gr) 的函数。高梅等人。通过建立废钢熔化的数学模型，描述了自然对流下废钢的熔化行为。研究结果表明，当熔池温度较低时，熔池对废钢渗碳的时间较长。同时，传热系数与熔池温度呈正相关。当熔池温度从1 538 K升高到1 693 K时，传热系数从18 000 W/(m2·K)增大到22 000 W/(m2·K)。在实际炼钢生产过程中，废钢熔化是一个强制对流换热过程。针对这种情况，B 等人。提出了预测熔池中金属球熔化时间的数学模型，并根据模型的预测结果，得到了金属球表面对流换热的无量纲关系，如式（5）所示。吴Y等人。通过建立废钢熔化传热模型，研究了废钢熔化过程。结果表明，对流换热对废钢熔化过程有显着影响。材料内部的温度分布是径向和轴向的函数。此外，熔体温度场的演变与对流传热密切相关。

对于废钢在转炉熔池中的熔化行为，相关研究表明，废钢的尺寸对熔化时间有重要影响。预热重废钢并不能显着缩短其熔化时间。然而，使用轻质和重质废钢的混合物比仅使用重质废钢要好。与情况相比，废钢的熔化速度可以大大提高，熔化时间也可以缩短。针对电弧炉炼钢过程中废钢的熔化问题，N等人。模拟了凝固层的形成过程（图7），建立了有电磁搅拌和无电磁搅拌条件下熔体传热和流动的数学模型。其中，液相分数是液相和固相共存时，液相的体积与液相和固相混合物总体积的比值。结果表明，在电磁搅拌的作用下，熔体温度更加均匀，可以缩短废钢的熔化时间。 - 金属。分析了多孔金属颗粒的熔化速度，建立了电弧炉两相钢渣熔池中金属颗粒熔化的数学模型。结果表明，随着熔池温度升高和材料颗粒尺寸减小，金属颗粒的熔化速度逐渐加快。针对不同的堆积密度和随机堆积条件，该模型可以更直观地显示双钢棒的熔化过程，也可以更准确地预测废钢在电弧炉中的熔化时间。电弧炉炼钢过程中，侧弧和电极辐射对废钢熔化过程产生重要影响。陈Y等人。研究了电弧长度和电极运动对电弧炉炉料熔化效率的影响。结果表明，合理稳定的电弧长度可以提供较高的瞬时热流密度和电流密度，减少电弧耗散，平衡电极消耗率和熔化效率。此外，电极的动态运动保持了炉料顶面附近的原始电弧性能，有助于提高熔化效率。目前，关于钢包内废钢熔化行为的研究相对较少。邓S等。研究了废钢在多功能铁水包中的熔化过程。结果表明，随着废钢比表面积的增大，废钢熔化速度加快，对于容量为300 t的钢包，轻、中、重型废钢的最大添加量分别为18、11.3和6.6吨。

2.2 废钢熔化热模拟试验

在废钢熔化过程中，废钢的温度从中心到表面逐渐升高。废料尺寸越大，中心与表面温差越大，越难熔化；当熔池没有足够的过热度来提供所需的熔化热量时，熔化过程将被延迟甚至终止。为了探究熔池或废钢的物理性质对废钢熔化行为的影响，Kim Y等人。采用热模拟实验研究了铁碳熔体中搅拌条件对纯铁和铁碳合金熔化速度的影响。测试结果表明，样品不旋转时，碳的传质过程受自然对流控制；样品旋转时，碳的传质过程受强制对流控制。在自然对流条件下，静止的钢棒在熔化过程中会变成圆锥体。无量纲关系如式(6)所示。然而，在强制对流的作用下，旋转的钢棒会变成不规则的螺旋形状。

废钢熔化率预测是转炉和电弧炉工艺建模的重要组成部分。许多研究通过热模拟试验测量了废钢的熔化速度，如图9至图12所示，其中R为废钢的特征长度。随着熔池温度和熔池含碳量的升高，以及废钢特征长度的减小，熔化后期废钢的熔化速度逐渐增大，但废钢预热温度对熔化速度影响不大熔化后期的废钢。同时，预测熔体与废钢之间的传热系数和碳传质系数可以为转炉和电弧炉的工艺建模提供理论依据。不同测试条件下计算的传热系数和传质系数也不同。这是因为熔池温度、熔池碳含量、废钢比表面积、熔池搅拌等因素都会影响熔池到废钢的传热传质过程。在一定范围内，随着熔池温度和含碳量的升高，废钢比表面积增大，熔池搅拌强度增大，熔池与钢之间的传热传质过程增强。废钢强化，熔体与废钢中碳的传热系数和传质系数相应增加。其中，Isobe K等人在5吨试验转炉中进行废钢熔化试验后。估算出传热系数为23 000~46 000 W/(m2·K)，传质系数为0.8×10-4~1.95× 10-4 m/s，并得到传热传质的无因次关系式成立，见式（7）。金属。通过热模拟实验研究了圆柱形钢棒在高碳熔体中的熔化行为。根据试验结果估算熔池与钢棒之间的传热系数为27 700~77 200 W/(m2·K)，碳的传质系数为0.83×10-4~ 2.08×10-4 m/s。并建立了传热传质的无量纲关系表达式，见式（8）和式（9）。杨文元等.在250公斤感应炉中进行热模拟测试。不同条件下的样品如图13所示。测试结果表明，碳的对流传质系数在1 300 ℃时为6.3×10-5 m/s，在1 400 ℃时为6.4×10-5 m/s； 1 400 ℃时对流换热系数为32 931 W/(m2·K)，1 600 ℃时对流换热系数为32 884 W/(m2·K)。魏格等人。还计算了废钢与熔体之间的对流换热系数和碳的传质系数，分别为19 000~25 000 W/(m2·K)和0.8×10-4~1.0×10-4。多发性硬化症。

