65t鋼包底吹工藝參數(shù)對(duì)混勻效果的影響

郭磊，楊趙軍，李俊國(guó)，曾亞南

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

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65t鋼包底吹工藝參數(shù)對(duì)混勻效果的影響

郭磊，楊趙軍，李俊國(guó)，曾亞南

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

底吹；模擬；流場(chǎng)

本模擬試驗(yàn)主要探討了底吹孔中心夾角、中心距和底吹流量對(duì)鋼液混勻時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，當(dāng)?shù)状抵行木酁?.5R時(shí)熔池混勻時(shí)間最短，當(dāng)?shù)状抵行木酁?.7R混勻時(shí)間最長(zhǎng)，0.642 5R混勻時(shí)間居中。從混勻能力來(lái)看，當(dāng)兩噴孔為180°布置、中心距為0.6R時(shí)混勻時(shí)間最短。

0 引言

爐外精煉技術(shù)是鋼鐵企業(yè)核心技術(shù)，爐外精煉設(shè)備主要有LF爐，VOD爐、CAS爐和RH 爐等[1]。而鋼包底吹工藝參數(shù)是影響爐外精煉的主要因素之一。在探索鋼包底吹工藝時(shí)，需要的參考指標(biāo)主要有混勻時(shí)間、鋼水凈化率和鋼包的綜合利用率[2]。在鋼包底部布置透氣磚時(shí)，會(huì)形成一個(gè)以氣孔為中心對(duì)稱的倒錐形態(tài)流場(chǎng)，流場(chǎng)將合金元素傳遞給四周的鋼液，從而達(dá)到混勻的目的[3]。

黃宗澤等[4]采用水模擬研究方法探索了寶鋼 300t 鋼包底吹工藝布置認(rèn)為雙孔底吹工藝比單孔底吹有利于鋼液的混合。通過(guò)物理模擬使用正交試驗(yàn)法改變底吹孔間距、底吹夾角、吹氣流量等方法，將數(shù)學(xué)模擬與物理模擬的結(jié)果對(duì)比印證，得到最優(yōu)方案，從而為生產(chǎn)實(shí)際提供切實(shí)可行的工藝方案。常國(guó)平[5-8]等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 鋼包都存在一個(gè)臨界流量，不論鋼包是單孔還是雙孔。當(dāng)?shù)状禋怏w流量超過(guò)臨界流量時(shí)，鋼包的混勻效果并不會(huì)有太大變化。

唐山鋼鐵公司采用65 t鋼包替代原50 t鋼包，因此不能再使用原有的底吹磚布置方案及相應(yīng)的底吹工藝，因此對(duì)新鋼包的設(shè)計(jì)顯得尤為必要。根據(jù)物理模擬試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)要求的鋼包底吹工藝，將會(huì)為唐鋼創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 試驗(yàn)原理

物理模擬試驗(yàn)原理基礎(chǔ)是幾何相似原理和動(dòng)力相似原理，是實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果與原型結(jié)果近似相同的一種方法。通常用有機(jī)玻璃代替耐火材料制作鋼包，鋼水用水來(lái)模擬，用粘度相似的潤(rùn)滑油來(lái)代替液態(tài)渣[9]。它不僅克服了由于冶金過(guò)程的復(fù)雜性、高溫條件以及測(cè)試手段的限制，而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)過(guò)程進(jìn)行直接研究的狀況，同時(shí)冷態(tài)模擬試驗(yàn)消耗低，可以驗(yàn)證和完善數(shù)學(xué)模擬的結(jié)果。

混勻時(shí)間目前普遍采用一種叫“刺激-響應(yīng)”的試驗(yàn)技術(shù)來(lái)測(cè)定，即向熔池中快速加入一定數(shù)量的示蹤劑，同時(shí)檢測(cè)鋼液的某一特性以反映出熔池的混勻情況。本試驗(yàn)將一個(gè)電導(dǎo)電極探頭固定在包壁，分別放置于位置1以此來(lái)檢測(cè)50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的KCl溶液加到熔池后水的電導(dǎo)率變化情況，經(jīng)電導(dǎo)率儀將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，顯示其變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，當(dāng)濃度波動(dòng)曲線值接近于一條直線時(shí)，將濃度值的最后一個(gè)波動(dòng)點(diǎn)定義為混勻時(shí)間。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)儀器包括：電腦和電導(dǎo)率儀、有機(jī)玻璃鋼包、空氣壓縮機(jī)、流量計(jì)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的KCl溶液。冷態(tài)模擬試驗(yàn)主要通過(guò)優(yōu)化吹氣量以及噴嘴的布置，達(dá)到提高鋼包攪拌能的目的。但模擬試驗(yàn)中，直接測(cè)量攪拌能較為困難。研究結(jié)果表明，混勻時(shí)間與比攪拌功率存在如下關(guān)系：ε-0.4=τ/800。式中：ε為比攪拌功率；τ為混勻時(shí)間。底吹氬熔池試驗(yàn)裝置如下圖1所示。

