底吹鋼包用圓孔透氣磚冶金效果的水模型

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(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430000;2.武漢科技大學(xué)高溫材料與爐襯技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，武漢430000)

底吹氬氣是鋼包精煉中一種簡(jiǎn)單而有效的處理技術(shù)，該精煉技術(shù)不僅對(duì)混勻鋼液的溫度和成分有很大的作用，而且也是去除鋼包內(nèi)脫氧產(chǎn)物等夾雜物十分有效的措施[1-3].目前，研究者們采用水模型實(shí)驗(yàn)[4-6]和數(shù)學(xué)模擬[7,8]兩種方法對(duì)鋼包吹氬過(guò)程中透氣磚噴吹位置、安裝個(gè)數(shù)和底吹流量的對(duì)鋼包混勻時(shí)間，夾雜物去除率和渣層行為等透氣磚的應(yīng)用情況進(jìn)行了大量研究[9-10]，但是采用水模實(shí)驗(yàn)就透氣磚本身結(jié)構(gòu)對(duì)冶煉工藝影響的研究相對(duì)較少.

本團(tuán)隊(duì)前期提出一種圓孔斜通型的透氣磚，如圖1所示，磚體內(nèi)部有貫穿工作面和底面的直通圓孔，圓孔與中心軸有一定的夾角.研究發(fā)現(xiàn)，圓孔斜通透氣磚比狹縫式透氣磚吹成率高，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)也使得應(yīng)力集中現(xiàn)象有明顯改善，提高了此種透氣磚的使用壽命[11].雖然已經(jīng)有研究人員將狹縫式和其他透氣磚的冶金效果進(jìn)行了比較[12-13]，但是與圓孔斜通透氣磚冶金效果的對(duì)比鮮有論述.因此，本次研究針對(duì)圓孔斜通透氣磚，以150 t精煉鋼包為原型，利用相似原理建立鋼包底吹氬的物理模型，不僅對(duì)比了圓孔型透氣磚和狹縫式透氣磚對(duì)鋼液混勻時(shí)間、夾雜物去除率和渣眼面積的影響，而且通過(guò)改變?cè)撔滦屯笟獯u的孔角和孔徑對(duì)其冶煉效果進(jìn)行了分析，為透氣磚結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).

圖1 透氣磚示意圖Fig.1 Schematic diagram of the plugs(a)—結(jié)構(gòu)圖； (b)—截面圖

1 水模型實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)根據(jù)相似原理使用有機(jī)玻璃鋼包模擬實(shí)際鋼包，分別采用水、氮?dú)夂途郾揭蚁┝Ｗ覲S(Polystyrene)、大豆油對(duì)鋼包內(nèi)的鋼水、氬氣、夾雜物和鋼渣運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究.實(shí)際鋼包和水模型的幾何相似比λ為1∶4.92，其主要參數(shù)如表1所示.

對(duì)于鋼包底吹氬氣而言，影響鋼包內(nèi)流體流動(dòng)的主要作用力為浮力、重力和黏性力，這三個(gè)力可以構(gòu)成雷諾數(shù)和修正弗魯?shù)聰?shù).在水模型的實(shí)驗(yàn)中，要同時(shí)保持雷諾數(shù)和修正弗魯?shù)聰?shù)相等有較大難度，因此本文采用近似模擬實(shí)驗(yàn)的方法.在實(shí)驗(yàn)中，只要保證模型與原型的修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等，就能使流動(dòng)同處于湍流狀態(tài).本文使用的無(wú)量綱數(shù)G是Krishnapisharody等人[14]對(duì)修正的弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)的再次修正得到的參數(shù)，用來(lái)保證原型與模型的動(dòng)力相似.

式中：U0—初始?xì)怏w速度(m/s)，g—重力加速度(m/s2)，ρg—?dú)鍤饷芏?kg/m3)ρl—鋼水密度(kg/m3)，H—鋼水深度(m).

利用模型與原型的無(wú)量綱數(shù)G相等進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到模型與原型入口氣量的關(guān)系式：

Qm=0.00752Q0

式中：Qm—模型流量(L/min)，Q0—原型流量(L/min).

原型流量與實(shí)際流量關(guān)系如表2所示.

