冒建忠，趙占山，岳 強，周小賓

（1.馬鋼股份有限公司，安徽馬鞍山，243003；2.日照鋼鐵控股集團有限公司，山東日照，276806；3.安徽工業(yè)大學，安徽馬鞍山，243032）

引言

轉爐是煉鋼過程的主要設備之一，保持轉爐煉鋼冶煉穩(wěn)定，減少成分波動，為后續(xù)工藝減少調(diào)整壓力，達到提質(zhì)降耗的目標，就要求煉鋼工作者對爐內(nèi)流動和均混狀況有所了解。然而轉爐煉鋼過程中，熔池內(nèi)的高溫化學反應十分復雜［1-2］，直接測量難度大，物理模擬便成為了研究熔池內(nèi)部反應的重要方法之一。

國內(nèi)外很多學者利用該方法對轉爐的底吹、頂吹進行模擬從而深入研究轉爐冶煉狀況。馮強［3］、官計生［4］、Terrazas［5］等人以生產(chǎn)實際為原型，按照不同比例構建冷態(tài)水模進行研究。結果表明，隨著底吹氣體流量的增大，熔池內(nèi)混勻時間存在先減小后增大的規(guī)律。賀道中［6］、董進強［7］等對頂?shù)讖痛缔D爐中氧槍槍位、流量以及底吹供氣元件布置等工藝參數(shù)對混勻時間的影響進行了研究，實驗發(fā)現(xiàn)，在底吹氣流量為零時，采取低槍位、大流量能夠增強攪拌，混勻時間縮短 30% 以上。Maia［8］、Luomala［9］等采用物理模型方法研究轉爐噴濺影響機理，并對氧槍噴頭、槍位高度等條件變化對熔池內(nèi)的射流穿透能力的影響進行模擬研究。結果表明，氧槍射流與底吹供氣相互作用導致熔池內(nèi)分布不均引發(fā)噴濺，射流對熔池的穿透力能夠客觀的表達出射流與熔池之間的動量傳遞。同時發(fā)現(xiàn)，底吹噴嘴的位置對噴濺有很大的影響，在較低的噴槍間隙處，噴濺的方向隨熔池振蕩而發(fā)生改變。李勇［10］、周泉林［11］等利用水模實驗對混勻時間與底槍噴嘴的數(shù)量、布置方式、供氣強度等因素之間的關系進行研究。結果表明，當?shù)讟層? 支逐漸增加到12 支，混勻時間有所降低；隨著底吹供氣強度的增大，混勻時間縮短。當?shù)讟寚娮炀嚯x爐底中心越遠，混勻所需時間先減少后增加。楊文遠［12］、劉勇［13］等通過建立轉爐水模實驗對不同供氣條件下的熔池運動情況進行研究，并模擬了轉爐冶煉初期加入廢鋼后轉爐的變化。結果表明，當供氧強度增加時，噴濺率明顯上升。氧槍采用交錯布置噴頭以及加大爐容比可以有效降低噴濺發(fā)生。而無論是否加入廢鋼，底吹氣量的增加有利于熔池混勻；當入爐廢鋼均勻分布時，隨氣流量的增大，混勻時間縮短。陳伯瑜［14］、鐘良才［15］等通過建立物理模型對頂?shù)讉却档臄嚢枘芰突靹蜻M行了研究，發(fā)現(xiàn)頂?shù)讉却悼梢蕴岣呷鄢氐臄嚢枘芰?，通過在轉爐熔池面以下的爐體側壁以一定角度安裝側吹槍，能夠有效降低混勻時間。

本研究以250 t 轉爐為研究對象，按照1：12 的比例進行水模實驗，通過物理模型和數(shù)學模型對在不同供氣條件下的熔池流場速度和均混時間進行研究分析，進而為現(xiàn)場生產(chǎn)操作提供工藝參考。

