王書(shū)曉,陳學(xué)剛,溫 治

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金和有色冶金領(lǐng)域。側(cè)吹熔池熔煉是通過(guò)安裝在爐體側(cè)墻上的噴嘴向爐內(nèi)熔池噴入空氣、氧氣、還原劑或燃料,側(cè)吹氣體射流迅速攪動(dòng)熔池進(jìn)而加速熔池內(nèi)傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。

冶金爐冶煉過(guò)程是伴隨復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的高溫多相反應(yīng)體系,直接開(kāi)展試驗(yàn)很困難且成本高昂,眾多學(xué)者采用水模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法開(kāi)展研究。冶金工業(yè)大量研究文獻(xiàn)[1-3]充分驗(yàn)證了水力模型試驗(yàn)研究的可靠性。魏季和等[4]在120 t AOD 爐水模型裝置上研究了側(cè)頂復(fù)吹過(guò)程中熔池內(nèi)的混合效果,發(fā)現(xiàn)側(cè)吹主槍氣量對(duì)熔池內(nèi)的混合效果有決定性作用;劉燕庭等[5]利用不同湍流模型開(kāi)展模擬研究,發(fā)現(xiàn)Realizablek-ε模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果與水模型試驗(yàn)結(jié)果最為接近;李小龍等[6]通過(guò)水模型實(shí)驗(yàn)方法模擬研究了側(cè)吹煉銅過(guò)程中的乳化現(xiàn)象,銅锍和渣的分離由重力和擴(kuò)散傳質(zhì)引起;成慰等[7]利用高速攝像機(jī)和MATLAB 圖像處理法研究了氣體流量、液體黏度、噴管直徑等對(duì)氣泡脫離頻率的影響規(guī)律及側(cè)吹氣流流動(dòng)特性。

總體而言,目前側(cè)吹氣流穿透距離方面可指導(dǎo)側(cè)吹爐設(shè)計(jì)的研究偏少,而側(cè)吹氣流穿透距離和攪動(dòng)情況,是側(cè)吹爐體和噴槍設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵指標(biāo),影響側(cè)吹爐寬度設(shè)計(jì)和噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。側(cè)吹熔池熔煉過(guò)程中,熔池溫度很高,且很難直接觀察到冶煉過(guò)程中側(cè)吹氣流穿透行為,直接進(jìn)行原型實(shí)驗(yàn)還存在經(jīng)濟(jì)成本高、實(shí)施困難、安全風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)。本文分別以某試驗(yàn)側(cè)吹爐和某冶煉企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)采用的側(cè)吹爐為原型,通過(guò)水力模型實(shí)驗(yàn)方法研究噴槍浸入熔池距離、噴槍高度、液面高度、噴槍孔徑和氣體流量等因素對(duì)側(cè)吹氣流穿透距離的影響規(guī)律,以及不同氣體流量爐內(nèi)熔池?cái)噭?dòng)情況。研究結(jié)果可以為側(cè)吹爐設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 水力模型實(shí)驗(yàn)

1.1 相似原理

在研究對(duì)象上直接進(jìn)行試驗(yàn)會(huì)受到研究對(duì)象尺度、試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試手段等限制,從經(jīng)濟(jì)性和可行性方面考慮,常采用模型實(shí)驗(yàn)的方法。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及如何把模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際中去的理論依據(jù)是相似原理。為保證模型中的流動(dòng)與原型中的流動(dòng)保持相似,必需遵從相似原理,即需要滿足幾何相似、動(dòng)力相似和運(yùn)動(dòng)相似等相似條件。

本文選用修正的弗勞德準(zhǔn)數(shù)為相似準(zhǔn)數(shù),其表達(dá)式見(jiàn)式(2)。

式中:vg為氣流速度,m/s;g為重力加速度,m/s2;d0為氧槍直徑,m;ρg為氣體密度,kg/m3;ρl為液體密度,kg/m3。

在建立水力模型時(shí),根據(jù)動(dòng)力學(xué)相似原理,模型中修正的弗勞德準(zhǔn)數(shù)必須與原型相等,見(jiàn)式(2)。

