南鋼精煉鋼包吹氬工藝水模實(shí)驗(yàn)研究

胡道峰，陳 敏

(南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

南鋼精煉鋼包吹氬工藝水模實(shí)驗(yàn)研究

胡道峰1，陳 敏2

(南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

以南鋼 (南京鋼鐵股份有限公司)30 t精煉鋼包為原型，在相似原理的基礎(chǔ)上，通過水模型實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼包不同吹氬位置的合理性進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:采用單孔底吹時(shí)，最佳位置在距鋼包底部中心0.55 R處.同時(shí)通過頂渣實(shí)驗(yàn)和喂絲點(diǎn)位置優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定了合適的吹氬量和合適的喂絲點(diǎn)位置，研究結(jié)果為優(yōu)化吹氬工藝提供了依據(jù).

LF精煉;底吹氬;水力學(xué)模型;均混時(shí)間

LF精煉是一種集吹氬攪拌、埋弧加熱、還原氣氛及白渣精煉為一體的爐外精煉方法.其中，鋼包底部吹氬攪拌的均混效果直接影響整個(gè)LF的精煉效果［1～3］.

鋼包吹氬是一種操作簡單、精煉效果好的爐外精煉技術(shù)，在煉鋼生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用.它既可以單獨(dú)使用，也可以與其他精煉手段結(jié)合，完成鋼液的合金化、混勻，促進(jìn)夾雜物上浮等，提高鋼液質(zhì)量［4～6］.

南鋼(南京鋼鐵股份有限公司)30 t LF的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.為改善精煉效果，本文以南鋼30 t LF為原型，采用物理模擬的方法對(duì)單孔和雙孔位置進(jìn)行優(yōu)化研究，并進(jìn)行了卷渣以及最佳喂絲點(diǎn)位置的實(shí)驗(yàn)，從而為改善南鋼吹氬工藝提供理論依據(jù).

表1 LF的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technology parameters of LF

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 幾何相似

用有機(jī)玻璃模型模擬鋼包的尺寸，幾何相似是模型和原型的主要尺寸的對(duì)應(yīng)成比例，本試驗(yàn)采用模型和原型比為0.74.

1.2 物理相似

以物理相似原理來模擬鋼液和渣液等介質(zhì)，用水來模擬鋼液，用菜油模擬渣液，用壓縮空氣模擬氬氣.

用塑料粒子(密度為1.1 g·cm－3，粒徑﹤2 mm)的加入來觀察鋼包內(nèi)鋼液的流動(dòng)情況和合金運(yùn)動(dòng)情況以及有無死區(qū)的存在.

1.3 動(dòng)力相似

對(duì)鋼包吹氬來說，引起體系內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力主要是氣泡浮力而不是湍流的黏性力［8～10］，因此保證模型與原型的決定性準(zhǔn)數(shù)——修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等，就可保證動(dòng)力相似，即

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

具體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1.在鋼包底部不同位置安裝電導(dǎo)電極，在鋼包上部正中央位置加入示蹤劑(飽和食鹽水)，分別測定示蹤劑到達(dá)各個(gè)測點(diǎn)的時(shí)間，據(jù)此評(píng)價(jià)鋼包內(nèi)部的混勻效果.

圖1 水模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of LF water model experiment device

2.2 原型和模型參數(shù)的對(duì)比

表2和表3分別給出了原型與模型的主要物理參數(shù)以及氣體流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

表2 原型與模型鋼包幾何參數(shù)Table 2 Geometrical parameters of model and prototype

表3 原型與模型鋼包底吹氣量對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 Relationship of bottom gas flow rate between model and prototype

3 結(jié)果與討論

3.1 底吹布置方式對(duì)均混效果的影響

(1)單孔底吹

鋼包偏心單吹時(shí)理想的透氣磚位置是距離鋼包中心0.5 R～0.575 R(R為鋼包包底半徑)處［7］，將這個(gè)區(qū)間分為 4 個(gè)點(diǎn)(0.5 R、0.525 R 、0.55 R、0.575 R)，通過測定每個(gè)點(diǎn)刺激響應(yīng)時(shí)間來得到混勻時(shí)間如圖2所示.

從圖2可以看出，單孔底吹條件下，0.55 R時(shí)均混時(shí)間最短，可認(rèn)為是最佳方案.當(dāng)供氣量從130 L/h增加到780 L/h時(shí)，混勻時(shí)間急劇下降，此后繼續(xù)增大吹氣量時(shí)，混勻時(shí)間幾乎沒有什么變化.因此，在單孔底吹條件下，最佳供氣量為780 L/h.

(2)雙孔底吹

在單孔實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定雙孔方案，分別取(0.5 R，94(°))、(0.525 R，112(°))、(0.55 R，60(°))、(0.575 R，90(°))、(0.575 R，112(°))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測得混勻時(shí)間如圖3所示.