表3 水模型實(shí)驗(yàn)所用磚型Table 3 Types of plugs in experiments

作為對(duì)比，本文共用了圓孔式與傳統(tǒng)狹縫式9組透氣磚，其參數(shù)如表3所示，表中“O”表示孔型為圓孔，“I”表示孔型為狹縫式，孔角為圓孔和中心軸的夾角.限于工業(yè)加工精度的影響，透氣孔孔徑按照實(shí)際1∶4.92縮小較為困難，為了得到透氣孔孔徑對(duì)冶金效果的影響，本文中對(duì)透氣面積和孔徑進(jìn)行無(wú)量綱化處理，透氣面積δ采用以下公式計(jì)算得到：

式中：δn—n號(hào)透氣磚的透氣面積，sn—n號(hào)透氣磚的實(shí)際透氣面積(mm2)，s1—1號(hào)透氣磚的實(shí)際透氣面積(mm2)，此磚的透氣面積按幾何相似1∶4.92縮小.孔徑比α采用以下公式計(jì)算：

式中：αn—n號(hào)透氣磚的孔徑，dn—n號(hào)透氣磚的實(shí)際孔徑(mm)，d1—1號(hào)透氣磚的實(shí)際孔徑(mm).

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.2.1 混勻時(shí)間T的測(cè)量

圖2為采用“刺激響應(yīng)法”測(cè)量鋼包底吹氬混勻時(shí)間(攪拌能)的系統(tǒng).試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)氣體流量到指定值，待吹氣穩(wěn)定后，在水面渣眼處加入150 ml刺激信號(hào)(飽和NaCl溶液)，使用電導(dǎo)率儀測(cè)量水模型指定位置的電導(dǎo)率的變化，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過(guò)程中的電導(dǎo)率變化情況，將試驗(yàn)開始到電導(dǎo)率波動(dòng)范圍不超過(guò)5%的時(shí)間記錄為混勻時(shí)間T，每個(gè)試驗(yàn)至少重復(fù)4次.

圖2 混勻時(shí)間實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental device of mixing time

1.2.2 夾雜物去除率η的計(jì)算

夾雜物去除實(shí)驗(yàn)的裝置如圖3所示.本文選用密度為0.996 kg/m3聚苯乙烯PS(Polystyrene)粒子模擬鋼液中的夾雜物，其粒度范圍為125 ～ 160 μm.PS粒子潤(rùn)濕角與鋼液中主要的夾雜物Al2O3和SiO2的潤(rùn)濕角都約等于91°，能較為容易地被氣泡黏附，且與夾雜物懸浮在鋼液中的狀態(tài)相似，可以完全懸浮在水中.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將6 g PS粒子均勻地混在水中，調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量計(jì)，當(dāng)吹氣流量均勻穩(wěn)定之后，從鋼包水模型底緩緩注入水，氣泡將PS粒子帶到水面隨著溶液溢出，在持續(xù)吹氣的10min中采用濾紙過(guò)濾溢出的PS粒子混合液得到PS顆粒，烘干后稱量計(jì)算，可以得到夾雜物的去除率η.

圖3 夾雜物去除裝置示意圖Fig.3 Experimental device of inclusion removal

1.2.3 渣層行為

氬氣吹開渣層的面積通過(guò)相機(jī)進(jìn)行拍攝后利用圖像處理軟件計(jì)算得到.圖4(a)為將相機(jī)固定在鋼包垂直上方拍攝的1號(hào)透氣磚在吹氣流量為7.51 L/min時(shí)的渣眼；圖4(b)為利用圖像軟件Image Pro Plus處理之后利用像素法計(jì)算得到渣眼的面積S.實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)于混勻時(shí)間，渣眼面積隨時(shí)間波動(dòng)較為明顯，因此本文記錄下5個(gè)時(shí)刻的圖片，取平均值為該流量下的渣眼面積并在圖中標(biāo)出方差.實(shí)驗(yàn)中渣層厚度保持40 mm，噴吹位置固定在0.5R處，改變吹氣流量，統(tǒng)計(jì)渣眼面積變化的情況.

水模實(shí)驗(yàn)中使用HXLin64高速攝像機(jī)以2000幀/秒的速度對(duì)底吹過(guò)程中氣泡的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了拍攝.

圖4 渣眼圖像Fig.4 Picture of slag eye area(a)—原始圖像； (b)—處理后的圖像

2 結(jié)果分析與討論

2.1 透氣磚孔型對(duì)冶金效果的的影響

圖5描述了孔型對(duì)混勻時(shí)間T、夾雜物去除率η和渣眼面積S的影響.由圖可知，隨著吹氣流量的增加，鋼包的混勻時(shí)間都是逐漸減小的，在吹氣流量小于3.76 L/min時(shí)，混勻時(shí)間隨吹氣流量的增大下降很快，此時(shí)吹氣流量對(duì)混勻時(shí)間的影響很明顯；當(dāng)吹氣流量大于3.76 L/min時(shí)，混勻時(shí)間隨吹氣流量的增大下降趨于平緩.圖5(a)中的3號(hào)圓孔斜通透氣磚與9號(hào)狹縫斜通透氣磚孔角相同，透氣面積相同，當(dāng)吹氣流量相等時(shí)，T3

