唐鋼50t轉爐濺渣護爐水力模型實驗研究

曾亞南,李俊國,韓志杰,吳雨晨

(1.河北聯合大學冶金與能源學院,河北唐山 063009;2.唐山鋼鐵股份有限公司,河北 唐山050000)

濺渣護爐技術是提高轉爐爐齡的有效措施。它是采用高壓氮氣通過氧槍或專門的濺渣吹氮用槍高速噴入爐內,使爐渣噴濺到轉爐耐火爐襯上,有效增加爐襯使用壽命。由于轉爐濺渣護爐操作是一個高溫、復雜的過程,進行現場研究比較困難,因此進行水力學模擬實驗有著重要意義[1-3]。本研究以唐鋼二煉鋼50 t轉爐為研究對象,在目前濺渣護爐操作工藝為基礎,采用水力學模擬實驗,選擇三種不同結構氧槍(四孔、四孔變角和五孔),對頂槍槍位、頂吹流量、底吹流量、熔渣黏度和留渣量等濺渣操作工藝條件對濺渣效果進行影響性評價,以確定濺渣護爐的優化工藝參數,為現場的濺渣護爐操作提供理論依據。

1 實驗方案

1.1 物理模型的建立

轉爐濺渣護爐技術是氮氣射流沖擊熔渣,使熔渣濺起飛到爐襯上,從而達到保護爐襯的目的。根據相似原理,模擬實驗應滿足轉爐模型和原型的幾何尺寸相似和動力學條件相似[4]。

實際生產中,噴槍出口氣體流速為超音速,而水力學實驗中,氧槍模型出口氣體流速為亞音速,由于這兩種射流的擴張角有所不同,對熔渣的沖擊效果也就有所不同。以亞音速射流模擬超音速氣體射流時,盡管能夠保證槍位幾何相似,也會造成模型實驗中亞音速射流與熔渣接觸面積偏大、射流中心流速偏低、對熔渣沖擊動能偏低的現象[5-7]。因此在實驗過程中對模型噴槍槍位進行了修正[8-9],本實驗條件下,槍位修正值為70mm,即實驗選擇的槍位為理論計算的模型槍位減去修正值。模型、原型及對應介質的物理參數如表1和表2所示。

表1 幾何相似參數

表2 流體的物性參數

1.2 實驗裝置

實驗采用水、飽和鹽水和甘油分別模擬稀渣、正常渣和黏渣。模型與原型的幾何參數比為1:6.35,實驗裝置如圖1所示。

圖1 水力學模擬實驗裝置示意圖

實驗模型采用有機玻璃制成,模型內表面按高度分為五等份,在等分處采用有機玻璃做成弧形槽的插板,并向上傾斜一定角度,粘在模型內表面,模型內側由上至下四等份分別代表爐帽處、耳軸上部、耳軸下部和渣線部位。

1.3 實驗研究方法

在濺渣過程中如何有效的利用高速氮氣射流沖擊熔池,使爐渣均勻的濺射于整個轉爐爐襯表面,是濺渣護爐的關鍵技術之一。濺渣效果主要與槍位、氮氣流量、留渣量和頂槍噴孔夾角等因素有關,因此,一般考察的濺渣工藝參數主要包括頂吹氮氣流量、槍位、留渣量、底吹流量、熔渣黏度,以及對氣體射流影響顯著的噴槍結構。

在二煉鋼現有濺渣護爐操作工藝參數基礎上,實驗采用6因素5水平的正交實驗方案,在不考慮各因素交互影響作用的前提下,用L25(56)正交表安排實驗次數,從而確定出各因素對濺渣效果的影響大小,實驗方案見表3所示。