大多数研究在计算传热系数和传质系数时，都认为它们的值在给定的测试条件下是恒定的。然而，A 和 Penz F 等人的研究结果。表明传热系数和传质系数不是恒定的，如图所示。如图14和图15所示。废钢熔化是一个非稳态的传热传质过程，系统的传递特性随时间而变化。因此，传热系数和传质系数应该是时间的函数。

对于废钢在熔池中熔化行为的热模拟实验研究，在考虑废钢数量时，大多数研究仅探讨了单根钢棒在熔池中的熔化行为，而Li J等人的研究XI X涉及多根钢筋。棒的熔化。多根钢棒之间的间距通过改变废钢周围“钢冰山”的形成程度来影响废钢的熔化速度（图16）。钢棒间距（孔隙率）的增加有利于废钢的熔化。当孔隙率达到0.84以上时，多根钢棒的熔化时间与单根钢棒的熔化时间基本相同。大多数研究还假设熔池和废钢都是Fe-C二元合金，只考虑碳在废钢熔化过程中的作用，而LIU C等人。研究了废硅钢硅含量对熔化行为的影响。试验结果表明，随着废钢中硅含量的增加，废钢的熔化速度降低。今后有必要进一步研究废钢或熔池中主要合金元素对废钢熔化行为的影响，以进一步揭示废钢的熔化机理。

2.3废钢熔水模拟试验

目前，水模拟试验主要用于研究废钢尺寸、形状、吹气搅拌等因素对废钢熔化时间和熔池混合时间的影响，可以清晰直观地“再现”废钢的运动和熔化情况。熔池中的废钢。这对于优化转炉或电弧炉工艺具有一定的指导意义。

程国光等.用冰块代替废钢进行水模拟试验，研究底吹空气搅拌对废钢熔化行为的影响。研究结果表明，随着搅拌能量的增加，废钢的熔化时间逐渐缩短。 A等人。还使用不同几何形状和尺寸的冰样品在吹制和搅拌的水容器中进行水模拟测试。这项研究测量了不同几何流量下不同几何形状的冰样的尺寸，并在强制对流条件下得出了无量纲的关系，如公式（10）所示。为了进一步了解熔融池中废钢的运动废钢铁的合理损耗，杨·旺尤恩（Yang ）等人。使用类似的原理并选择了不同的注射参数来进行水模拟测试。结果表明，随着搅拌能量的增加，废钢的运动轨迹逐渐变得无序，最后形成了复杂的流量状态，如图17所示。能量损失，并且涡流还将加快材料的混合速度。

3结论和前景

在“双重碳”目标的政策背景下，改变铁和钢冶金的原材料结构并提高了废钢的利用率具有很高的经济和环境利益。当前，废钢在转换器，电弧炉，梯子和其他设备中用作金属材料。废钢的熔化行为是控制转换器炼钢过程中温度轨迹和废料比的关键因素，以及电动弧炉钢制造的能量消耗和生产能力；同时，热金属钢包中废钢的熔化行为也可能影响热金属预处理过程的稳定性。

铁碳熔体中废料的熔化行为可以通过数值计算和模拟，热霉菌测试和水霉测试来揭示。废物融化主要包括诸如固化层的形成，废质体的形成，废质物体。其中，在废料熔化过程中凝固层和废钢之间形成的气隙机理尚不清楚。同时，废物熔化是一种不稳定的热量和传质过程，系统的传输特性随时间变化。需要进一步讨论传热和传质系数的计算。随着熔融池的熔融池温度和碳含量的增加，废料的大小降低，废料的熔点逐渐增加。预热温度对熔化后阶段的废物熔点几乎没有影响。改善吹吹和搅拌的条件可以提高废料的熔点。熔化速度并缩短熔融池的混合时间。目前，大多数研究仅考虑碳在废料熔化过程中的作用以及熔融池中规则形状的熔化行为。随着废品资源的不断增加和废品质量的精致管理，有必要探索合金元素以及不规则形状的影响以及其他因素对废熔熔化行为的影响。

参考：

轻微地

引用这篇文章

Ma Gujun，Liu ，Zhang Xiang，Zheng ，Yao 。在铁碳熔融池中取消熔化行为的研究进展[J]。铁和钢，2022，57（4）：1-11。 Ma Guo-jun，Liu Meng-ke，Zhang Xiang，Zheng ding-li，Yao Wang-long。在铁浴中的钢废料[J]。铁和钢，2022，57（4）：1-11。

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