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        轉(zhuǎn)爐無渣出鋼工藝的物理模擬

        2022-11-03 10:00:22鄒海歷張峻綱林小祥武鴻杰儲(chǔ)成陽常立忠
        關(guān)鍵詞:模型

        鄒海歷,張峻綱,林小祥,武鴻杰,儲(chǔ)成陽,周 俐,常立忠

        (1.歐冶鏈金再生資源有限公司,安徽馬鞍山 243002;2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽馬鞍山 243032)

        隨著時(shí)代的發(fā)展,市場對(duì)鋼材用量的追求已逐漸轉(zhuǎn)向?qū)|(zhì)量的追求。為更好地滿足用戶需求,提高鋼水潔凈度、減少鋼水有害元素及夾雜物含量至關(guān)重要[1-3]。轉(zhuǎn)爐出鋼過程中,隨著鋼液面的降低,易形成漩渦,造成匯流下渣[4-5]。出鋼末期,爐渣堿度與氧化亞鐵含量較高,爐渣會(huì)隨著漩渦進(jìn)入鋼水,嚴(yán)重影響鋼水質(zhì)量,降低鋼水收得率,進(jìn)而增加后續(xù)爐外精煉的負(fù)擔(dān)和成本;爐渣會(huì)加大對(duì)出鋼口的氧化和沖刷,縮短出鋼口的使用壽命,另被氧化的材料進(jìn)入鋼液,也會(huì)降低鋼水質(zhì)量[6-8]。因此,有必要優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼工藝,改善出鋼過程中的下渣狀況。

        Monji等[9]通過制作水模型研究出鋼過程的漩渦現(xiàn)象,結(jié)果表明,水溫通過黏度影響渦核長度,渦核長度隨水溫的平均變化率約8.5%;王建強(qiáng)等[10]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)流體模擬軟件Fluent 6.3分析出鋼過程流場,結(jié)果表明,流體流線分布紊亂是導(dǎo)致渦流產(chǎn)生的一個(gè)重要原因,出鋼中后期流線分布復(fù)雜紊亂,渦流卷渣不可避免;趙永志等[11]、Davila 等[12]通過流體體積(volume of fluid,VOF)模型研究漩渦的產(chǎn)生機(jī)理,結(jié)果表明,漩渦的產(chǎn)生、分布和旋轉(zhuǎn)具有一定的規(guī)律性,旋轉(zhuǎn)速度能直接影響漩渦狀態(tài),鋼液高度影響漩渦的卷渣高度;藺瑞等[13]通過Fluent軟件對(duì)60 t鋼包的澆注進(jìn)行數(shù)值模擬,利用氣液兩相模型和湍流模型研究澆注過程,發(fā)現(xiàn)水口大小和位置對(duì)漩渦的產(chǎn)生影響較大,找出不同條件下水口的最佳位置能夠有效控制漩渦的產(chǎn)生。目前,有關(guān)擋渣出鋼和防旋渦方法的研究取得一定進(jìn)展,但擋渣效率和防漩渦的準(zhǔn)確性仍顯不足,需設(shè)計(jì)高效的方法來解決。鑒于此,以某鋼廠120 t轉(zhuǎn)爐的出鋼情況為基礎(chǔ),采用物理模擬的方法分析不同直徑出鋼口及出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)下出鋼口內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài),以期提高擋渣效率和防漩渦的準(zhǔn)確性。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)原理

        水模擬的理論基礎(chǔ)為相似理論,根據(jù)相似三定律,模擬時(shí)要保證轉(zhuǎn)爐模型與原型的韋伯?dāng)?shù)We和弗勞德數(shù)Fr相等[14-15],即(We)1=(We)2,(Fr)1=(Fr)2。其中1表示原型;2表示模型。

