轉(zhuǎn)爐熱熔渣中底吹噴粉行為研究

趙定國，張印棠, 張福君，郝華強(qiáng)，王書桓，支保寧

（1. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院唐山市特種冶金及材料制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210；2. 唐山鋼鐵公司，河北 唐山 063009）

轉(zhuǎn)爐渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼最主要的副產(chǎn)品，目前國內(nèi)外轉(zhuǎn)爐渣綜合利用[1]大多是將處理后的鋼渣用于建筑材料、充當(dāng)農(nóng)肥、填海造地封閉海域、燒結(jié)熔劑、回收了渣中有鐵元素、在煉鐵過程中當(dāng)做助溶劑、在煉鋼過程中作為返回渣[2-3]。大多數(shù)鋼渣處理方法都是爐外處理，即爐渣將排出后轉(zhuǎn)移到其他地方進(jìn)行處理。爐外處理方式一般需增加額外的設(shè)備和場地，成本高附加值低，且轉(zhuǎn)爐渣的熱能沒有得到充分利用，還是受到下列許多限制，例如鋼渣的體積膨脹、鋼渣循環(huán)利用有害元素的富集[4-5]等。

轉(zhuǎn)爐渣氣化脫磷循環(huán)利用是一種轉(zhuǎn)爐渣爐內(nèi)處理方式，出鋼后留渣加入脫磷劑，脫除鋼渣中有害磷元素[6-13]，不僅可以縮短工藝流程，而且降低渣料的消耗，節(jié)省爐渣再加熱需要的能耗，促進(jìn)化渣，提高轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)效率。在某廠進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，采用直接向轉(zhuǎn)爐爐口內(nèi)投加脫磷劑的方法，試驗(yàn)氣化脫磷率達(dá)40% 水平，如何進(jìn)一步提高氣化脫磷率有待開發(fā)。

1 熔渣中底吹噴粉工藝

提出了轉(zhuǎn)爐底吹噴粉提高氣化脫磷新工藝，利用載氣將脫磷粉劑直接輸送進(jìn)鋼渣內(nèi)部，提促進(jìn)粉劑混勻度，提高脫磷效率。基于轉(zhuǎn)爐底吹噴粉提高氣化脫磷效果的方法[14]，采用數(shù)值模擬法研究了轉(zhuǎn)爐熔渣底吹噴粉方式的可行性，研究粉劑比、粒度及底吹流量對底吹粉劑分布的影響規(guī)律。開展了過程和機(jī)理研究，熱熔渣中底吹噴粉后，反生粉體遷移和渣粉反應(yīng)。

此工藝是轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束后，觀察判斷轉(zhuǎn)爐渣基本狀態(tài)，開始濺渣護(hù)爐操作，同時(shí)通過轉(zhuǎn)爐底部的載氣噴嘴向轉(zhuǎn)爐內(nèi)噴入微細(xì)粉體，控制轉(zhuǎn)爐底吹載氣壓力和粉氣比，使得氣化微細(xì)粉體在載氣穿越爐渣的浮涌作用下，與轉(zhuǎn)爐內(nèi)熱熔渣高效反應(yīng)，熔渣中的磷以氣化的方式脫除，反應(yīng)后的熔渣成為新鮮的高品質(zhì)再生熱熔渣，參與下一爐的轉(zhuǎn)爐煉鋼。底吹噴粉處理轉(zhuǎn)爐熱熔渣的方法，不僅可以用在轉(zhuǎn)爐上，也可專門在 “特種鋼包” 內(nèi)底吹噴粉處理轉(zhuǎn)爐或其他類型的熱熔渣（脫硫渣、精煉渣、電爐渣等），獲得“新鮮熱熔渣”及磷、硫、鐵等有價(jià)元素及煤氣。熔渣中底吹噴粉過程的特點(diǎn)：

(1) 底吹氣體涌動攪拌。向鐵水和鋼液中噴吹氣體或粉體（鐵水中噴鎂脫硫、轉(zhuǎn)爐鋼液中噴石灰粉、鋼包底吹氬等）處理冶金熔體方面已有很多系統(tǒng)研究，熱態(tài)高溫熔渣的粘度高，同時(shí)受溫度和組元種類及含量等因素綜合影響，氣體噴入熔渣中與底吹元件密切相關(guān)，調(diào)整控制底吹壓力和流量可以實(shí)現(xiàn)氣體涌動攪拌熔渣。