圖1 底吹氬熔池試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)方案

(1)當(dāng)?shù)状抵行木酁?.642 5R時(shí)，選用的底吹流量分別為100 NL/min、150 NL/min和200 NL/min條件下，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出噴嘴夾角分別為30°、60°、90°、120°、150°、180°時(shí)的混勻時(shí)間。

(2)在研究底吹夾角對(duì)熔池混勻時(shí)間影響的基礎(chǔ)上，測(cè)定吹中心距0.5R、0.6425R和0.7R的混勻時(shí)間(3)測(cè)定當(dāng)中心距為0.6R、0.624 5R，夾角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時(shí)底吹流量80、100、120、150、180、200、250、300、350、400 NL/min對(duì)混勻時(shí)間的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 底吹夾角對(duì)混勻時(shí)間的影響

圖2所示為當(dāng)?shù)状抵行木酁?.642 5R時(shí)，不同底吹氣體流量條件下，底吹夾角對(duì)混勻時(shí)間的影響規(guī)律。

圖2 底吹夾角對(duì)流場(chǎng)混勻的影響規(guī)律

由圖2可以看出，隨著底吹流量由100 NL/min增加至200 NL/min，熔池混勻時(shí)間降低非常明顯，每增加50 NL/min，熔池混勻時(shí)間降低10%左右。改變底吹氣體流量對(duì)混勻時(shí)間進(jìn)行測(cè)試主要是為了提高試驗(yàn)精度和重現(xiàn)性，由于現(xiàn)場(chǎng)65t鋼包實(shí)際底吹流量基本在50～100 NL/min，因此100 NL/min的底吹氣量下混勻時(shí)間的測(cè)定結(jié)果更具有參考性和應(yīng)用性。從重點(diǎn)研究的噴孔夾角對(duì)混勻時(shí)間的影響來(lái)看，隨著噴孔夾角的增加，熔池混勻時(shí)間呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)。3種底吹流量條件下，噴孔夾角為90°時(shí)熔池的混勻時(shí)間最長(zhǎng)，分別達(dá)到了423 s、377 s和293 s，其次為噴孔夾角120°時(shí)，熔池混勻時(shí)間也達(dá)到了410 s、338 s和301 s，熔池混勻時(shí)間較長(zhǎng)。與這2個(gè)噴孔夾角相比，在高底吹氣量下，噴孔夾角為60°和150°時(shí)的熔池混勻時(shí)間相當(dāng)，底吹夾角為30°和180°時(shí)的混勻時(shí)間比較接近。

3.2 底吹中心距對(duì)混勻時(shí)間的影響

圖3為當(dāng)?shù)状抵行木酁?.5 R、0.642 5 R和0.7 R時(shí)對(duì)混勻時(shí)間的影響規(guī)律。其中圖3(a)底吹氣體流量為100 NL/min和圖3(b)底吹氣體流量為200 NL/min。由圖3(a)可見，由于底吹流量為100 NL/min，底吹流量較小，混勻時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，底吹夾角對(duì)混勻時(shí)間的影響基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；由圖3(b)可見，由于底吹流量為200 NL/min，底吹流量較大，混勻時(shí)間相對(duì)較短，底吹夾角對(duì)混勻時(shí)間的影響基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

圖3 不同底吹中心距對(duì)混勻時(shí)間的影響

綜合分析圖3，在底吹流量為150 NL/min和200 NL/min時(shí)，底吹夾角對(duì)混勻時(shí)間的影響仍然本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。底吹中心距0.5R熔池混勻時(shí)間最短，底吹中心距0.7R混勻時(shí)間最長(zhǎng)，0.642 5R混勻時(shí)間居中。

3.3 底吹氣體流量對(duì)混勻時(shí)間的影響

圖4為當(dāng)?shù)状抵行木?.6R和0.642 5R，當(dāng)?shù)状祰娍讑A角為60°、150°和180°時(shí)底吹流量80、100、120、150、180、200、250、300、350、400 NL/min對(duì)混勻時(shí)間的影響。

(a) 底吹中心距為0.6R (b) 底吹中心距為0.642 5R

由圖4(a)可以看出，當(dāng)?shù)状抵行木酁?.6R時(shí)，隨著底吹氣體流量的增加，混勻時(shí)間總體趨于先減小，在300 NL/min底吹氣量時(shí)混勻時(shí)間達(dá)到最小值；之后，隨著底吹氣體流量的增加，混勻時(shí)間略有增加的趨勢(shì)。由圖4(a)還可以看出，底吹中心距為0.6R時(shí)，底吹夾角對(duì)熔池混勻時(shí)間具有一定的影響，其中底吹夾角為150°時(shí)，熔池混勻時(shí)間最長(zhǎng)，底吹夾角為180°時(shí)，熔池混勻時(shí)間最短，底吹夾角為60°時(shí)，熔池混勻時(shí)間居中。由此可見，底吹中心距為0.6R、底吹夾角為180°，即2個(gè)底吹中心距為0.6R的底吹噴孔對(duì)角布置時(shí)，對(duì)熔池的攪拌能力最強(qiáng)、熔池混勻時(shí)間最短。

