150 t鋼包底吹氬位置的優(yōu)化研究

陳玉輝 李京社 趙和平 孫麗媛 丁小明 宋方方

(1.興澄特種鋼鐵有限公司;2.北京科技大學(xué);3.新疆金特鋼鐵股份有限公司)

150 t鋼包底吹氬位置的優(yōu)化研究

陳玉輝1李京社2趙和平3孫麗媛2丁小明2宋方方2

(1.興澄特種鋼鐵有限公司;2.北京科技大學(xué);3.新疆金特鋼鐵股份有限公司)

根據(jù)相似原理，對(duì)興澄特鋼150 t鋼包建立幾何比例為1∶3的水力學(xué)模型，通過測(cè)定不同底吹條件下鋼包的混勻時(shí)間，確定最佳的底部透氣磚位置及吹氣流量。研究表明:原型雙孔吹氣方案下混勻效果欠佳，較大氣量下氣流股會(huì)對(duì)包襯造成沖刷侵蝕。優(yōu)化后得到最佳方案為:雙孔在1/2 R圓周上，成135°布置，吹氣量控制在550～600 L/min，可獲得最短的混勻時(shí)間為53 s。

吹氬位置 水模擬混勻時(shí)間

0 前言

鋼包底吹氬工藝作為一種經(jīng)濟(jì)有效的爐外精煉方式而廣泛得到應(yīng)用。通過安裝在鋼包底部的透氣磚向鋼液吹入氬氣，產(chǎn)生大量小氣泡，并帶動(dòng)鋼液運(yùn)動(dòng)，從而均勻鋼液溫度和成分，減少鋼中的夾雜［1］。限于現(xiàn)場(chǎng)的高溫，鋼包吹氬很難獲得比較直觀的數(shù)據(jù)，采用水模型冷態(tài)模擬已成為研究鋼包吹氬的一種主要方法。筆者以興澄特鋼150 t精煉鋼包為原型，通過物理水模擬實(shí)驗(yàn)研究不同吹氣方式下鋼包的混勻時(shí)間，提出合理的底吹透氣磚布置方式及適合的吹氣流量，以促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)順利進(jìn)行。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

鋼包底吹氬工藝中鋼包內(nèi)鋼液流動(dòng)主要受氣泡浮力和重力的作用，鋼渣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)主要受界面張力和重力的作用。根據(jù)相似原理，為保證模型與原型相似，應(yīng)確保兩者的修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr'和韋伯準(zhǔn)數(shù)We相等［2－4］。實(shí)驗(yàn)選用1∶3的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以水模擬鋼液，氮?dú)饽M氬氣。

式中:ρg、ρl——?dú)怏w和溶液的密度，kg·m－3;

H——熔池深度，m; d——噴嘴直徑，m;

Q——吹氣流量(下標(biāo)m和p分別表示模型和原型)。

經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計(jì)校正后得到流量計(jì)的指示值QA:

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)從混勻時(shí)間這個(gè)指標(biāo)出發(fā)，通過“刺激響應(yīng)”的技術(shù)來(lái)測(cè)定，即向熔池中加入一定數(shù)量的示蹤劑，同時(shí)監(jiān)測(cè)熔池中某一特性以反映熔池的混合情況。

將一支短電極插人近水面的“活躍區(qū)”，一支長(zhǎng)電極插入底部“滯流區(qū)”。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)供氣量至某一值，然后吹氣3 min，待流場(chǎng)穩(wěn)定后，注入100 mL飽和KCl溶液，通過電導(dǎo)率儀和DJ800數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄電導(dǎo)率變化情況，直至兩測(cè)點(diǎn)的電導(dǎo)率一致為止，利用電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從開始采集數(shù)據(jù)到電導(dǎo)率一致所需時(shí)間即為混勻時(shí)間。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 模擬鋼包吹氬裝置示意圖

原型和模型對(duì)應(yīng)的鋼包主要物理參數(shù)和吹氣流量分別列于表1、表2。

表1 原型與模型鋼包主要尺寸

表2 原型與模型氣體流量

3 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果討論

原型鋼包采用雙孔吹氬方式，兩透氣磚分別位于距鋼包中心0.64 R和0.76 R處，夾角約為90°。本實(shí)驗(yàn)在鋼包底部沿同一半徑方向上選擇4個(gè)不同位置安裝噴嘴，與底部中心距離分別為1/3 R，1/2 R，0.64 R，0.76 R，分別進(jìn)行原型和其它雙孔吹氣方案。通過測(cè)定RTD曲線，得出不同方案下的混勻時(shí)間并進(jìn)行比較，找出最佳底吹位置和相應(yīng)的吹氣量。