1 模型建立

1.1 幾何條件

模型與原型的幾何相似是進行物理實驗的前提，結合實驗室的空間條件，本研究模型與原型的幾何相似比1：12，即

式中：L——幾何尺寸，下標m代表模型，p代表原型。

250 t轉爐內(nèi)腔和氧槍原型尺寸如圖1所示。

圖1 轉爐內(nèi)型與氧槍原型尺寸

轉爐原型的氧槍槍位、熔池深度分別為1 800 mm、1 681 mm，按相似比計算，模型對應值為150 mm、140.08 mm。

1.2 動力學條件

為使模型內(nèi)流動與實物內(nèi)流動相似，首先要滿足相似第二定理，即（1）模型與原型的流動由相同的方程組表述；（2）模型與原型的相似準數(shù)相等；（3）單值條件相似。實際上，完全滿足相似第二定理是困難的，有時是不可能的。為了進行模型研究，必須采用近似模型研究的方法。該近似建模方法，是在考慮模型研究時，分析相似條件中的主要和決定因素，次要和非決定因素。

水模型研究轉爐內(nèi)熔池流動時，熔體的重力、粘性力和慣性力都在流動行為中起作用，與3 個作用力相關的相似準數(shù)有雷諾數(shù)、佛魯?shù)聹蕯?shù)（或修正的佛魯?shù)聹蕯?shù)），即：Rem= Rep，F(xiàn)r′m= Fr′p，當模擬系統(tǒng)中的雷諾準數(shù)進入第二自?；瘏^(qū)的臨界值103-104時，系統(tǒng)處于自?；癄顟B(tài)。對于冶金流體，當：Re ＞5 000 時，將考慮自?；癄顟B(tài)，此狀態(tài)時模型與原型的流動狀態(tài)和速度分布相似，與Re無關。本研究的流動處于第二自?；瘏^(qū)，因此動力學相似只需要保證修正的佛魯?shù)聹蕯?shù)Fr′。

1.3 實驗參數(shù)

1.3.1 模型氣體流量

由動力相似 Fr′m= Fr′p，可得：

式中：um、up——模型與原型的氣體流速，m/s；

ρgm、ρgp——模型與原型氣體的密度，kg/m3；

ρlm、ρlp——模型與原型液體的密度，kg/m3；

Lm、Lp——模型與原型的特征尺寸，m；

g——重力加速度，m/s2。

又有：

式中：n——噴孔數(shù)目；

Qm、Qp——模型與原型的供氣量。

整理得到：

各介質(zhì)密度取值如表1 所示，本實驗模擬轉爐的現(xiàn)場氧槍氧氣流量為51 000 m3/h，根據(jù)式（6）計算出的模型頂吹氣體流量為17.0 m3/h。

表1 原型與模型的介質(zhì)密度

對轉爐原型底吹0.03、0.05、0.08、0.1 m3/（min·t）的實際供氣強度進行對比實驗，根據(jù)式（6）計算出的底吹氣體流量如表2所示。

表2 原型與模型底吹氣體流量

1.3.2 底吹元件分布

本研究根據(jù)250 t轉爐實際底吹狀況進行優(yōu)化，該轉爐共有12個底吹元件，底吹供氣元件的原型孔徑為4.8 mm，按相似比計算，模型孔徑對應值為0.4 mm。在生產(chǎn)冶煉過程中，考慮成本、底吹效果等綜合條件采取選擇性堵口操作，本研究為了明晰底吹元件個數(shù)及分布對熔池的影響，在保持底吹總氣量不變的情況下，本文將分別采取底吹均勻、非均勻分布兩種堵口方式開展研究，具體方案如下：

（1）均勻對稱底吹分布

均勻對稱底吹分布如圖2所示。

圖2 底吹元件分布位置

（2）非均勻底吹分布

非均勻底吹分布有對分分布（6 孔）、非對稱分布（3孔）兩種方式，如圖3所示。

圖3 非均勻對稱底吹分布布置方案

1.4 實驗裝置

本文按相似比1：12 采用10 mm 透明有機玻璃制作轉爐模型，有機玻璃外包銅管制作拉瓦爾噴頭氧槍，底部供氣元件采用直徑1.0 mm 的孔模擬底部透氣磚。主要的實驗裝置包括：有機玻璃轉爐模型、底吹供氣元件、空氣壓縮機、流量計、壓力表、儲氣罐、筆記本微機、數(shù)據(jù)采集電極三支、數(shù)據(jù)采集終端、電導率儀器等，如圖4所示。

圖4 實驗裝置圖

1.5 實驗方法

混合效果是影響轉爐冶煉速度的重要因素，采用混勻時間表征?；靹驎r間普遍采用“刺激-響應”的實驗技術來測定，即將定量的示蹤劑添加到轉爐模型中，通過檢測設備測定出的曲線達到平衡的時間長短，確定轉爐模型混合時間。