由圖4(b)可以看出，底吹中心距為0.642 5R時(shí)，隨著底吹氣體流量的增加，熔池混勻時(shí)間總體趨于先減小后增加的趨勢(shì)。底吹氣體流量低于300 NL/min時(shí)，熔池混勻時(shí)間隨底吹氣量增加而降低，在300 NL/min底吹氣量時(shí)混勻時(shí)間達(dá)到最小值；之后，隨底吹氣體流量的增加，熔池混勻時(shí)間略有增加。熔池混勻時(shí)間的增加可能與高氣量條件下，一部分能量消耗于液面隆起和翻滾，隨著氣-液界面交換能量而損失有關(guān)，用于液體環(huán)流的能量增加不多，混勻時(shí)間變化不明顯。此外，大氣量也會(huì)導(dǎo)致鋼液面裸露面積增大、不利于夾雜物上浮。由圖4(b)還可以看出，當(dāng)?shù)状抵行木酁?.642 5R時(shí)，底吹夾角對(duì)熔池混勻時(shí)間具有一定的影響。其中，當(dāng)?shù)状祳A角60°時(shí)，熔池混勻時(shí)間最長(zhǎng)，底吹夾角為180°時(shí)，熔池混勻時(shí)間最短，當(dāng)?shù)状祳A角150°時(shí)，熔池混勻時(shí)間居中。由此可見，當(dāng)?shù)状抵行木酁?.642 5R時(shí)，底吹夾角為180°時(shí)，提高對(duì)熔池的攪拌能力。

圖4(a)和圖4(b)可以看出，對(duì)比60°底吹夾角，當(dāng)?shù)状抵行木?.6R時(shí)的混勻時(shí)間與0.642 5R時(shí)的混勻時(shí)間相差不大，但略低于0.642 5R的混勻時(shí)間。對(duì)比180°底吹夾角，當(dāng)?shù)状抵行木?.6R的混勻時(shí)間與0.642 5R的混勻時(shí)間相差不大，但略低于0.642 5R的混勻時(shí)間。而對(duì)于底吹夾角為150°來(lái)說(shuō)，底吹中心距0.6R的混勻時(shí)間則明顯高于0.642 5R的混勻時(shí)間。如前所述，由于底吹夾角不同，兩底吹噴孔間距有所變化，0.6R時(shí)的噴孔間距略小，造成混勻時(shí)間延長(zhǎng)。綜合來(lái)看，從熔池混勻能力來(lái)看，兩噴孔對(duì)角布置(180°)、中心距0.6R時(shí)混勻時(shí)間最短，兩噴孔150°布置、中心距為0.6R時(shí)混勻時(shí)間最長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)在相同底吹流量條件下，隨著底吹夾角的增加，混勻時(shí)間呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，底吹夾角90°時(shí)熔池混勻時(shí)間最長(zhǎng)，當(dāng)噴孔夾角為60°和150°、30°和180°時(shí)對(duì)熔池的攪拌能力相近，當(dāng)?shù)状祳A角為180°時(shí)熔池混勻時(shí)間最短。

(2)底吹夾角對(duì)混勻時(shí)間的影響基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

(3)隨著底吹氣體流量的增加，混勻時(shí)間總體趨于先減小，在300 NL/min底吹氣量時(shí)混勻時(shí)間達(dá)到最小值；之后，隨底吹氣體流量的增加，混勻時(shí)間略有增加的趨勢(shì)。

(4)考慮到65t鋼包實(shí)際操作的底吹流量基本處在50～100 NL/min，底吹噴孔夾角應(yīng)以180°中心距為0.6R時(shí)最優(yōu)，此時(shí)熔池混勻時(shí)間最短，底吹攪拌能力最強(qiáng)。

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Effect of Bottom Blowing Parameters on Mixing Time in 65t Steel Ladle

GUO Lei, YANG Zhao-jun, LI Jun-guo, ZENG Ya-nan

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

bottom blowing; simulation; flow field

The simulation focuses on the impact of center distance and plug location angle and gas flow rate on liquid steel mixing time were simulated. The results show that when the center of bottom blowing is 0.5R , the mixing time is shortest, when the center distance of bottom blowing is 0.7R , the mixing time is the longest, when the center distance of bottom blowing is 0.6425R, the mixing time is the middle. From mixing capability, when the two injection holes is 180 °and the center distance is 0.6R, the mixing time is the shortest.

2095-2716(2017)01-0029-05

TF769.2

A