劉中秋，李林敏，曹茂雪，李寶寬

(1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽110819；2. 武漢科技大學(xué)耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081)

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鋼包底吹氬均混時(shí)間及臨界流量水模型實(shí)驗(yàn)

劉中秋1,2，李林敏1，曹茂雪1，李寶寬1

(1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽110819；2. 武漢科技大學(xué)耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081)

針對(duì)鋼包底吹氬工藝，通過改變透氣磚數(shù)量、單透氣磚吹氣位置、雙透氣磚夾角、噴吹氣體流量、渣厚等參數(shù)，對(duì)鋼包的均混時(shí)間進(jìn)行了水模型實(shí)驗(yàn)研究.提出臨界流量的概念，發(fā)現(xiàn)吹氣量超過臨界流量后均混時(shí)間明顯減小.結(jié)果表明：單透氣磚噴吹時(shí)，相同吹氣量下偏心噴吹時(shí)的均混時(shí)間比中心噴吹時(shí)短，臨界流量??；雙透氣磚噴吹時(shí)，透氣磚夾角越大，均混時(shí)間越短，臨界流量越小.

鋼包；均混時(shí)間；臨界流量；水模型實(shí)驗(yàn)

爐外精煉是指在特定的包括真空和各種氣氛條件下進(jìn)行脫氧、脫硫、去除雜質(zhì)、調(diào)整成分、夾雜物變性、控制和均勻鋼水溫度等的冶金過程.隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼冶煉中溫度和成分的控制精度要求越來越高，爐外精煉技術(shù)已成為高品質(zhì)鋼生產(chǎn)過程中必不可少的冶金工藝之一.

本文采用水模型實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼包底吹氬工藝過程進(jìn)行研究，提出“臨界流量”的概念.揭示了吹氣位置、透氣磚個(gè)數(shù)和渣厚對(duì)臨界流量的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

進(jìn)行底吹鋼包水模型實(shí)驗(yàn)要保證幾何相似和動(dòng)力相似.本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型(40 t鋼包)的幾何相似比λ取值為 1∶3，建立底吹鋼包的物理模型，原型及模型尺寸見表1.引起底吹鋼包系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)的主要作用力為氣泡的浮力，實(shí)驗(yàn)中通過保證模型與原型的Froude(Fr)數(shù)相等來滿足動(dòng)力學(xué)相似.目前主要有三種保證動(dòng)力相似的氣體流量轉(zhuǎn)換方法.方法1：利用式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是最早出現(xiàn)的研究方法，但是經(jīng)過不斷地研究發(fā)現(xiàn)，該方法的準(zhǔn)確性較低.方法2：利用修正的Frm數(shù)式(2)轉(zhuǎn)換，與方法1相比，這種方法的準(zhǔn)確性有了很大提高，是當(dāng)前普遍采用的方法.方法3[13]：利用無量綱數(shù)G進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它是最新得到的流量轉(zhuǎn)換方法，其來源是對(duì)修正的Frm數(shù)進(jìn)行了再次修正.該方法的最大特點(diǎn)是采用氣泡羽狀區(qū)形成時(shí)的速度作為特征速度，利用這一轉(zhuǎn)換方法得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與前人結(jié)果吻合較好.

(1)

(2)

(3)

式中，U為氣體特征速度；g為重力加速度；L為特征長度；ρg為氣體密度；ρl為液體密度；U0=Q/A0為初始?xì)怏w速度，Q為體積流量，A0為透氣磚進(jìn)氣口面積；H為熔池深度.

本文采用無量綱數(shù)G滿足動(dòng)力相似，模型(m)與原型(p)的氣體流量換算關(guān)系可以由氣相無量綱數(shù)相等得到，即Gm=Gp，整理可得：

(4)

由于實(shí)際煉鋼過程中，氣體進(jìn)入鋼包前存在一定的壓力變化，且進(jìn)入鋼包后由于溫度升高，使得氣體體積迅速增大.由標(biāo)準(zhǔn)狀況到鋼包充氣口的變化過程為升溫升壓的過程，可由下式進(jìn)行描述：

(5)

式中，Tp、T0分別為鋼水溫度和室溫；QAr為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氬氣氣體流量；P0、Pp分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和鋼包充氣口壓力，其中Pp=P0+ρstgh.

最后獲得水模型與原型之間的氣體流量關(guān)系為：

QN2=0.011QAr

(6)

得到水模型流量與原型實(shí)際流量關(guān)系見表2.

采用透明有機(jī)玻璃和鋼結(jié)構(gòu)支架做主體材料，建立鋼包水模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).整個(gè)系統(tǒng)包括鋼包、鋼結(jié)構(gòu)底座、多孔透氣磚、儲(chǔ)氣瓶、電導(dǎo)率儀、計(jì)算機(jī)等.其中鋼結(jié)構(gòu)底座可以實(shí)現(xiàn)單透氣磚偏心距調(diào)節(jié)和雙透氣磚夾角的調(diào)節(jié).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

表1 鋼包結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 水模型流量與原型實(shí)際流量

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 均混時(shí)間實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行的底吹鋼包模型實(shí)驗(yàn)中，對(duì)均混時(shí)間的測(cè)量都是通過測(cè)量溶液電導(dǎo)率或者pH值變化來間接得到均混時(shí)間的數(shù)值.本文采用間接的“刺激—響應(yīng)法”來測(cè)量均混時(shí)間.選取兩個(gè)最難混合的位置進(jìn)行測(cè)量，兩個(gè)電極探頭沿模型底部透氣磚所在直徑放置，深入模型底部，并靠近壁面.其中離透氣磚較近的測(cè)量點(diǎn)稱為近測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1)；反之，稱為遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)2)，如圖2所示.