2 實驗結果與討論

利用正交實驗研究方法可以確定槍型、槍位、頂吹氣體流量、底吹氣體流量、留渣量和熔渣黏度等因素對爐型各部位濺渣效果的影響規律。通過對正交實驗結果的分析,可得到五水平下各因素的平均值以及極差,從而分析各濺渣工藝參數對渣線處、耳軸下部、耳軸上部、爐帽處濺渣量的顯著性影響。極差計算結果如表4所示。由表4可見,在實驗選擇的各水平下,槍位、頂吹氮氣流量、留渣量和熔渣黏度對渣線濺渣量影響最大,底吹流量和槍型對渣線濺渣量的影響較小。對耳軸下部濺渣量影響最大的因素為留渣量、槍位和頂吹氮氣流量,而槍型、底吹流量和熔體黏度對耳軸下濺渣量的影響較小。對耳軸上部的濺渣量影響最大的因素包括槍位和留渣量,而槍型、底吹流量、頂吹流量和熔體黏度對耳軸上濺渣量的影響較小。對于爐帽處濺渣量影響最大的因素為槍型、底吹流量、留渣量和熔渣黏度,而頂吹流量、槍位對爐帽處濺渣量的影響較小。

表3 正交實驗各因素水平

表4 正交實驗極差

2.1 顯著性影響因素對渣線處濺渣量的影響

顯著性影響因素對渣線處濺渣量的影響如圖2所示。圖2(a)所示,低槍位操作時,提升槍位,渣線濺渣量逐漸增加。當濺渣槍位提升到最佳槍位90mm(即實際槍位1m)時,渣線濺渣量達到最大值;進一步提高槍位,濺渣量明顯下降。圖2(b)所示,隨著氮氣流量的增加,射流對熔池的沖擊加強,作用于爐渣的能量增加,尤其是對于熔池的浪涌濺渣更為有利,因此,渣線濺渣量隨之增加。當氮氣流量過大時,對熔渣的沖擊過強,甚至穿透熔渣,射流傳遞給熔渣的能量將降低,從而削弱了渣線濺渣量。圖2(c)所示,留渣量越多,渣線濺渣量越高,但留渣量超過0.0033m3(留渣量為2.5t),繼續增加留渣量并不能顯著提高渣線濺渣量。留渣量超過0.0033m3(留渣量為2.5t)時,射流對熔渣的攪動不足,通過浪涌向渣線的濺渣量又有所降低。圖2 (d)所示,黏度為1.01m Pa?s稀渣的渣線濺渣量最大;而黏度為83.2m Pa?s的稠渣濺渣量最小。在濺渣護爐過程中,希望濺起的爐渣在高溫下流動性好,黏度小,容易濺到爐襯表面;同時希望熔渣溫度降低后,熔渣黏度能快速上升,從而利于熔渣黏附于爐襯表面。

2.2 顯著性影響因素對耳軸下部濺渣量的影響

各顯著影響因素對耳軸下部濺渣量的影響如圖3所示。由圖3(a)可見,槍位對耳軸下部濺渣量的影響顯著,隨著槍位提升(在所選水平內),射流對熔渣的沖擊動能降低,而將有更多射流動能轉化為渣滴動能,從而強化噴射濺渣動能,因此提升槍位更有利于爐襯位置較高處的濺渣。而槍位高于90 mm(實際槍位1m)以后,由于對提高渣線濺渣量的影響較小,為了提高耳軸下部濺渣量,應當盡量將槍位提升到90mm以上。由圖3(b)可見頂吹氣體流量低于54Nm3/h時,耳軸下部的濺渣量隨頂吹氣體流量的增加而迅速增加;頂吹氣體流量高于54Nm3/h后,頂吹流量對耳軸下濺渣量的影響較小,甚至可能降低濺渣量。由圖3(c)可見,留渣量對耳軸下部濺渣量影響顯著,留渣量由0.001m3提高到0.0039 m3(實際渣量分別為1t和3t),耳軸處濺渣量可增加5倍,因此為了提高耳軸和爐帽處的濺渣量,應盡量提高留渣量。