3.1 原型實(shí)驗(yàn)

對(duì)0.64 R+0.76 R －90°原型雙孔布置不同吹氣量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)定RTD曲線，得出不同方案下的混勻時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 原型吹氣方案下混勻時(shí)間隨流量的變化

由圖2可以看出，對(duì)原型鋼包吹氣進(jìn)行模擬時(shí)，在吹氮流量小于550 L/min時(shí)隨著流量的增加混勻時(shí)間呈明顯降低趨勢(shì)，在550 L/min時(shí)可得到最小的混勻時(shí)間，為72.4 s。更大吹氣量時(shí)，混勻時(shí)間隨著流量的增加反而呈上升趨勢(shì)，尤其當(dāng)吹氣量提高到最大流量1000 L/min時(shí)混勻時(shí)間急劇上升，達(dá)到96.4 s。這是由于吹氣量小時(shí)，氣泡所作的功主要用于推動(dòng)液體流動(dòng)，形成環(huán)流，增加吹氣量使氣泡攪拌能增加，從而混勻時(shí)間明顯縮短。但當(dāng)吹氣量超過某一臨界值后，相當(dāng)一部分能量消耗于液面隆起和翻滾，隨氣－液界面交換能量而損失，用于液體環(huán)流的能量增加不多，混勻時(shí)間變化不明顯［5］。同時(shí)，大氣量可導(dǎo)致有渣情況下液面裸露面積增大，增加夾雜物數(shù)量，并且由于熔池?cái)噭?dòng)劇烈，不利于夾雜物的上浮。且在吹氣量大于600 L/min時(shí)，觀察到靠近包壁的氣體流股上升到鋼包一定高度時(shí)會(huì)對(duì)鋼包壁面產(chǎn)生沖刷，因此，不建議現(xiàn)場(chǎng)使用過大吹氣量。綜合考慮縮短混勻時(shí)間和節(jié)約氬氣量消耗，原型方案最佳吹氣量選擇550 L/min。相應(yīng)的RTD曲線如圖3所示。

圖3 原型最佳吹氣流量下的RTD曲線

3.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

對(duì)于優(yōu)化的雙孔方案，本實(shí)驗(yàn)按雙孔的相對(duì)位置不同，設(shè)計(jì)雙孔吹氣方案:雙孔位于同一圓周上按不同夾角(45°、90°、135°及 180°)進(jìn)行組合。由預(yù)備實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)0.75 R方案因吹氣位置過于靠近包壁，對(duì)包襯產(chǎn)生沖刷影響較大，因此雙孔優(yōu)化時(shí)不再對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。

為避免對(duì)電極造成影響，僅對(duì)1/3 R處的兩孔成135°進(jìn)行布置。圖4為同一圓周上不同布置方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在1/3 R同半徑雙孔成135°夾角布置時(shí)，軟吹氣量范圍內(nèi)，鋼包混勻時(shí)間隨吹氣量的提高明顯降低。當(dāng)模型吹氣量提高到0.44 m3/h(原型500 L/min)時(shí)，混勻時(shí)間達(dá)到最小值，為58.55 s。吹氣量繼續(xù)升高時(shí)，混勻時(shí)間反而上升。這是由于兩吹氣流股的中心靠近鋼包中心點(diǎn)且間距過小，在大于某個(gè)吹氣量時(shí)相互干擾大，使得鋼包液面加入的示蹤劑在包內(nèi)傳遞不平穩(wěn)。

圖4 1/3 R雙孔成135°夾角布置時(shí)不同吹氮流量下的混勻時(shí)間

當(dāng)雙孔位于1/2 R成不同夾角布置時(shí)，混勻時(shí)間隨吹氣流量的變化規(guī)律基本一致，在軟吹氣量下，混勻時(shí)間隨吹氣流量的提高而降低，得到最小混勻時(shí)間，之后出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨吹氣量的進(jìn)一步增大而升高，繼而又降低(如圖5所示)。

圖5 1/2 R雙孔不同夾角布置時(shí)不同吹氮流量下的混勻時(shí)間

從平均值曲線可以看出，最小混勻時(shí)間出現(xiàn)在吹氣量約為550 L/min時(shí)。不同夾角布置方案下得到的最佳吹氣量不同。整體來(lái)看，最佳方案應(yīng)為雙孔135°夾角布置，最佳吹氣量在600 L/min時(shí)，得到最小混勻時(shí)間為53 s。盡管在該方案下較大氣量時(shí)混勻時(shí)間有所增長(zhǎng)，但考慮對(duì)于去夾雜和加熱化渣的較小氣量下要求混勻時(shí)間短，因此選擇該方案較好。圖6為該吹氣方案對(duì)應(yīng)的RTD曲線。