式中:下標(biāo)m表示模型參數(shù);下標(biāo)p表示原型參數(shù);其他字符含義同上。

1.2 模型參數(shù)

本文以某試驗(yàn)爐為原型建立比例為1∶2的圓形側(cè)吹爐水模型,研究了單槍噴吹情況下側(cè)吹氣流穿透距離的影響因素和影響規(guī)律;以某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)側(cè)吹爐為原型建立比例為1∶10 的矩形側(cè)吹爐水模型,驗(yàn)證了水模型研究結(jié)論,并研究了多槍噴吹情況下氣流穿透和熔池內(nèi)攪動(dòng)情況。側(cè)吹爐原型與水模型如圖2所示。原型與模型結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)和操作參數(shù)如表1 和表2所示。

表2 原型及模型物性參數(shù)和操作參數(shù)表

圖1 側(cè)吹爐原型與水模型

表1 原型與模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,空壓機(jī)提供壓縮空氣模擬實(shí)際噴吹氣體,儲(chǔ)氣罐穩(wěn)定氣體流量和壓力;實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前將水注入水模型至一定液面高度來(lái)模擬熔池內(nèi)一定液面高度的高溫熔體;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用高速攝像機(jī)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),隨后利用圖形工作站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 噴槍出口速度對(duì)穿透距離的影響

側(cè)吹氣流由噴槍射入爐內(nèi)熔池后,高壓高速氣體動(dòng)能提供的沖擊力使氣體射流向前穿透一段距離后才開(kāi)始受浮力作用明顯上浮,這段距離定義為側(cè)吹氣流的穿透距離。氣流穿透距離由氣流出口速度決定,改變氣體流量和噴槍孔徑,均會(huì)改變噴槍出口氣流速度,進(jìn)而影響氣體射流穿透距離。流量相同時(shí),噴槍孔徑越小,出口氣流速度越大,氣流穿透距離變大;噴槍孔徑相同時(shí),流量加大,噴槍出口氣流速度也增大,側(cè)吹氣流穿透距離變大。

圖3 為不同噴槍出口速度下得到的側(cè)吹氣流穿透距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3 表明,側(cè)吹氣流穿透距離主要與噴槍出口速度有關(guān),噴槍出口速度越大,側(cè)吹氣流穿透距離越大。氣流穿透距離與噴槍出口速度的關(guān)系表達(dá)為式(3)。

圖3 不同噴槍出口速度下的側(cè)吹氣流穿透距離

式中:L為氣流穿透距離,mm;V為噴槍出口速度,m/s。

3.2 熔池液面和噴槍高度對(duì)穿透距離的影響

側(cè)吹爐設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中,部分生產(chǎn)技術(shù)人員認(rèn)為由于熔池靜壓,噴槍高度和熔池液面深度會(huì)對(duì)側(cè)吹氣流穿透距離產(chǎn)生影響。針對(duì)此疑問(wèn),本文利用單槍圓形側(cè)吹爐水模型,研究了熔池液面高度和噴槍高度(即爐底至噴槍孔距離)對(duì)側(cè)吹氣流穿透距離的影響。在保持其他參數(shù)不變的條件下,分別改變?nèi)鄢匾好娓叨群蛧姌尭叨?不同流量下氣流的穿透距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4 和圖5。

圖4 不同液面高度情況下的側(cè)吹氣流穿透距離

圖5 不同噴槍高度情況下的側(cè)吹氣流穿透距離

由圖4 和圖5 可知,不同熔池液面高度和噴槍高度情況下,側(cè)吹氣流穿透距離均隨氣體流量的增加而變大;但是側(cè)吹氣流穿透距離并未明顯受到液面高度和噴槍高度變化的影響;相同氣體流量情況下,不同液面高度和噴槍高度時(shí)的側(cè)吹氣流穿透距離基本相同,相差3%以內(nèi)。

可見(jiàn),熔池液面高度和噴槍高度對(duì)側(cè)吹氣流穿透距離并無(wú)明顯影響,側(cè)吹氣流穿透距離主要受氣體流量(實(shí)踐中為“流速”)的影響。