圖4 單、雙孔混勻時(shí)間的比較Fig.4 Comparison of mixing time between the single and double tuyers

從圖中可以看出，雙孔底吹條件下，吹氣量小于520 L/h 時(shí)，(0.525 R，112(°))混勻時(shí)間最短;吹氣量大于520 L/h時(shí)，(0.55 R，60(°))混勻時(shí)間最短.考慮到雙孔吹氣主要是用于合金化，所以吹氣量一般應(yīng)在520 L/h以上，所以確定雙孔最佳方案為(0.55 R，60(°)).

(3)單、雙孔方案比較

圖4是單吹(0.55 R)和雙吹(0.55 R，60(°))在不同吹氣量下的混勻時(shí)間比較.從圖中可以明顯看出，單吹0.55 R和雙吹(0.55 R，60(°))的混勻時(shí)間基本相同，單孔混勻時(shí)間有時(shí)甚至短于雙孔混勻時(shí)間.因此可以認(rèn)為，在實(shí)際生產(chǎn)條件下采取單孔供氣即可滿足生產(chǎn)需要.

3.2 卷渣實(shí)驗(yàn)

在以上的最佳吹氣孔位置情況下，向鋼包內(nèi)加入菜子油對(duì)卷混情況進(jìn)行模擬，從而找出臨界卷混供氣量.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單吹0.55 R情況下，卷渣的臨界氣量為650 L/h.弱攪拌情況下，吹氣量應(yīng)在130～520 L/h之間選擇;脫氧合金化階段吹氣量應(yīng)在780～1 040 L/h之間進(jìn)行選擇.

雙吹(0.55 R，60(°))情況下，卷渣臨界氣量為390 L/h.弱攪拌情況下，吹氣量應(yīng)在130～260 L/h之間選擇;脫氧合金化階段吹氣量應(yīng)在390～780 L/h之間選擇.

3.3 喂絲點(diǎn)優(yōu)化

本試驗(yàn)喂絲點(diǎn)的選取見圖5，以最優(yōu)雙孔連線做垂直平分線，在平分線的左邊每隔30(°)，并且距離中心每200 mm圓周上選取不同的15個(gè)點(diǎn).采用導(dǎo)管將飽和食鹽水加入到液面下600 mm，吹氣量固定在780 L/h的條件下測定混勻時(shí)間.

圖5 喂絲點(diǎn)方案示意圖Fig.5 The experimental plan of the feeds point

圖6是不同喂線點(diǎn)的混勻時(shí)間測定結(jié)果.從圖中可以看出，采用單吹和雙孔底吹時(shí)，7號(hào)點(diǎn)混勻時(shí)間最短，因此可認(rèn)為是最佳喂絲點(diǎn).

圖6 不同喂絲點(diǎn)與混勻時(shí)間關(guān)系圖Fig.6 Relationship between different feeding position and mixing time

4 結(jié)論

通過對(duì)南鋼30 t鋼包吹氬工藝進(jìn)行水模擬實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論:

(1)在單孔底吹氬條件下，當(dāng)?shù)淄笟獯u布置在距鋼包底中心0.55 R處時(shí)，混勻時(shí)間最短，且流場穩(wěn)定.

(2)實(shí)驗(yàn)測得單孔和雙孔的混勻時(shí)間相差不大，因此建議采用單孔供氣方式.

(3)在弱攪拌情況下，吹氣量應(yīng)在130～520 L/h之間，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場方案10～40 L/min;脫氧合金化階段吹氣量應(yīng)在650～1 040 L/h之間，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場方案50～80 L/min.

(4)喂絲點(diǎn)位置應(yīng)選擇在圖6中吹氬孔附近的7號(hào)點(diǎn).

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Study on bottom argon blowing technology of ladle furnace in Nanjing－steel LF by water model experiment

HU Dao-feng1，CHEN Min2

(1.Nanjing Iron and Steel Co.Ltd，Nanjing 210035，China;2.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The bottom argon blowing technology was studied by water model experiment based on the prototype of 30 t ladle furnace in Nanjing Iron＆Steel Company according to similarity principle.The results showed that the optimal location was on 0.55 R while single tuyer was applied.Meanwhile，the proper flow rate of bottom blowing argon and position of feeding wire were also determined.The results provided a theoretic basis for modification of bottom argon blowing technology.

LF refining;bottom argon blowing;water model;mixing time

TF 769.2

A

1671-6620(2011)03-0168-04

2011-05-30.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51074039)

胡道峰(1965—)，男，江蘇沭陽人，高級(jí)工程師，E－mail:df5170@126.com;陳敏 (1969—)，男，河北遷安人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師