        轉(zhuǎn)爐本體尺寸較大、出鋼口直徑較小,若直接運(yùn)用相似理論制作轉(zhuǎn)爐模型,則出鋼口模型尺寸過小,難以觀測出鋼口內(nèi)流體流動(dòng)情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差過大;若放大模型比例,可清楚地觀察流體在出鋼口內(nèi)的流動(dòng)情況,但轉(zhuǎn)爐本體的模型尺寸過大,成本過高。為此,通過相似理論計(jì)算,采取局部相似模擬的方法,針對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼口,保證模型與原型邊界條件相似。綜合考慮現(xiàn)場轉(zhuǎn)爐尺寸、轉(zhuǎn)爐出鋼口直徑及模擬實(shí)驗(yàn)情況,確定局部幾何相似比為1∶2,在轉(zhuǎn)爐爐身截取如圖1所示部位。轉(zhuǎn)爐模型內(nèi)的爐渣密度和渣量與現(xiàn)場一致,爐渣占鋼水質(zhì)量的5%~8%,本實(shí)驗(yàn)取5%。

        圖1 轉(zhuǎn)爐局部圖Fig.1 Partial drawing of converter

        采用8 mm 厚的有機(jī)玻璃制作轉(zhuǎn)爐模型,模型支架采用H 型鋼焊接;采用常溫下的自來水模擬鋼液;采用與轉(zhuǎn)爐爐渣密度相近的植物油模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼的環(huán)境,同時(shí)將聚苯乙烯粒子與石蠟按比例混合為密度與爐渣相同的粒子,用以代替轉(zhuǎn)爐爐渣[16]。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 轉(zhuǎn)爐出鋼模擬實(shí)驗(yàn)

        設(shè)計(jì)直徑為120,140,160 mm 及變徑的出鋼口進(jìn)行轉(zhuǎn)爐出鋼模擬實(shí)驗(yàn),變徑出鋼口為連接轉(zhuǎn)爐部分直徑160 mm、中間直徑140 mm、底部直徑120 mm 的喇叭型。再對(duì)優(yōu)化直徑的出鋼口設(shè)置平板和十字架進(jìn)行出鋼口內(nèi)型優(yōu)化實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5 次,取5 次實(shí)驗(yàn)的平均值為最終結(jié)果,且觀察其卷渣情況。不同形狀的平板和十字架如圖2。

        圖2 出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of tap hole

        1.2.2 下渣量的測定

        文中計(jì)算的下渣量指轉(zhuǎn)爐出鋼開始到出鋼末期形成匯流下渣期間由鋼水帶出的渣量。實(shí)際生產(chǎn)過程中通過測量渣層厚度來估算下渣量,此方法并不能準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)爐出鋼過程的下渣量。實(shí)驗(yàn)過程中通過植物油定性模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼的環(huán)境,出鋼結(jié)束收集從水口流出的粒子并測量其數(shù)量,每組實(shí)驗(yàn)均保持一致,粒子數(shù)量均為1 000 個(gè)。通過計(jì)算粒子數(shù)確定不同條件下的卷渣量,以無卷渣出鋼為最終目標(biāo)。將轉(zhuǎn)爐固定在傾角90°,轉(zhuǎn)爐模型出鋼結(jié)束以漩渦到達(dá)出鋼口為標(biāo)準(zhǔn)。出鋼結(jié)束及時(shí)關(guān)閉閥門,防止下渣。

        1.2.3 出鋼時(shí)間及剩余鋼水量的測定

        實(shí)驗(yàn)過程中,利用攝像機(jī)錄像記錄出鋼時(shí)間。將出鋼時(shí)產(chǎn)生的渦流到達(dá)出鋼口位置記為出鋼終點(diǎn),此時(shí)的鋼液位置即為卷渣高度。出鋼結(jié)束放出模型內(nèi)剩余鋼液,重新在模型中以一定的流速放水,并記錄時(shí)間,待液面到達(dá)卷渣高度的位置時(shí)停止計(jì)時(shí),加入的水量即為剩余鋼水量。剩余鋼水量直接影響每爐鋼水的收得率,減少剩余鋼水量能夠大幅提高鋼水收得率,降低成本。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 出鋼口直徑對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼的影響