3.3 噴槍浸入深度對(duì)穿透距離的影響

實(shí)際生產(chǎn)中,側(cè)吹噴槍一般會(huì)浸入熔池里一段距離,爐墻內(nèi)壁面至噴槍出口的這段距離被稱為噴槍浸入深度。浸入深度的主要作用是盡可能減輕高溫火焰和高速氣流對(duì)爐墻的沖刷侵蝕。利用單槍圓形水模型,保持噴槍孔徑、噴槍高度和熔池液面高度不變,考察了不同噴槍浸入深度下,不同流量側(cè)吹氣流的穿透距離,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同噴槍浸入距離情況下的側(cè)吹氣流穿透距離

圖6 表明,噴槍浸入深度相同時(shí),側(cè)吹氣流穿透距離隨氣體流量的增加而變長(zhǎng);流量相同時(shí),隨著噴槍浸入深度變長(zhǎng),側(cè)吹氣流穿透距離也變長(zhǎng),但側(cè)吹氣流穿透距離變化幅度遠(yuǎn)小于噴槍浸入深度的變化幅度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明側(cè)吹噴槍浸入深度會(huì)影響側(cè)吹氣流穿透距離,但影響較小。

3.4 側(cè)吹氣流穿透行為與熔池?cái)噭?dòng)

圖7 和圖8 分別為矩形側(cè)吹爐采用雙槍對(duì)噴和14 支噴槍噴吹時(shí),不同單槍氣體流量情況下,側(cè)吹氣流穿透行為和爐內(nèi)熔池?cái)噭?dòng)圖。單槍流量分別為0.71 Nm3/h、1.07 Nm3/h、1.42 Nm3/h,對(duì)應(yīng)14 支噴槍總流量分別為10 Nm3/h、15 Nm3/h 和20 Nm3/h。

圖8 14 支噴槍,不同氣體流量情況下側(cè)吹爐內(nèi)氣流穿透及攪動(dòng)情況

圖7 表明,雙槍對(duì)噴,單槍流量為0.71 Nm3/h時(shí),側(cè)吹氣流穿透距離較小,熔池中心處存在攪拌死區(qū),不利于熔池內(nèi)冶煉反應(yīng)的充分進(jìn)行;雙槍對(duì)噴,單槍流量為1.07 Nm3/h 和1.42 Nm3/h 時(shí),兩股側(cè)吹氣流彎曲段能夠匯聚合攏,匯合攪動(dòng)使得噴槍位置切面處熔體攪動(dòng)較為充分,有利于熔池內(nèi)反應(yīng)的充分進(jìn)行。

圖7 雙槍對(duì)噴,不同氣體流量情況下側(cè)吹爐內(nèi)氣流穿透及攪動(dòng)情況

圖8 表明,14 支噴槍噴吹,單槍流量為0.71 Nm3/h 時(shí),側(cè)吹氣流對(duì)熔池的攪動(dòng)較不充分,存在較多攪拌死區(qū),不利于熔池內(nèi)冶煉反應(yīng)的充分進(jìn)行;14支噴槍噴吹,單槍流量為1.07 Nm3/h 和1.42 Nm3/h時(shí),側(cè)吹氣流能夠?qū)姌屢陨先垠w進(jìn)行充分?jǐn)噭?dòng),但總流量為20 Nm3/h(單槍流量1.42 Nm3/h)時(shí),氣泡密集區(qū)較多,導(dǎo)致側(cè)吹爐內(nèi)乳化現(xiàn)象嚴(yán)重,控制不當(dāng)可能會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的泡沫渣。

圖9 為矩形側(cè)吹爐原型虹吸出鉛口,以及由虹吸口前方觀察側(cè)吹爐水模型14 支噴槍噴吹時(shí)的氣流穿透及攪動(dòng)局部圖。圖8 和圖9 表明,側(cè)吹氣流對(duì)噴槍以下區(qū)域的攪動(dòng)較弱,側(cè)吹爐內(nèi)噴槍以下熔池處于宏觀安靜區(qū),這有利于渣金分離。需要指出的是,宏觀安靜區(qū)并非完全靜止?fàn)顟B(tài),通過(guò)PIV 粒子圖像測(cè)試可知,噴槍以下熔體也存在較小的流動(dòng)速度。

