260噸轉(zhuǎn)爐底吹性能優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究

陳科曉,龐洪軒,劉廣強(qiáng),鄭 冰,5,徐 東

(1.河北普陽(yáng)鋼鐵集團(tuán),河北省高塑韌性耐磨鋼板技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056305;2.河北普陽(yáng)鋼鐵集團(tuán),河北省高韌性風(fēng)塔鋼工程研究中心,河北 邯鄲 056305;3.河北工程大學(xué),河北省高品質(zhì)冷鐓鋼技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056038;4.介子科技(河北)有限公司,技術(shù)中心,河北 邯鄲 056038;5.河北工程大學(xué),河北省高校高端緊固件全流程應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心,河北 邯鄲 056038)

轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)高溫熔體之間傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)好壞與轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔池流動(dòng)息息相關(guān)。是決定煉鋼生產(chǎn)的重要因素[1-2]。冶煉過(guò)程是一個(gè)高溫且復(fù)雜環(huán)境,涉及到熱量、動(dòng)量傳遞,以及復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng),加之生產(chǎn)設(shè)備繁瑣巨大[3-4]。所以通常采用物理實(shí)驗(yàn)探究煉鋼生產(chǎn)規(guī)律和吹煉方法對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)條件影響[5]。復(fù)吹轉(zhuǎn)爐吹煉中熔池?cái)嚢枘苣芰看蠖鄟?lái)自底吹。氣泡由底吹孔吹出后上浮過(guò)程中帶動(dòng)周圍液體形成環(huán)流從而攪拌熔池。底吹位置不同,則流股間的相互作用不同,熔池死區(qū)面積不同,因此底吹對(duì)熔池?cái)嚢栌泻艽笥绊?良好的熔池?cái)嚢栌欣诖龠M(jìn)動(dòng)力學(xué),加快反應(yīng)進(jìn)行[6-7]。

轉(zhuǎn)爐大型化是近年國(guó)內(nèi)外煉鋼的趨勢(shì),研究大型轉(zhuǎn)爐底吹性能,優(yōu)化底吹對(duì)于縮短煉鋼時(shí)間,提高煉鋼效率具有指導(dǎo)意義。汪成義等[8]優(yōu)化了300噸復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹,結(jié)果表明當(dāng)?shù)讟尫植荚?.63D(D為爐底直徑)的同心圓上時(shí),對(duì)熔池?cái)嚢栊Ч罴?。Wu Wen-jie等[9]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了210噸轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)部流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)底部噴嘴位于0.55D時(shí)鋼液動(dòng)力學(xué)條件最佳。Singh等[10]研究了不同底槍排布對(duì)熔池混勻時(shí)間的影響,認(rèn)為0.5D是底吹供氣原件的最佳位置。張燕超[11]等采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析了300噸轉(zhuǎn)爐底吹方案,發(fā)現(xiàn)底槍分布位置由0.3D到0.5D,轉(zhuǎn)爐近壁面處鋼液的流動(dòng)效果得到明顯改善。

本文在前人工作的基礎(chǔ)上,提出底吹孔的布置方式,通過(guò)物理模擬考察底吹孔距離、角度等對(duì)混勻時(shí)間的影響,為煉鋼工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 物理實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與儀器

實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示,主要設(shè)備包括:空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐、壓縮空氣精密過(guò)濾器、壓力表、流量計(jì)和分流閥、一個(gè)相似比為1:7的轉(zhuǎn)爐模型、電導(dǎo)率儀和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)等。實(shí)驗(yàn)操作包括打開空氣壓縮機(jī)將氣體輸送到儲(chǔ)氣罐,氣體從儲(chǔ)罐中出來(lái)后,進(jìn)入分流閥以分離氣體。流量由流量計(jì)調(diào)節(jié),然后從底部吹送部件吹送到熔池中,由熔池中的電導(dǎo)率儀測(cè)量的電信號(hào)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行輸出。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼廠260噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐,確定模型與原型的幾何相似比為1:7,即將原型按照7:1比例縮小。表1為轉(zhuǎn)爐原型與模型的主要參數(shù)。

表1 轉(zhuǎn)爐原型與模型的主要參數(shù)

根據(jù)相似性準(zhǔn)則,在保證原型和模型的弗魯?shù)聹?zhǔn)則數(shù)(Fr)相等的情況下,認(rèn)為原型和模型滿足動(dòng)態(tài)相似性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)底吹流量計(jì)算出四種底吹流量,并用空氣代替熔煉過(guò)程中實(shí)際吹出的氬氣。模型和原型之間的流速轉(zhuǎn)換如表2所示。