(2) 底噴粉體廣域分布。粉體通過氣體運(yùn)載噴入熔渣中，粉體受射流和氣泡運(yùn)動的影響，宏觀上良好的熔池流場可使粉體廣域分布在熔渣中，大大提高渣粉的接觸面積；微觀上粉體穿透氣泡膜進(jìn)入渣相的遷移與分布，涉及動量傳輸和質(zhì)量傳輸動力學(xué)。

(3) 微細(xì)粉體高效反應(yīng)。參加渣粉反應(yīng)的粉體粒徑細(xì)小，具有高反應(yīng)性，渣粉接觸后反應(yīng)快速進(jìn)行，同時(shí)產(chǎn)物中的CO 或P 氣等原生氣泡涌動上浮或與底吹氣體合并上浮，進(jìn)一步提高了高溫氣- 渣- 粉反應(yīng)動力學(xué)條件。微細(xì)粉體使得化學(xué)反應(yīng)速率較高，整個渣粉反應(yīng)過程機(jī)理涉及多相、微尺度、短時(shí)間等，是一個復(fù)雜的變化過程?？傊?，高溫熔渣底吹噴粉時(shí)，粉體不易被爐氣帶走，改善了操作條件和粉體在熱熔渣中的分布，不僅能提高轉(zhuǎn)爐氣化脫磷率，可進(jìn)一步留下較多的再生熱熔渣用于下一爐冶煉，增加廢鋼或石灰石用量，而且還促進(jìn)氣化脫磷過程快速進(jìn)行，縮短濺渣護(hù)爐氣化脫磷的時(shí)間，提高轉(zhuǎn)爐冶煉效率。我國鋼鐵面臨轉(zhuǎn)型升級，轉(zhuǎn)爐高溫熔渣亟待開發(fā)綠色的利用方式，實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)的資源和能源更加高效回收。

2 熔渣中噴粉數(shù)學(xué)模型的建立

底吹氣體進(jìn)入熔池后，氣體在噴嘴上形成氣泡，氣泡受初始動量以及浮力作用向上運(yùn)動形成氣泡流，帶動周圍大量熔渣隨流股運(yùn)動，同時(shí)在高溫熔渣中氣體受熱而膨脹，流股增強(qiáng)，流股上升到鋼渣界面氣體釋放入爐氣中，鋼渣向周圍流動，碰到壁面或相鄰流股時(shí)，向下流動并在噴嘴流股卷吸作用下形成環(huán)流，產(chǎn)生攪拌作用。

>表1 轉(zhuǎn)爐參數(shù)變量Table 1 Value of the parameters

熔池中多相流流動較復(fù)雜，模型的基本假設(shè)如下：（1）假設(shè)轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔渣物性參數(shù)（如粘度、密度等）不隨時(shí)間和溫度發(fā)生變化；（2）假設(shè)熔池內(nèi)熔渣與脫磷劑不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（3）熔池內(nèi)處于充分發(fā)展的湍流流動；（4）氣體為不可壓縮氣體；（5）忽略爐壁厚度，壁面為無滑移無滲透壁面；（6）噴嘴為直徑22 mm 的等截圓模型的控制方程主要包括體積分?jǐn)?shù)方程、質(zhì)量守恒方程、湍流控制方程等。

（1）體積分?jǐn)?shù)方程

在VOF 模型中，跟蹤相與相之間的界面是通過求解一相或多相的體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)方程來完成的。對第q 相，方程如下：

中（1）：mpq是p 相到q 相的質(zhì)量輸送，mpq是q 相到p 相的質(zhì)量輸送。方程（1）右端的原項(xiàng)為零。體積分?jǐn)?shù)方程不是為主相求解的，主相體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算基于如下的約束：

（2）屬性

出現(xiàn)在輸運(yùn)方程中的屬性是由存在于每一控制體積中的分相決定的。若在兩相流系統(tǒng)中，如果相用下標(biāo)1 和2 表示，并且第二相的體積分?jǐn)?shù)被跟蹤，那么每一單元中的密度由式（3）給出：

（3）動量方程

通過求整個區(qū)域內(nèi)的單一的動量方程，作為結(jié)果的速度場是由各相共享的，如式（4）所示，動量方程取決于通過屬性ρ 和μ 的所有相的體積分?jǐn)?shù)。