本實驗采用自來水模擬鋼液，為了精確研究底吹氣量和底吹元件對轉爐熔池均混時間的影響，轉爐頂槍槍位高1.8 m，頂槍流量51 000 m3/h在實驗過程中保持不變，將示蹤劑（150 mL的NaCl溶液）通過固定在轉爐模型壁上的玻璃管加入液面下方，同時用電導率儀和函數(shù)記錄儀記錄其電導率隨時間的變化的曲線，直至曲線出現(xiàn)平衡并延續(xù)三十秒左右后停止。上述測定內(nèi)容重復3 次，采用平均值確定一組數(shù)據(jù)。根據(jù)預實驗測定結果，實驗條件調(diào)整后穩(wěn)定2 min，加入示蹤劑。

稱取原料20 g，加入10倍水研磨，后按3.1.1的最佳結果按2%投料量將重組胰蛋白酶投入，按3.1.2的方法恒溫45 ℃(3.1.2的最佳結果),反應時間為3 h(3.1.3的最佳結果),將pH調(diào)節(jié)到6.0，7.0，8.0的條件下進行酶解，結果見表4。

2 實驗結果

2.1 底吹氣流量對轉爐熔池混勻的影響

底吹供氣流量對轉爐熔池流動的影響如圖5所示。圖5 中紅色方框為不同底吹氣量時的攪拌范圍，從圖5 可以看出，底吹氣體流量為40 L/min 時，熔池中心氣體攪拌范圍較底吹氣體流量為15 L/min時的范圍大，液面波動劇烈，這是因為氣量大，攪拌能必然大，對熔池內(nèi)液體流動影響大。

圖5 底吹氣量對熔池流動的影響

底吹供氣流量對轉爐熔池混勻時間的影響如圖6 所示。供氣流量15 L/min 時，熔池混勻時間為42 s，供氣流量增至 25、40 和 50 L/min 時，熔池混勻時間分別為26.22 s，23.11 s，19.22 s，降低 37.57%，44.98%和54.24%。隨供氣流量增加，熔池混勻時間降低。當流量小時，氣體對熔池的攪拌能小，氣量增大，攪拌能逐漸增大，因此底吹氣量從15 L/min增大到25 L/min，均混時間顯著縮小；當流量進一步增大，底吹流股間逐漸產(chǎn)生干擾，所以底吹氣量從25 L/min 增大到40 L/min，混勻時間縮短的趨勢減緩；流量超過40 L/min后，氣體動能增大帶動熔池攪拌作用較流股間干擾攪拌作用強，所以混勻時間縮短的趨勢反而又有所增加。

圖6 底吹氣量對熔池混勻時間的影響

2.2 均勻對稱底吹對轉爐熔池混勻影響

均勻對稱的底吹元件分布詳見圖2，不同位置的底吹槍的數(shù)量對熔池的混勻時間的影響如圖7所示。

可以看出：使用12 孔底吹、6 孔底吹和3 孔底吹方案時，隨著供氣強度的增大，轉爐熔池混勻時間逐漸減少。以12 孔底吹為例，底吹氣量從15 L/min增加至 50 L/min 時，混勻時間分別為 42 s，26.22 s，23.11 s 和 19.22 s，，與 15 L/min 的混勻時間相比，減少37.57%、44.98%和54.24%?？梢?，隨著底吹氣量增加，混勻時間雖然逐漸減小，但氣體流量對降低熔池混勻時間的貢獻下降，混勻時間下降量并不跟氣量增加值成正比。

另一方面，總氣量不變，底槍數(shù)量變化對熔池混勻時間也有影響。從圖7 中可以看出，隨著底吹槍的減少，雖然總氣量不變，但熔池的混勻時間上升。供氣強度為50 L/min 時，12 孔底吹方案熔池的混勻時間為19.22 s，在保持供氣量不改變的前提下，減少底吹槍支數(shù)到6 和3 支槍，熔池混勻時間分別為26.61 s，29.38 s，增加38.45%和52.91%，說明底吹氣體在熔池中相對分散布置，有利于熔池混勻時間的降低。

