章 杰，朱 榮，李偉峰，唐逸興

(1.北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083；2.北京科技大學 高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室，北京 100083)

目前，轉爐主要是通過頂吹氧氣，底吹氬氣或氮氣進行冶煉。隨著市場對低磷鋼和超低磷鋼的需求日益增大，傳統頂底復吹轉爐已經難以經濟高效地生產此類鋼種[1-2]。而底吹O2-CaO轉爐顯著改善了轉爐的脫磷條件，可以穩(wěn)定地冶煉低磷鋼[3-4]。水模擬對于研究轉爐熔池的傳輸動力學條件具有重要意義[5-6]。由于CaO顆粒是由大流量底吹氣體作為載氣送入轉爐的金屬熔池內，因此，對于大流量底吹轉爐的物理模擬將為底吹O2-CaO轉爐研究提供重要理論基礎。

1 水模擬實驗

1.1 實驗原理

本實驗利用水模擬鋼液，利用空氣模擬氧氣進行冷態(tài)實驗。根據相似原理，不僅要保證模型和原型幾何相似，而且要保證模型和原型的動力相似[7-8]。

λ=lm/lp

(1)

式中：lm和lp代表模型和原型的幾何尺寸。

動力相似就要求模型和原型修正的Froude準數(Fr′)相等，即

(Fr′)m=(Fr′)p

(2)

(3)

由式(3)計算可得模型和原型氣體流速的對應關系，即

(4)

再進一步確定模型和原型氣體流量的對應關系，即

(5)

式中：ρlm、ρlp分別為模型和原型的液體密度，kg/m3；ρgm、ρgp分別為模型和原型的氣體密度，kg/m3；dm、dp分別為模型和原型氧槍及底槍直徑，mm；g為重力加速度，m/s2；vm、vp分別是模型和原型的氣體流速，m/s；Qm、Qp分別為模型和原型的氣體流量，m3/h(標準)。

本實驗選取的相似比λ為1∶5，計算得到模型和原型的主要相關參數如表1所示。

表1模型和原型的主要參數

1.2 實驗裝置

本實驗的實驗裝置主要包括有機玻璃轉爐模型、空氣壓縮機、儲氣罐、壓力表、轉子流量計、氧槍、底吹原件、電極、電導率儀以及DJ800采集卡。水模擬實驗裝置如圖1所示，4種底吹位置如圖2所示。

圖1 水模擬實驗裝置示意圖

圖2 底吹位置示意圖

1.3 實驗方法

利用水模擬實驗，通過混勻時間的快慢來判斷熔池攪拌的強弱。實驗前將兩根電極分別安裝在轉爐模型底部的不同位置，按照設計好的實驗方案調整底吹位置、槍位、頂吹流量和底吹流量，氣體吹入熔池1 min后，熔池運動狀態(tài)基本穩(wěn)定，然后開始實驗。用飽和KCl溶液作為示蹤劑，每爐100 mL，在固定位置迅速加入轉爐熔池并開始采集電導率數據，持續(xù)采集90 s。每種實驗方案重復做三次，混勻時間取這三次實驗結果的平均值。

2 實驗結果分析

本實驗采用正交法，利用統計分析軟件SPSS設計16組正交實驗方案，熔池混勻時間如表2所示。

表2 混勻時間記錄表

續(xù)表

進行多因素方差分析時，必須保證數據整體上具有正態(tài)分布特征。因此，需要在SPSS軟件中對16組正交實驗結果進行K-S檢驗(Kolmogorov-Smirnov Test)，檢驗結果P=0.134>0.05，實驗結果符合正態(tài)分布，可以進行多因素方差分析。

表3為方差分析表。表3中的顯著性水平P的大小代表因素對混勻時間的影響強弱。P值越小，對混勻時間的影響越大。當P<0.01時，說明因素對混勻時間有極其顯著的影響；當P<0.05時，說明因素對混勻時間有顯著性影響；當P>0.05時，說明因素對混勻時間無顯著性影響。

表3 方差分析表

P<0.05，說明吹位置對混勻時間有顯著性影響。槍位、底吹流量、頂吹流量的P值均大于0.05，對混勻時間沒有顯著性影響。各因素對混勻時間的影響程度由大到小為：底吹位置>頂吹槍位>底吹流量>頂吹流量。

表4為單因素描述統計表，由表4中的平均值數據可以得到如圖3所示的混勻時間變化趨勢圖。由圖3可知，底吹位置為D2(0.4R)時熔池的攪拌效果最佳并且其攪拌效果比其他布置方式有較明顯優(yōu)勢，其中底吹位置為D4(0.6R)時，熔池攪拌效果最差。

表4 單因素描述統計表

圖3 混勻時間變化趨勢圖

頂吹槍位為C2(400 mm)時，混勻時間最短。當頂吹槍位為C3(460 mm)時，頂吹氣體與鋼液面距離增大，到達液面時能量損失大，沖擊深度變淺，對熔池的攪拌效果減弱。當頂吹槍位為C1(340 mm)時，頂吹氣體和底吹氣體動能部分相互抵消，使熔池攪拌減弱。

底吹流量為B2(15.7 m3/h(標準))時，混勻效果最好。隨著底吹流量增加，混勻時間先縮短后延長。當底吹流量增加，底吹氣體所帶入的動能越多，但是流量過大時會有部分動能被氣體帶離鋼液面，減弱攪拌。

頂吹流量為A2(164 m3/h(標準))時，熔池攪拌效果最好。隨著頂吹流量增大，混勻時間有所縮短，但是繼續(xù)增大流量，會使頂吹氣體和底吹氣體的部分動能抵消，造成混勻時間延長的結果。因此，隨著頂吹流量的增大，混勻時間先縮短后延長。

3 結 論

(1)底吹位置對轉爐熔池的混勻時間具體顯著性影響，各個因素對混勻時間的影響程度由大到小為：底吹位置>頂吹槍位>底吹流量>頂吹流量。

(2)正交實驗結果所確定的最佳實驗方案為D2C2B2A2(對應的原型參數為底吹位置0.4R，頂吹槍位2 000 mm，底吹流量2 200 m3/h(標準)，頂吹流量23 000 m3/h(標準))。此時，熔池的混勻時間最短,熔池攪拌效果最好。