（4）質(zhì)量守恒方程

單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。質(zhì)量守恒方程即：

（5）湍流模型控制方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ξ 方程的湍動能k 和耗散率ξ 的方程如下形式：

Gk、Gb 分別表示速度梯度、浮力引起的湍動能產(chǎn)生；YM 是可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率

為了研究各參數(shù)對粉劑顆粒分布的影響規(guī)律，數(shù)值模擬計(jì)算采用單因素法設(shè)計(jì)試驗(yàn)。表2 為單因素試驗(yàn)因素表。

>表2 單因素試驗(yàn)Table 2 Single factor test

熔渣中噴粉效果的衡量指標(biāo)

1）DPM 濃度分布：熔池內(nèi)流場的模擬計(jì)算使用的VOF 模型在固定的歐拉網(wǎng)格下進(jìn)行計(jì)算的，而耦合的的顆粒相是根據(jù)顆粒受力情況在拉格朗日網(wǎng)格下進(jìn)行計(jì)算的，DPM 濃度分布即顆粒分布云圖，能夠直觀的反映出顆粒在熔渣中的分布情況，以及各分部區(qū)域的濃度大?。伾兓頋舛雀叩妥兓?，是衡量顆粒分布效果的有效手段。

（2）顆粒停留時(shí)間：顆粒停留時(shí)間云圖是反應(yīng)熔池內(nèi)顆粒在流場某點(diǎn)停留時(shí)間的分布圖。在分析DPM 濃度分布時(shí)，結(jié)合顆粒在各區(qū)域停留時(shí)間，判斷顆粒是否有充足的時(shí)間釋放且能與熔渣接觸反應(yīng)。( 注：DPM 是一種目標(biāo)檢測算法。）

3 計(jì)算結(jié)果及討論

3.1 粉氣比對粉劑在熔池中分布的影響

氣粉流進(jìn)入熔池形成三相流股，粉劑、氣泡與熔渣相互作用會影響熔池內(nèi)形成的流場。粉劑過多易阻塞噴嘴，過少輸送效率低。確定較佳的粉氣比對粉劑的均勻分布很重要。

試驗(yàn)可知，脫磷粉劑顆粒大部分分布在底吹氣體形成的熔池內(nèi)環(huán)流區(qū)域。較小部分跟隨溢出界面的氣泡進(jìn)入爐氣中或由于環(huán)流碰撞濺射至爐氣，隨后跟隨爐氣溢出爐口或落至熔渣表面。在靠近壁面的邊部環(huán)流區(qū)域、各環(huán)流區(qū)域的中上部、兩環(huán)流碰撞以及噴嘴上部氣- 液- 固三相流區(qū)域分布濃度較大。在靠近壁面的邊部環(huán)流底部、三相流股達(dá)到渣面向周圍流動區(qū)域以及兩環(huán)流碰撞區(qū)域停留時(shí)間最長。當(dāng)氣液兩相區(qū)形成的上升流達(dá)到熔池液面后，三相流上部流股不再是射流，而是以氣泡形式上浮，同時(shí)由于噴射角度及熔池流場的影響，氣泡上升方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)使得部分顆粒可以運(yùn)動到氣泡壁面，與熔渣接觸參與反應(yīng)。隨后氣體溢出熔池，大量顆粒釋放到鋼渣中，進(jìn)入熔渣參與反應(yīng)，屬于有效分布。

隨粉氣比提高粉劑源增加，粉劑在熔渣中的分布范圍基本一致。在環(huán)流下部分布區(qū)和死區(qū)外圍這些由于顆粒遠(yuǎn)不足限制粉劑分布的區(qū)域，粉劑分布范圍有所擴(kuò)大，顆粒濃度有所增加。顆粒停留時(shí)間在三相流股下部為射流，氣泡和顆粒運(yùn)動方向一致，停留時(shí)間極短，沒有為顆粒接觸熔渣提供時(shí)間條件，但在熔池內(nèi)形成的環(huán)流區(qū)域，尤其是環(huán)流末端環(huán)流速度低，為顆粒和熔渣的接觸提供了良好條件。

3.2 粉劑粒度對粉劑在熔池內(nèi)分布的影響

在熔池內(nèi)粉劑粒度過大，比表面積小接觸面積小，反應(yīng)速率小粉劑粒徑遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)塊狀料，比表面積大，反應(yīng)接觸面大，反應(yīng)速率快，確定合適的粒度對熔池內(nèi)流場的形成以及粉劑分布至關(guān)重要作用，不同粒徑條件下DPM 顆粒分布（上圖）和顆粒停留時(shí)間可通過云圖察看。