        不同出鋼口直徑下的轉(zhuǎn)爐出鋼情況如圖3。由圖3 可看出:出鋼口直徑為120 mm 時(shí),平均出鋼時(shí)間為33.8 s、平均剩余鋼水量為27.61 L、平均卷渣量為22.6 個(gè);整個(gè)出鋼過程中,出鋼前期鋼水高度較高,鋼水流速較大,出鋼量較多;出鋼中期鋼水流速明顯變慢,出鋼量明顯降低;出鋼末期鋼水量較少,鋼水流速變慢,形成渦流造成卷渣,出鋼口流出的水口中含大量植物油及聚苯乙烯粒子,水流呈黃褐色。渦流到達(dá)出鋼口時(shí)關(guān)閉閥門,此時(shí)渦流形成的渣部分隨鋼水流出,部分卷渣在管徑內(nèi)回流到模型內(nèi)。出鋼結(jié)束后,轉(zhuǎn)爐模型內(nèi)剩余少量鋼水及大部分爐渣,同時(shí)爐模型內(nèi)壁沾有少量植物油。

        圖3 不同直徑出鋼口下的出鋼結(jié)果Fig.3 Tapping results under tap holes with different diameters

        出鋼口直徑為140 mm 時(shí),平均出鋼時(shí)間為29.6 s,較直徑120 mm時(shí)減少4.2 s;平均剩余鋼水量為26.40 L,轉(zhuǎn)直徑120 mm 時(shí)出鋼量略微增加;平均卷渣量為15.4 個(gè),較直徑120 mm 的有所降低,出鋼口效果較120 mm 的好。出鋼末期鋼水量較少,鋼水流速變慢,形成渦流造成卷渣;出鋼結(jié)束,鋼水高度較直徑120 mm 的下降1 cm 左右,出鋼口流出的鋼水中含大量植物油及聚苯乙烯粒子。

        出鋼口直徑為160 mm 時(shí),平均出鋼時(shí)間為17.4 s,較直徑120,140 mm 的出鋼時(shí)間分別快16.4,12.2 s,出鋼口直徑增大對(duì)出鋼時(shí)間的提升效果明顯;平均剩余鋼水量為37.82 L,平均卷渣量為30.2個(gè),出鋼量有所減少、卷渣量增大。在出鋼口開始出鋼到出鋼結(jié)束的過程中鋼水流速大,出鋼量較多,渦流較大,且形成渦流的時(shí)間提前;出鋼末期剩余鋼水的高度較大,形成的渦流造成卷渣,出渣量增大。

        采用喇叭型的變徑出鋼口時(shí),平均出鋼時(shí)間為28.2 s、平均剩余鋼水量為28.95 L、平均卷渣量為6.2 個(gè),喇叭型出鋼口可較好地控制卷渣。出鋼末期鋼水量較少,鋼水流速變慢,由于出鋼口底部管徑較小,便于控制,在爐渣流出之前關(guān)閉滑板擋渣。此時(shí)渦流形成的渣只有小部分隨鋼水流出,大部分卷渣在管徑內(nèi)回流到模型內(nèi)。出鋼結(jié)束,轉(zhuǎn)爐模型內(nèi)剩余少部分鋼水和大量爐渣。

        綜上分析可看出:喇叭型出鋼口效果最佳,卷渣量較其他3種直通形出鋼口分別減少73%,60%,79%;出鋼時(shí)間比直徑120,140 mm 分別減少17%和5%,比直徑160 mm 增加60%;但直徑160 mm 出鋼口的剩余鋼水量最大,為37.82 L,鋼水收得率低,綜合出鋼效果不如變徑出鋼口。因此,轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)宜采用喇叭型出鋼口,此種出鋼口操作簡單、維護(hù)方便、鋼水收得率高;卷渣量較小、擋渣成功率高,利于提高鋼水潔凈度。