圖2 均混時(shí)間電極測(cè)點(diǎn)位置

圖3 單透氣磚實(shí)驗(yàn)均混時(shí)間測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中為確保所得均混時(shí)間的準(zhǔn)確性，每次實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行五次測(cè)量，并取平均值.圖3所示為單透氣磚不同位置所得的均混時(shí)間大小.由圖可知，隨著吹氣量的增加，均混時(shí)間呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但中心噴吹時(shí)(0R)流動(dòng)不穩(wěn)定，均混時(shí)間波動(dòng)性較大.對(duì)比不同吹氣位置的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同吹氣量下，偏心噴吹時(shí)(0.67R)的均混時(shí)間更短.對(duì)比遠(yuǎn)、近兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)2的均混時(shí)間要小于近測(cè)點(diǎn)1的結(jié)果.根據(jù)鋼包均混時(shí)間原理，以混勻最慢的點(diǎn)作為鋼包的均混時(shí)間.因此，選取距離透氣磚較近的測(cè)量點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1)所得結(jié)果作為單透氣磚噴吹時(shí)的均混時(shí)間.

圖4 雙透氣磚實(shí)驗(yàn)均混時(shí)間測(cè)量結(jié)果

對(duì)于雙透氣磚鋼包而言，不同透氣磚夾角時(shí)，噴吹氣體在鋼包內(nèi)所形成的流動(dòng)有一定差異，當(dāng)夾角很小時(shí)，兩股氣流相互碰撞可能會(huì)消耗掉部分能量，影響流動(dòng)速度；而夾角增大時(shí)，可以避免或減小氣流的沖撞作用.這表明透氣磚夾角對(duì)均混時(shí)間的影響不可忽略.圖4所示為雙透氣磚不同夾角所得的均混時(shí)間大小.圖中顯示，不論噴吹夾角多大，隨著流量的增大，均混時(shí)間都呈現(xiàn)出減小趨勢(shì).這說明在一定范圍內(nèi)增大氣體流量可以提高鋼包的攪拌效率，減小均混時(shí)間.對(duì)比不同夾角的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，透氣磚夾角為180°時(shí)的均混時(shí)間要短于夾角為60°時(shí)的均混時(shí)間，即均混時(shí)間隨著透氣磚夾角的增大有減小趨勢(shì).雖然雙透氣磚噴吹夾角有所不同，但是平均值的變化趨勢(shì)都顯示出近測(cè)點(diǎn)1要略大于遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)2所得均混時(shí)間.因此，仍將近測(cè)點(diǎn)1所得均混時(shí)間作為雙透氣磚鋼包的均混時(shí)間.

3 臨界流量

在鋼包底吹工藝中，吹氣可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目的.例如：促進(jìn)鋼水溫度及成分均勻，排除鋼包內(nèi)部夾雜物，促進(jìn)脫硫、脫碳、脫磷等反應(yīng)的進(jìn)行等.要達(dá)到這些目的需要采用不同的流量，低流量主要用來均勻溫度及成分、排除夾雜物；高流量主要用來促進(jìn)脫硫和脫碳等反應(yīng)的進(jìn)行.因此，需要找到一個(gè)臨界流量去界定低流量和高流量，從而實(shí)現(xiàn)鋼包的精確控制，提高鋼包效率.

在實(shí)際生產(chǎn)過程中很難通過鋼液的變化去衡量臨界流量，但是鋼包頂部渣層的存在為選取臨界流量提供了條件.低流量時(shí)主要為了均勻溫度及成分、排除夾雜物，則不應(yīng)讓渣眼持續(xù)存在，因?yàn)樵鄣拇嬖跁?huì)消耗很大的能量，且會(huì)引起卷渣.因此，可以通過渣眼的變化去衡量臨界流量.當(dāng)某一吹氣條件下，渣眼處于“時(shí)開時(shí)合”狀態(tài)，即氣體流量不能完全支持渣眼的存在，稱這一吹氣流量為“臨界流量”.高于臨界流量時(shí)，渣眼將持續(xù)存在；低于臨界流量時(shí)，渣眼基本不存在.臨界流量下渣眼的變化形態(tài)如圖5所示.