由云圖可知，粉劑粒度過大會抑制熔池內(nèi)湍動強(qiáng)度，降低環(huán)流速度，渣面沒有顆粒噴出，增大死區(qū)范圍，降低環(huán)流內(nèi)部粉劑分布。粉劑粒度為10μm 時(shí)，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度大，界面波動劇烈，顆粒的隨動性明顯提高，大量粉劑跟隨熔池環(huán)流運(yùn)動運(yùn)動至環(huán)流末端。粉劑顆粒100 μm 時(shí)，熔池湍動強(qiáng)度減少，渣面波動較弱，在靠近壁面的邊部環(huán)流區(qū)域，環(huán)流末端顆粒濃度下降。在近渣面層顆粒濃度分布不均勻，濃度差增加。顆粒停留時(shí)間大體趨勢基本一致，只是邊部近壁面環(huán)流底部紅色區(qū)域減少，減少了顆粒的堆積。粉劑粒度1 mm 時(shí)，由于顆粒較大，顆粒與氣泡及熔渣之間的相互作用更強(qiáng)，對熔池內(nèi)環(huán)流抑制效果更加明顯。在粉劑顆粒分布區(qū)域有均勻紅點(diǎn)分布，分布區(qū)域內(nèi)顆粒濃度有所增加，但顆粒分布區(qū)域大幅減少。降低了顆粒與熔渣的接觸面積，不利于脫除渣中的磷。

3.3 底吹流量對粉劑在熔池內(nèi)分布的影響

根據(jù)以上分析可知，影響粉劑顆粒在環(huán)流區(qū)域分布不均主要原因是粉劑顆粒不足以及熔渣黏度大，環(huán)流范圍小，死區(qū)范圍過大。保持粉氣比以及粉劑粒度不變調(diào)整底吹流量，分析粉劑分布效果。不同底吹流量條件下DPM 顆粒分布（上圖）和顆粒停留時(shí)間的云圖察看。

控制底吹流量分別為(0.7、1.14 和1.31) m/s，底吹流量從1.14 m/s增加大1.31 m/s時(shí)，湍動能增加，形成的環(huán)流區(qū)域不再是對稱分布，中間兩流股相互吸引靠近并發(fā)生碰撞，在另外兩側(cè)分別形成一個大環(huán)流。在大環(huán)流區(qū)域橫向環(huán)流增加，環(huán)流末端流速增大，死區(qū)比例減小。同時(shí)由于中間三相流股相互吸引碰撞，流速降低，粉劑顆粒能夠接觸氣泡壁面，粉劑有足夠停留時(shí)間。從DPM濃度分布圖可以看出，粉氣比不變，流量增加，粉劑顆粒分布范圍變大。尤其熔池中間部分由四個小環(huán)流變?yōu)閮蓚€大循環(huán)，保證顆粒與鋼渣發(fā)生反應(yīng)，中間大環(huán)流區(qū)域顆粒分布為有效分布。

4 結(jié) 論

（1）轉(zhuǎn)爐熔渣中顆粒分布基本位于熔池流場環(huán)流區(qū)域，流場死區(qū)內(nèi)無顆粒分布，熔渣內(nèi)部流場對粉劑分布起到?jīng)Q定性作用。

（2）粉氣比從55 提高到75，顆粒的分布規(guī)律不變，小幅度提高顆粒在環(huán)流區(qū)域內(nèi)的分布范圍，增加顆粒濃度。

（3）顆粒的粒度過大會抑制流場的湍動強(qiáng)度，顆粒1 mm 時(shí)，在近渣面層甚至出現(xiàn)空白。大環(huán)流內(nèi)部及環(huán)流末端均會出現(xiàn)空白，嚴(yán)重影響顆粒的均勻分布。粒度10 μm 隨動性增加，跟隨環(huán)流末端顆粒分布有所改善，但會減少顆粒在環(huán)流內(nèi)部的分布。

（4) 底吹流量增加，熔池中間流股碰撞，形成兩個大循環(huán)，橫向流增加，環(huán)流流速增加，死區(qū)變小，有利于顆粒均勻分布。