圖3 顯著影響因素對耳軸下部濺渣量的影響曲線

2.3 顯著性影響因素對耳軸上部濺渣量的影響

顯著性影響因素對耳軸上部濺渣量的影響如圖4所示。由圖4(a)可見,隨著槍位的提高(在所選的水平內),耳軸上部的濺渣量增加,槍位在110mm時(即實際槍位在1150 mm時),濺渣量達到最大值。綜合考慮渣線濺渣量,槍位應控制在90～110mm之間(即1000～1150 mm)時濺渣效果最佳。由圖4(b)可見,隨著留渣量的增加,耳軸上部的濺渣量呈逐步增加趨勢,其與耳軸下部濺渣量的趨勢相似。

圖4 顯著影響因素對耳軸上部濺渣量的影響曲線

2.4 顯著性影響因素對爐帽處濺渣量的影響

顯著性影響因素對爐帽處濺渣量的影響如圖5所示。由圖5(a)可見,四孔氧槍更有利于爐帽等高位置爐襯處的濺渣,濺渣量都要高于其它兩種槍型。與四孔變角和四孔相比,五孔氧槍對熔池的沖擊深度最大,沖擊面積最小,其沖擊動能大部分都轉化為浪涌濺渣的能量,五孔氧槍的濺渣量明顯隨濺渣高度的增加而降低,對爐帽處的濺渣則低于四孔變角。由圖5(b)可見,底吹對爐帽部位濺渣量影響不是很大,但從濺渣效果來看,底吹作用是改變渣滴的濺出方向,提高了濺渣分布的均勻性。圖5(c)可見,留渣量低于0.0026 m3(實際渣量為2t)時,隨著留渣量的增加,爐帽處濺渣量可顯著增加;留渣量高于0.0026 m3時,進一步提高留渣量則不會顯著提高爐帽處的濺渣量。圖5(d)可見,與黏度對渣線處濺渣量影響有所不同,隨著熔渣黏度增加,由浪涌濺渣為主導的渣線濺渣量急劇下降,而由噴射濺渣引起的耳軸和爐帽等高處的濺渣量并沒有明顯減少。與稀渣相比,盡管正常渣向耳軸和爐帽的濺渣量都有大幅度下降;但與正常渣相比,稠渣向爐帽處的濺渣量更高,基本與稀渣向該處的濺渣量持平,甚至有所增加。因此為了提高耳軸和爐帽等高處濺渣量,應盡量提高爐渣黏度,這樣不僅有利于濺起的熔渣黏附于爐襯表面,而且更有利于該渣向耳軸上和爐帽處濺渣。

圖5 顯著影響因素對爐帽處濺渣量的影響曲線

3 結 論

根據唐鋼現有的濺渣護爐工藝條件,爐齡最低可達13000爐,最高達到23000爐,應用四孔變角氧槍對濺渣的影響較小。結合現場單一氧槍冶煉、濺渣的現狀,對濺渣護爐的影響性規律進行了正交實驗研究并結合冶煉水模擬實驗研究結果[4],得出以下結論:

(1)四孔變角氧槍對爐帽處濺渣量較四孔氧槍有所下降,但對整體濺渣濺渣效果影響不大。

(2)濺渣槍位應控制在90～110 mm(實際槍位1 m～1.15 m之間)時,濺渣效果達到最佳,為了提高耳軸和爐帽處濺渣量,可進一步提高槍位。

(3)頂吹氣體流量控制為54Nm3/h(實際氮氣流量14000Nm3/h),可提高各處濺渣量,濺渣總量可達到留渣量的86.15%。

(4)留渣量控制在0.0033m3(即實際留渣量為2.5 t)以內為宜,進一步提高留渣量不會有明顯的濺渣效果。

(5)熔渣黏度低時,有利于通過浪涌向渣線濺渣,但黏附于爐襯的渣量相對較少;熔渣黏度高時,有利于通過噴射向耳軸和爐帽處濺渣,同時有利于熔渣快速粘結在爐襯表面。

(6)底吹流量對各處濺渣量影響相對較弱,綜合考慮各處濺渣量,建議采用1.72Nm3/h(實際底吹流量320 Nm3/h)的底吹流量配合頂槍濺渣。

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