表2 模型及原型的底吹流量

1.3 混勻時(shí)間測(cè)定

混勻時(shí)間是衡量轉(zhuǎn)爐熔池?cái)嚢璧囊粋€(gè)重要參數(shù),混勻時(shí)間越短,攪拌效果越好。在物理模擬中,通常使用示蹤劑(飽和氯化鉀)和儀器化學(xué)來(lái)分析熔池的電導(dǎo)率變化并計(jì)算混合時(shí)間。電導(dǎo)率探頭固定在轉(zhuǎn)爐的一側(cè)。引入氣體后,等待流場(chǎng)穩(wěn)定,迅速將事先調(diào)節(jié)好的飽和氯化鉀溶液倒入轉(zhuǎn)爐浴中,并開始記錄混合時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)電導(dǎo)率可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制。加入飽和KCl后,電導(dǎo)率曲線迅速增加,然后逐漸變平。校準(zhǔn)開始穩(wěn)定的時(shí)間是混合時(shí)間。圖2顯示了電導(dǎo)率曲線波動(dòng)的示意圖。為了減少誤差,在每種操作條件下進(jìn)行三次測(cè)量,并取平均值作為混合時(shí)間。

圖2 物理實(shí)驗(yàn)電導(dǎo)率波動(dòng)曲線

1.4 底吹方案布置

在設(shè)計(jì)底吹布置時(shí),考慮頂部噴槍氣流的沖擊區(qū)域,避免底吹氣泡和頂部噴槍氣流之間的碰撞,從而造成能量損失。本文設(shè)計(jì)6種底吹布置方案,具體如圖3所示的。底吹元件非對(duì)稱集中布置在0.4D和0.5D、0.6D和0.7D(D為轉(zhuǎn)爐圓周直徑)上,由于同一圓周直徑上的兩個(gè)相鄰底吹元件距離很近。方案中內(nèi)側(cè)底吹孔布置在0.4D上不變,外側(cè)底吹孔分別布置在0.5D、0.6D、0.7D上。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,取A組實(shí)驗(yàn)兩底吹孔夾角為15°,B組實(shí)驗(yàn)夾角為30°。通過(guò)變換底吹流量考察外側(cè)底吹孔距離、底吹孔之間角度以及底吹流量的改變對(duì)混勻時(shí)間的影響規(guī)律。具體布置如圖3所示。

圖3 六種底吹布置方案

2 結(jié)果分析與討論

根據(jù)設(shè)計(jì)的6種不同的底吹元件不對(duì)稱集中布置方案,在純底吹送風(fēng)模式下,在不同底吹流量、不同底吹孔角度和距離、共24種工況下進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量混勻時(shí)間,分析底吹流速、底吹孔間距和角度的變化對(duì)熔池?cái)嚢璧挠绊?選擇最佳的底吹布置。

2.1 底吹氣體流量對(duì)混勻時(shí)間的影響

圖4示出了6種布置方式下混勻時(shí)間隨流量變化關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn),底吹氣流量在240 Nm3/h～960 Nm3/h內(nèi),隨著轉(zhuǎn)爐底吹氣體流量的增加,6種布置方式下的混勻時(shí)間整體出現(xiàn)降低趨勢(shì)。這與前人研究結(jié)果一致。在總流量為960 Nm3/h時(shí)熔池混勻時(shí)間達(dá)到最小,與總流量240 Nm3/h時(shí)相比,底吹布置方式A1、A2、A3、B1、B2、B3下的混勻時(shí)間分別減少了24 s、18 s、32 s、23 s、31 s、30 s。分析原因在于氣體通過(guò)底吹噴嘴形成氣泡吹入轉(zhuǎn)爐熔池中,氣泡在上升過(guò)程中形成底吹流股,底吹流股帶動(dòng)周圍的液體運(yùn)動(dòng)形成環(huán)流攪拌熔池,底吹氣體所攜帶的動(dòng)能用于生成氣泡流股并帶動(dòng)鋼液攪拌,隨著底吹流量的不斷增加,氣體進(jìn)入底吹元件后攜帶的能量增多,鋼液環(huán)流速度變大,增強(qiáng)了對(duì)熔池?cái)嚢枘芰?因此轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間整體降低。

圖4 不同流量下各排布方式的混勻時(shí)間

2.2 底吹孔角度對(duì)混勻時(shí)間的影響

底吹氣泡從底吹噴嘴噴出后,每條底吹流將形成一個(gè)攪拌區(qū),底吹流在攪拌區(qū)內(nèi)驅(qū)動(dòng)附近的鋼液流動(dòng),攪拌轉(zhuǎn)爐熔池。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),底吹孔中兩個(gè)底吹元件形成的底吹氣泡在上升過(guò)程中能很好地融合。兩個(gè)連續(xù)的氣泡可以看作是熔池中較大的底部吹風(fēng)流。與單個(gè)底吹元件相比,底吹孔形成的底吹流具有更大的工作面積,可以驅(qū)動(dòng)更多的鋼流,增加循環(huán),促進(jìn)熔池的攪拌。同時(shí),底部吹孔的不同位置對(duì)熔池的混勻時(shí)間也有顯著影響。