夾雜物去除主要依靠氣泡的浮選作用，其效率取決于氣泡尺寸、夾雜物尺寸和吹入鋼液的氣體量，由于小氣泡比表面積大，通常小氣泡比大氣泡對(duì)夾雜物的俘獲概率高[15].從圖5可以看出，隨著吹氣流量的增加，夾雜物去除率都是先增大后減小.這是因?yàn)樵趪姶盗髁枯^小時(shí)，氣泡尺寸和氣泡數(shù)量對(duì)夾雜物去除率起了最主要的作用，氣泡尺寸小時(shí)呈均勻細(xì)小穩(wěn)定氣泡流，裹挾夾雜物上浮的效率較高，隨著吹氣流量的增加氣泡數(shù)量增多，進(jìn)入鋼包的氣量增大，上升流發(fā)展更充分，夾雜物去除率也隨之變大；當(dāng)吹氣流量增加時(shí)，氣泡流開始脈動(dòng)，氣泡脫離透氣磚之后相互碰撞合并成大氣泡，鋼包內(nèi)攪動(dòng)劇烈，因此夾雜物被帶到鋼液表面由于卷渣作用又被卷入鋼水中，使得夾雜物去除率在吹氣流量增加到一定范圍之后又會(huì)下降.如圖5(a)所示，使用3號(hào)透氣磚和使用9號(hào)透氣磚的鋼包去除率最高值均出現(xiàn)在6.02 L/min左右，但當(dāng)吹氣流量相等時(shí)，η3>η9(ηn為第n號(hào)磚的夾雜物去除率).從圖5(b)可以看出，使用4號(hào)透氣磚和使用8號(hào)透氣磚的鋼包去除率最高值也出現(xiàn)在6.02 L/min左右，在同一吹氣流量下，η4>η8.去除夾雜物主要是通過(guò)氣泡裹挾夾雜物上升，待氣泡在鋼渣表面破裂時(shí)，夾雜物則被鋼渣黏附吸收，而通過(guò)圓孔式透氣磚產(chǎn)生的氣泡直徑小，比表面積大，比狹縫式透氣磚產(chǎn)生的氣泡對(duì)夾雜物的黏附力更大，因此使用圓孔透氣磚的去除夾雜物效果在相同流量下效果更好.

圖5 透氣磚孔型的影響Fig.5 Effect of types of the hole

使用不同磚型對(duì)鋼包渣眼面積S的影響如圖5(c)、(d)所示.圖5(c)描述了使用3號(hào)透氣磚和9號(hào)透氣磚時(shí)鋼包渣眼面積的變化情況，隨著吹氣流量的增加，渣眼面積逐漸變大，當(dāng)Qm=2.26 L/min時(shí)，S3=200 cm2，S9=210 cm2(Sn為第n號(hào)磚的渣眼面積)；當(dāng)Qm=7.51 L/min時(shí)，S3=499 cm2，S9=505 cm2，相同一流量下S3

2.2 透氣磚孔角對(duì)冶金效果的影響

圖6所示為孔數(shù)和透氣面積相同時(shí)，兩組不同孔角的透氣磚對(duì)鋼包混勻時(shí)間T、夾雜物去除率η和渣眼面積S的影響.如圖6(a)所示，1號(hào)和2號(hào)透氣磚孔角分別為2°和0°，可以看出，T1η2，η3>η4.由圖6(c)、(d)可以看出，吹氣流量逐漸增大時(shí)，當(dāng)Qm=2.26 L/min時(shí)，S1=198 cm2，S2=185 cm2；當(dāng)Qm=7.51 L/min時(shí)，S1=493 cm2，S2=485 cm2，相同一流量下S1>S2，且S1-S2<10 cm2；相同流量下，S3>S4，且S3-S4<15 cm2.這是因?yàn)樵诖禋饬髁啃∮?.76 L/min時(shí)，氣泡經(jīng)透氣磚噴射到鋼液中時(shí)的角度會(huì)受到透氣磚氣孔的角度的影響，如圖7所示，1號(hào)透氣磚噴射進(jìn)鋼包時(shí)氣泡角度更大，對(duì)鋼包內(nèi)流場(chǎng)的擾動(dòng)區(qū)域更大，所需混勻時(shí)間比2號(hào)透氣磚更短；而當(dāng)氣體噴射速度快時(shí)，氣泡攪拌鋼液的效果已經(jīng)達(dá)到飽和，因此吹氣流量是影響混勻鋼液的效果的重要因素，孔角變化的影響相對(duì)較小.