圖6 1/2 R雙孔成135°夾角布置時(shí)，吹氣量在600 L·min－1時(shí)的 RTD 曲線

對(duì)于雙孔0.64 R的方案，最小混勻時(shí)間對(duì)應(yīng)的吹氣量均為最大吹氣量(如圖7所示)，這對(duì)于前期的去夾雜及加熱化渣意義不大。在此吹氣孔布置下，同樣是在夾角135°時(shí)得到最小混勻時(shí)間49 s，軟吹氣量下得到較小混勻時(shí)間時(shí)對(duì)應(yīng)的吹氣量也在550 L/min。盡管雙孔90°夾角布置時(shí)，在550 L/min吹氣量下得到了本組小氣量的最小混勻時(shí)間，但其它吹氣量下混勻時(shí)間整體均偏高，因此，本組選擇最佳方案為 0.64 R+0.64 R －135°，550 L/min 吹氣量下得到最小混勻時(shí)間為58 s。

圖7 0.64 R雙孔不同夾角布置時(shí)不同吹氣流量下的混勻時(shí)間

總體看來(lái)，同樣夾角下雙孔為0.5 R布置時(shí)的混勻時(shí)間比0.64 R布置時(shí)要小，因此對(duì)于同圓周布置的吹氣位置，選擇0.5 R較好。

4 結(jié)論

1)對(duì)于原型方案 0.64 R+0.76 R － 90°，在吹氣流量范圍為450～550 L/min時(shí)得到最小混勻時(shí)間約為72 s;吹氣量大于600 L/min時(shí)靠近包壁的氣流股會(huì)對(duì)包襯產(chǎn)生沖刷。

2)不同夾角布置方案下得到的最佳吹氣量不同;在某一吹氣量范圍內(nèi)，混勻時(shí)間是隨著吹氣量的增加而減小的，超過此吹氣量，混勻時(shí)間不降反而增加。

3)最小混勻時(shí)間的雙孔同心吹氣方案為:雙孔在1/2 R圓周上，成135°布置。吹氣量為600 L/min時(shí)，鋼包吹氬模型內(nèi)的混勻時(shí)間達(dá)到53 s，較原型最小混勻時(shí)間降低了19.4 s，降幅26.8%。

4)當(dāng)雙孔成135°及180°夾角布置時(shí)，兩透氣塞距離較遠(yuǎn)，兩螺旋上升的氣液兩相流相互干擾小，攪拌能損失小，利于整個(gè)鋼包的混勻。

［1］ 陳建斌.爐外處理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:115.

［2］ 朱苗勇，蕭澤強(qiáng).鋼的精煉過程數(shù)學(xué)物理模擬［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1998:124.

［3］ Gupta D，Lahiri A K.，A water modelstudy of the flow asymmetry inside a continuous casting mold［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，1996，27B:757.

［4］ PAN Wei，Koyama S.Cold Model Experiment on Entrapment of Inclusions in Steel by Inert Gas Bubble［J］.Tetsuto － Hagane，1992，78(8):1361.

［5］ 張華，倪紅衛(wèi)，成日金，等.150 t鋼包底吹氬工藝優(yōu)化［J］.煉鋼，2009，25(5):8 －11.

OPTIMIZATION OF BOTTOM ARGON BLOWING POSITION IN 150 t LADLE

Chen Yuhui1Li Jingshe2Zhao Heping3Sun Liyuan2Ding Xiaoming2Song fangfang2

(1.Xingcheng Special Steel Co.，Ltd:2.University of Science and Technology Beijing:3.Xinjiang Jinte Steel Co.，Ltd)

According to the similitude principle，1:3 water mechanical model has been established for 150 t ladle in Xingcheng Steel.The best bottom nozzle position and the gas flow rate are defined by measuring the mixing time under different bottom blowing conditions.The results show that the original program with two nozzles blowing is not good enough because of washing erosion to the ladle lining from too much blowing gas.The optimum program after optimizing is that the 53 s shortest mixing time can be obtained when best argon blowing position is at 0.5 R with the angle of 135°and the critical flow rate is 550～600 L/min.

argon blowing position water modeling mixing time

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:2011—9—9