圖5示出了外側(cè)底吹孔位置相同時(shí),不同角度對(duì)熔池混勻時(shí)間的影響。可以發(fā)現(xiàn),在不同流量或外側(cè)底吹孔距離下,A組布置方案的混勻時(shí)間都比B組布置方案要短。分析原因在于15°布置方案下,底吹孔之間距離近,形成的攪拌區(qū)域可以很好的融合,提高了能量利用率,促進(jìn)熔池大環(huán)流生成。而在30°時(shí),底吹孔之間的距離變大,在底吹流股上升過(guò)程中,底吹孔之間會(huì)形成新的攪拌區(qū),由于角度大,攪拌區(qū)之間會(huì)發(fā)生碰撞不能很好的融合,導(dǎo)致一部分能量損失,從而降低了熔池的能量利用率造成混勻時(shí)間的增加。而且從圖中還可以看出在外側(cè)底吹孔位于0.5D時(shí),角度的變化對(duì)混勻時(shí)間的影響不大,外側(cè)底吹孔位于0.6D時(shí),角度的變化對(duì)混勻時(shí)間的影響最為明顯。

(a)外側(cè)底吹孔0.5D (b)外側(cè)底吹孔0.6D (c)外側(cè)底吹孔0.7D圖5 底吹孔角度變化的混勻時(shí)間示意圖

2.3 底吹孔距離對(duì)混勻時(shí)間的影響

圖6示出了不同流量下,B組布置方式的混勻時(shí)間變化。圖中橫坐標(biāo)為外側(cè)底吹孔位置,縱坐標(biāo)為熔池混勻時(shí)間。從B組布置方案中可以發(fā)現(xiàn),4種流量下,B組布置方式的混勻時(shí)間隨外側(cè)底吹孔距離的增加均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。并且在240 Nm3/h流量下變化尤為明顯,該流量下B1、B2、B3的混勻時(shí)間分別為71 s、82 s、84 s,即B1布置方式熔池的混勻效果最好,B3布置方式熔池的混勻效果最差。這是因?yàn)殡S著外側(cè)底吹孔距離的增加,底吹孔之間各攪拌區(qū)的融合效果變差,不利于熔池的整體循環(huán)。

圖6 不同流量下B組布置方式混勻時(shí)間示意圖

圖7顯示了A組排列在不同流速下的混合時(shí)間變化?？梢杂^察到,在四種流速下,A組排列的混合時(shí)間并沒有隨著外底吹孔距離的增加而呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),而是呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。底吹流量為240 Nm3/h時(shí),A1、A2、A3的混勻時(shí)間分別為69 s、58 s、75 s。A2布置方式比A1和A3布置方式分別縮短了11 s和17 s。

圖7 不同流量下A組布置方式混勻時(shí)間示意圖

在A1布局下,當(dāng)4個(gè)底槍的底吹氣流作用在熔池表面時(shí),由于底吹孔之間非常接近,在到達(dá)熔池表面后出現(xiàn)兩個(gè)沿耳軸對(duì)稱的大氣流。盡管兩股大氣流在熔池表面的作用面積很大,但底部吹孔形成的攪拌區(qū)域局部劇烈碰撞,導(dǎo)致底部吹流攪拌熔池的能量顯著損失,這導(dǎo)致混合時(shí)間增加。

對(duì)于A2的布置,底部吹孔之間的距離適中,并且每個(gè)攪拌區(qū)集中在爐底的不同位置,這加強(qiáng)了熔池中的攪拌,更有利于熔池的混合。因此,混合時(shí)間最短。對(duì)于A3的布置,在實(shí)驗(yàn)中觀察到,在從底部吹送元件吹出之后,外部底部吹送孔中的底部吹送氣泡幾乎靠著爐壁上升。由于離爐壁太近,氣泡到達(dá)熔池表面后產(chǎn)生的橫向流動(dòng)不斷與爐壁碰撞,導(dǎo)致用于攪拌轉(zhuǎn)爐壁上熔池的能量顯著損失,導(dǎo)致熔池混合時(shí)間更長(zhǎng)。

綜上,底部吹孔之間夾角為15°的A組混勻時(shí)間通常優(yōu)于底部吹孔間夾角為30°的B組。在A組的三種布置中,外底噴孔位于0.6D的A2布置混合時(shí)間最短,更有利于整個(gè)熔池的混合。

3 結(jié)論

(1)純底吹模式下,隨著底吹流量增加,6種布置方式的混勻時(shí)間整體出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

(2)隨著外側(cè)底吹孔距離的增加,底吹孔間15°布置在0.4-0.7D的混勻時(shí)間先降低后升高,而底吹孔間30°布置在(0.4～0.7)D的混勻時(shí)間則表現(xiàn)為持續(xù)升高。

(3)A組熔池的混合效果整體好于B組,同時(shí)A組外側(cè)底吹孔布置在0.6D時(shí)熔池混勻時(shí)間最短,對(duì)熔池?cái)嚢栊Ч詈谩?/p>