圖5 臨界流量下渣眼的變化形態(tài)

圖6給出了單透氣磚實(shí)驗(yàn)下吹氣流量對(duì)均混時(shí)間的影響.對(duì)于不同偏心距下的噴吹實(shí)驗(yàn)，臨界流量均在60 L/h附近.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小于臨界流量時(shí)，均混時(shí)間減小趨勢(shì)較平緩；當(dāng)流量超過臨界流量時(shí)，均混時(shí)間先是急劇下降，之后減小趨勢(shì)變得平緩.對(duì)于均混時(shí)間由急劇下降變?yōu)橄鄬?duì)平緩的階段，主要原因?yàn)榱髁枯^小(大于臨界流量)時(shí)，部分能量開始作用于渣眼，但是初始階段這部分能量占總能量的比重較小，所以呈現(xiàn)出一段均混時(shí)間急劇下降的過程，流量繼續(xù)增大時(shí)，維持渣眼形態(tài)所耗費(fèi)的能量占總能量比重增大，攪拌作用減弱，使得均混時(shí)間下降趨勢(shì)變平緩.

圖6 吹氣流量對(duì)均混時(shí)間的影響

圖7 單透氣磚不同位置及渣厚下的臨界流量

圖8 雙透氣磚不同夾角及渣厚下的臨界流量

在單透氣磚噴吹實(shí)驗(yàn)過程中，研究了 0 R、0.5 R及0.67 R三個(gè)不同位置和20、30、40及 50 mm 四個(gè)不同渣厚下的臨界流量.所得不同位置和渣厚的臨界流量結(jié)果見圖7.由圖可知，臨界流量與渣厚成正比，且渣厚越大時(shí)，臨界流量增大幅度越明顯.因?yàn)樵裨龃髸r(shí)，吹動(dòng)渣層所需要的能量就隨之增大.從吹氣位置來看，相同渣厚下中心噴吹時(shí)(0 R)所需臨界流量大于偏心噴吹，且吹氣位置越靠外，臨界流量越小，即臨界流量 0.67 R<0.5 R<0 R .中心噴吹時(shí)，氣體對(duì)渣層的作用面積較大，這就需要更多的能量去攪動(dòng)渣層；而偏心噴吹時(shí)，由于靠近壁面使得氣體對(duì)渣層的作用面積相對(duì)較小，其所需能量較中心噴吹小，使得偏心噴吹時(shí)的臨界流量略小于中心噴吹.

圖8示出了雙透氣磚實(shí)驗(yàn)條件下的臨界流量測(cè)量結(jié)果.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著渣厚的增大，不論透氣磚夾角多大，其臨界流量都呈現(xiàn)增大趨勢(shì).且渣厚由 20 mm 增加到 30 mm 時(shí)，不同夾角的臨界流量整體差距增大；而渣厚繼續(xù)增加時(shí)，這一差距又有一定的減小.在相同渣厚條件下，隨著透氣磚夾角的增大，臨界流量逐漸減小.實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾角較小時(shí)，兩股氣流會(huì)有部分的沖撞，而這一沖撞可能會(huì)導(dǎo)致氣體的能量降低，所以需要更大的流量去吹動(dòng)渣層，使得臨界流量增大；而夾角足夠大時(shí)，兩股氣流無法沖撞，所以臨界流量相對(duì)較小.

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于底吹鋼包均混時(shí)間的測(cè)量，應(yīng)選取距離透氣磚較近的測(cè)量點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1)所得結(jié)果作為底吹鋼包的均混時(shí)間.

(2)不論單透氣磚還是雙透氣磚吹氣，均混時(shí)間都隨著吹氣流量的增大而減小.小于臨界流量時(shí)，均混時(shí)間減小趨勢(shì)較平緩；當(dāng)流量超過臨界流量時(shí)，均混時(shí)間先是急劇下降，之后減小趨勢(shì)變得平緩.

(3)單透氣磚噴吹時(shí)，相同吹氣量下偏心噴吹時(shí)(0.67R)的均混時(shí)間比中心噴吹時(shí)短；且中心噴吹時(shí)流動(dòng)不穩(wěn)定，均混時(shí)間波動(dòng)較大.

(4)雙透氣磚噴吹時(shí)，夾角為180°時(shí)，其均混時(shí)間相對(duì)較短；夾角為60°時(shí)，兩股氣柱相互影響，使得均混時(shí)間較長.

(5)單透氣磚噴吹時(shí)，吹氣位置越靠近壁面，臨界流量越??；雙透氣磚噴吹時(shí)，透氣磚夾角越大，臨界流量越小.

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Water model of mixing time and critical flow rate in a gas-stirred ladle

Liu Zhongqiu1,2, Li Linmin1, Cao Maoxue1, Li Baokuan1

(1. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China;2. The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, 430081, China)

In view of the ladle bottom argon blowing process, the mixing time was studied by changing the number of nozzles, position of single nozzle, angle between double nozzles, gas flow rate and thickness of slag layer in a water model experiment. A concept of critical gas flow was proposed. It was found that the mixing time decreases obviously when the gas flow rate is above the critical one. The result showed that when a single nozzle is used, the mixing time with the gas eccentric injection is shorter than with the gas center injection under the same gas flow rate, and the critical flow rate is smaller. When the double nozzles were used, the mixing time is shorter while the angle between nozzles increases and the critical flow rate is smaller.

ladle; mixing time; critical flow rate; water model experiment

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.004

TF 777

A

1671-6620(2016)03-0176-05