        2.2 內(nèi)型結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼的影響

        變徑出鋼口搭配不同內(nèi)型結(jié)構(gòu)下的轉(zhuǎn)爐出鋼情況如圖4。由圖4 可看出:相較于其他3 種情況,1 號(hào)平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時(shí)間最小,為28.0 s;平均剩余鋼水量最大,為36.68 L;平均卷渣量為2.8個(gè),卷渣效果較變徑不加平板條件下降低54%左右。

        圖4 不同內(nèi)型結(jié)構(gòu)下的出鋼結(jié)果Fig.4 Tapping results under different internal structures

        出鋼末期,平板結(jié)構(gòu)可使渦流到達(dá)出鋼口時(shí)被破壞,改變鋼水流動(dòng)趨勢,降低出鋼速率。2 號(hào)平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時(shí)間為31.4 s、平均剩余鋼水量為30.20 L、平均卷渣量為4.4 個(gè),與1 號(hào)平板相比,除剩余鋼水量外,其他2 項(xiàng)數(shù)據(jù)有所提高。這是因?yàn)? 號(hào)平板是在1 號(hào)平板的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的,將出鋼口內(nèi)部平板延伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部,可更好地破壞出鋼口上方出現(xiàn)的渦流,減少卷渣,致使出鋼末期渦流在未到達(dá)出鋼口時(shí)被破壞。3 號(hào)十字平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時(shí)間為29.8 s,平均剩余鋼水量為27.32 L,平均卷渣量為2.2個(gè)、較1號(hào)平板降低65%。這是因?yàn)槭旨苄螤畹某鲣摽跈M截面積較小,增加了轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)間;由于內(nèi)型結(jié)構(gòu)的改變,出鋼末期渦流流動(dòng)狀態(tài)也發(fā)生改變。4 號(hào)十字平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時(shí)間為31.0 s,平均剩余鋼水量最小(為25.27 L),平均卷渣量最小(為1.2個(gè))。與2號(hào)平板相似,4號(hào)十字平板是在3號(hào)十字平板下的出鋼口內(nèi)型延伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部,內(nèi)型結(jié)構(gòu)的改變對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼過程有較大影響,出鋼末期渦流幾乎消失,對(duì)提高鋼水潔凈度、增大鋼水收得率有很大作用。

        綜上分析可看出:在變徑出鋼口條件下,改變出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)可改善轉(zhuǎn)爐卷渣情況;變徑出鋼口搭配十字平板內(nèi)型結(jié)構(gòu)下的出鋼時(shí)間總體上高于變徑出鋼口搭配平板結(jié)構(gòu),但剩余鋼水量、卷渣量均低于變徑出鋼搭配平板結(jié)構(gòu);變徑出鋼口搭配十字平板伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部的4號(hào)平板綜合效果最好,出鋼時(shí)間為31.0 s、卷渣量為1.2個(gè)、剩余鋼水量為25.27 L。

        3 結(jié)論

        對(duì)某鋼廠120 t 轉(zhuǎn)爐進(jìn)行出鋼口優(yōu)化模擬實(shí)驗(yàn),分析出鋼口直徑及內(nèi)型結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼過程的影響,得到以下主要結(jié)論:

        1)僅改變出鋼口直徑的條件下,變徑出鋼口的轉(zhuǎn)爐出鋼過程效果最佳,出鋼時(shí)間為28.2 s、剩余鋼水量為28.95 L、卷渣量為6.2個(gè)、擋渣成功率為99.4%。

        2)在變徑出鋼口條件下,改變出鋼口內(nèi)型,卷渣情況均有所改善。變徑出鋼口搭配十字平板伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部的4號(hào)平板卷渣改善情況最佳,卷渣量為1.2個(gè)、擋渣成功率達(dá)99.9%,同時(shí)剩余鋼水量最少(為25.27 L),出鋼時(shí)間較其他差別不大。

        3)采用變徑出鋼口同時(shí)搭配十字型出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)可減少轉(zhuǎn)爐出鋼過程卷渣,有利于減少鋼水回磷,提高合金收得率;有利于減少鋼中夾雜物,提高鋼水潔凈度及減少鋼包粘渣,延長鋼包使用壽命。

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