2.3 透氣磚孔徑對(duì)冶金效果的影響

圖8所示為兩組圓孔斜通透氣磚在相同孔數(shù)和孔角時(shí)，孔徑的變化對(duì)鋼包底吹氬的混勻時(shí)間T、去除夾雜物η和渣眼面積S的影響.從圖7(a)可以看出，d3=3.2d1，在相同流量下，T3>T1.使用1號(hào)透氣磚時(shí)的夾雜物去除率最高值在吹氣流量約為5.26 L/min，使用3號(hào)透氣磚的夾雜物去除率峰值出現(xiàn)在吹氣流量約為6.02 L/min，在同一吹氣流量下，η1<η3.圖7(b)中5、6和7號(hào)透氣磚孔數(shù)和孔角都相同，d5=3.5d1，d6=1.8d1，d7=1.5d1，與上述規(guī)律相似，低流量時(shí)(小于3.76 L/min)透氣轉(zhuǎn)的孔徑對(duì)混勻效率的影響比較大，此時(shí)T5>T6>T7，高流量時(shí)(大于3.76 L/min)3塊透氣磚混勻時(shí)間相近，此時(shí)孔徑對(duì)混勻時(shí)間的影響相對(duì)較小.使用5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)透氣磚時(shí)的夾雜物去除率最高值均在吹氣流量為5.26 L/min左右，但在同一吹氣流量下，η5>η6>η7.圖7(c)、(d)分別表示了使用1、3號(hào)透氣磚和使用5、6和7號(hào)透氣磚時(shí)的渣眼面積S的對(duì)比，可以看出在相同的吹氣流量下S1>S3，S5>S6>S7.這是由于透氣磚產(chǎn)生的氣泡尺寸會(huì)受到透氣磚孔徑的影響，由圖9所示，5號(hào)透氣磚產(chǎn)生的氣泡尺寸最大，數(shù)量最少，7號(hào)透氣磚產(chǎn)生的氣泡尺寸最小，數(shù)量最多，6號(hào)透氣磚居中.大氣泡上升到渣層破裂時(shí)能量耗散和對(duì)渣層的反作用力均比小氣泡更大，因此鋼水混勻時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng)，渣眼面積更大，并且在低底吹流量時(shí)渣眼面積方差更大.與小氣泡相比，大氣泡與夾雜物的接觸面積小，黏附夾雜物的效率比小氣泡低，去除夾雜物的效率比小氣泡低.

圖6 透氣磚孔角的影響Fig.6 Effect of angle of the holes

圖7 實(shí)驗(yàn)氣泡圖 (Qm = 0.70 L/min)Fig.7 Picture of the bubbles (Qm = 0.70 L/min)(a)—1號(hào)磚； (b)—2號(hào)磚

圖8 透氣磚孔徑的影響Fig.8 Effect of diameter of the hole

圖9 實(shí)驗(yàn)氣泡圖 (Qm = 0.70 L/min)Fig.9 Picture of the bubbles in the experiment (Qm = 0.70 L/min)(a)—5號(hào)磚； (b)—6號(hào)磚； (c)—7號(hào)磚

3 結(jié) 論

本文利用水模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M了鋼包底吹氬的過(guò)程，對(duì)比分析了圓孔型透氣磚與狹縫式透氣磚對(duì)冶煉效果的影響，并研究了圓孔透氣磚的磚型、孔角和孔徑對(duì)混勻時(shí)間、夾雜物去除率和渣眼面積的影響規(guī)律，為透氣磚設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)際提供參考.

(1) 在吹氣流量相等時(shí)，使用圓孔透氣磚的鋼包比使用狹縫式透氣磚的鋼包混勻鋼水效率更高、去除夾雜物的效果更好，渣眼面積更小.

(2) 當(dāng)吹氣流量大于3.76L /min時(shí)，圓孔斜通透氣磚與圓孔直通透氣磚的使用效果差別不大；而當(dāng)吹氣流量小于3.76 L/min時(shí)，使用圓孔斜通透氣磚的鋼包混勻時(shí)間短，夾雜物去除率高，但是渣眼面積略大.

(3) 當(dāng)吹氣流量大于3.76 L/min時(shí)，圓孔斜通透氣磚的孔徑對(duì)鋼水混勻時(shí)間的影響不明顯，但是在吹氣流量小于3.76 L/min時(shí)，其孔徑越小，鋼水混勻時(shí)間越長(zhǎng).相同吹氣流量下，使用小孔徑透氣磚的鋼包，其夾雜物去除率峰值比使用大孔徑透氣磚的鋼包所需的噴吹流量低，渣眼面積小.