圖7 均勻分布方式不同對熔池混勻時間的影響

從以上分析可以看出，單支底吹元件氣體流量增加，底吹氣泡密集的狀況下，氣泡在熔池中形成的氣液兩相區(qū)中，氣泡量越密集，單個氣泡與熔池相互作用力下降，反之其浮力對熔池做功也下降，對熔池動力貢獻力降低，因此熔池混勻時間上升。

2.3 非均勻底吹分布對轉爐熔池影響

上節(jié)分析了底吹元件均勻底吹分布對轉爐熔池的影響，但是在實際生產(chǎn)過程中，有可能造成底吹孔堵塞的情況，從而形成非均勻底吹分布。因此，本節(jié)研究底吹元件非均勻分布對轉爐熔池均混時間的影響主要從兩種布置分析，分別為對分分布（6孔）、非對稱分布（3孔）。

2.3.1 對分分布（6孔）

圖8 對分分布6孔布置方案A和B下的熔池混勻時間

在對分6 孔（A）下，隨著底吹氣體流量的增加，混勻時間基本呈減小趨勢。底吹流量為15 L/min時，混勻時間為46.56 s，隨著底吹流量增加至25、40及50 L/min 時，熔池中的混勻時間為43.06 s、31.72 s和33.6 s，下降7.52%、31.87%及28.05%。

在對分6孔（B）下，熔池中的混勻時間同樣隨著底吹流量的增加呈現(xiàn)先減小后增加。底吹流量為15 L/min 時，熔池中的混勻時間為28.15 s，底吹流量為25 L/min 時，混勻時間為25.2 s 下降10.48%，當?shù)状盗髁吭黾又?0 和50 L/min 時，熔池中的混勻時間為 33.7 s、44 s，相較于底吹流量為 15 L/min 時上升19.72%及56.31%，過量的底吹氣量可能增加熔池中的混勻時間。底吹元件數(shù)量一樣時，其位置分布是影響熔池混勻的關鍵性因素。

2.3.2 非對稱分布（3孔）

3 孔非對稱底吹布置方案如圖3（b）所示，A、B兩種分布對轉爐熔池均混時間的影響如圖9所示。

圖9 非對稱分布3孔布置方案A和B下熔池混勻時間

在傾非對稱分布3 孔方案A 情況下，熔池混勻時間隨著底吹流量的增加而減小。底吹流量為15 L/min 時，混勻時間為40.78 s，隨著底吹流量增加至25、40 及 50 L/min 時 ，熔 池 中 的 混 勻 時 間 下 降15.84%、39.38%及51.10%。

在非對稱分布3 孔方案B 情況下，熔池中混勻時間隨著底吹流量增加而減小。底吹流量為15 L/min 時，熔池中的混勻時間為25.89 s，隨著底吹流量增加至25、40 及50 L/min 時，熔池中的混勻時間下降34.67%、43.02%及48.03%。

綜上發(fā)現(xiàn)，隨著底吹分布集中在一側，相比較分散在圓周周圍時，熔池中的混勻效率明顯上升，并且隨著熔池底吹氣量的增加，底吹分布集中在一側時，熔池中的混勻時間下降趨勢緩慢。

針對現(xiàn)場底吹分布位置的控制，集中分布明顯優(yōu)于分散分布?？赡苡捎诘状禋饬考性谵D爐的一側，能夠更好的形成轉爐內(nèi)整體的氣液兩相區(qū)，更有利于轉爐熔池中的混勻過程。但是保持底吹總流量不變的情況下，在實現(xiàn)相同混勻效率的同時，需要考慮底吹元件附近鋼液速度過大引起的剪切應力，避免底吹元件附件受腐蝕嚴重，進而導致底吹元件壽命縮短。

3 結論

本文從物理模擬的角度研究了底吹氣體流量、底吹元件堵塞后不同分布方式對熔池均混時間的影響，主要規(guī)律如下：

（1）底吹元件均勻分布時，熔池混勻時間隨底吹氣體流量增加而降低；

（2）底吹元件非均勻分布時，對稱6 孔A（3-3 對稱）、B（2-2-2 對稱），底吹氣體流量15、25 L/min 時，A 分布均混時間較B 分布均混時間短，氣量40、50 L/min時，規(guī)律相反；

（3）非對稱分布（3 孔）時，隨底吹氣體流量增加，熔池混勻時間降低。

（4）為使底吹氣體在熔池內(nèi)分布均勻，應盡量保障圓周各方位都有底吹元件。