圖9 側(cè)吹爐內(nèi)氣流穿透及攪動(dòng)局部圖

3.5 模擬結(jié)果對(duì)實(shí)踐設(shè)計(jì)的指導(dǎo)

根據(jù)水模型模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,針對(duì)圓形側(cè)吹爐和矩形側(cè)吹爐的設(shè)計(jì)可提出如下建議。

1)側(cè)吹氣流穿透距離與熔池液面高度、噴槍高度等因素?zé)o關(guān),噴槍浸入深度的影響作用不大,因此設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮這些因素對(duì)氣流穿透和氣流攪動(dòng)的影響,主要考慮工藝條件。

2)圓形側(cè)吹爐水模型,單槍出口截面積約80 mm2、單槍氣量約160 Nm3/h 情況下,側(cè)吹氣流穿透距離約540 mm;此外,根據(jù)筆者的研究[8],圓形側(cè)吹爐噴槍數(shù)量建議設(shè)置為3 支,可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐體的充分?jǐn)噭?dòng)。

3)矩形側(cè)吹爐原型條件為單槍流量355 Nm3/h,氣流穿透距離約1 200 mm 情況下,模擬結(jié)果表明可對(duì)熔池進(jìn)行充分?jǐn)噭?dòng),有利于爐內(nèi)反應(yīng)充分進(jìn)行;但局部由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制,未均勻設(shè)置側(cè)吹噴槍,由圖9 可知,導(dǎo)致側(cè)吹爐側(cè)吹氣流對(duì)局部區(qū)域的熔池?cái)噭?dòng)非常不充分,因此側(cè)吹爐噴槍布置應(yīng)盡量均衡布置,避免出現(xiàn)大量攪動(dòng)不充分區(qū)域。

4 結(jié)論

側(cè)吹氣流穿透距離和攪動(dòng)情況是側(cè)吹爐體和噴槍設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo),影響側(cè)吹爐寬度設(shè)計(jì)和噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文采用水力模型實(shí)驗(yàn)對(duì)噴槍浸入深度、噴槍高度、熔池液面高度、噴槍孔徑和氣體流量等因素對(duì)側(cè)吹氣流穿透距離和熔池?cái)噭?dòng)情況的影響進(jìn)行了研究,得到如下結(jié)論。

1)側(cè)吹氣流穿透距離與熔池液面高度和噴槍高度的變化無(wú)關(guān),側(cè)吹噴槍浸入深度影響氣流穿透距離,但影響作用較小,氣流穿透距離變化幅度遠(yuǎn)小于噴槍浸入距離的變化幅度。

2)側(cè)吹氣流穿透距離主要與氣流出口速度有關(guān),因此噴槍孔徑和氣體流量變化對(duì)側(cè)吹氣流穿透距離的影響較大,穿透距離隨氣體流量增加而變長(zhǎng),隨噴槍孔徑減小而變長(zhǎng)。

3)氣體流量還會(huì)影響爐內(nèi)熔池流動(dòng)和熔池?cái)噭?dòng)情況,進(jìn)而影響熔池內(nèi)冶煉反應(yīng)的充分進(jìn)行。流量較小時(shí),氣流穿透距離較小,熔池中心存在攪拌死區(qū),側(cè)吹氣流熔池?cái)噭?dòng)不充分,不利于熔池內(nèi)反應(yīng)的充分進(jìn)行;流量較大時(shí),側(cè)吹氣流能夠?qū)θ鄢剡M(jìn)行充分?jǐn)噭?dòng),但流量太大超過(guò)合理值時(shí)會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)乳化現(xiàn)象嚴(yán)重。

水模型實(shí)驗(yàn)獲得的定性和半定量結(jié)果可以為側(cè)吹爐設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)建議,滿足工藝條件前提下,通過(guò)合理的爐型、噴槍結(jié)構(gòu)及排布設(shè)計(jì)和氣體流量選擇,有利于側(cè)吹爐內(nèi)形成充分的流動(dòng)場(chǎng)和攪拌動(dòng)力場(chǎng)。