100 t 頂底側吹轉爐熔池混勻行為

鐘良才，周小賓，朱英雄，陳伯瑜，黃標彩，曾興富

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004;2.福建三鋼集團公司，福建 三明 365000）

100 t 頂底側吹轉爐熔池混勻行為

鐘良才1，周小賓1，朱英雄1，陳伯瑜2，黃標彩2，曾興富2

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004;2.福建三鋼集團公司，福建 三明 365000）

在實驗室建立了100 t頂底側吹轉爐模型，研究了側吹槍的直徑、側吹位置、側吹氣量和底吹氣量對轉爐熔池混勻時間的影響.結果表明，采用側吹技術可以顯著降低頂底復吹轉爐熔池的混勻時間;當側吹氣量小時，小直徑的側吹槍有利于降低熔池混勻時間;本研究的側吹位置對熔池混勻時間影響不顯著;存在一個臨界側吹氣量，當側吹氣量小于臨界氣量時，隨側吹氣量增加，熔池混勻時間顯著下降;當側吹氣量大于臨界氣量時，隨側吹氣量增加，熔池混勻時間下降不顯著.在小的側吹氣量范圍，大的底吹氣量有助于降低熔池混勻時間.

頂底側吹轉爐;熔池混勻時間;物理模擬

東北大學與福建三鋼集團公司合作，成功開發了 30 t頂底側吹轉爐煉鋼新技術［1，2］.頂底側吹轉爐煉鋼技術工業應用實驗的結果表明，由于增加了側吹槍，吹入能夠驅使鋼液產生明顯水平流動的氣流，強化了轉爐熔池的攪拌，降低了熔池的氧化性，可以降低金屬料消耗量和氧氣消耗量，提高吹煉終點鋼水殘錳量，降低終點鋼水的碳氧濃度積，提高了合金收得率.同時頂底側吹轉爐可以改善了渣－金和氣－金反應，提高了脫磷效果和脫碳速度，降低了石灰消耗量.

30 t頂底側吹轉爐煉鋼工業應用實驗取得的成功后，決定將該技術應用到100 t轉爐中.因此，首先在實驗室進行100 t頂底側吹轉爐煉鋼的物理模擬實驗，研究100 t頂底側吹轉爐側吹槍的直徑、側吹位置、側吹氣量和底吹氣量對轉爐熔池混勻時間的影響.

1 實驗方法

本實驗采用近似模擬的研究方法［3］，用水來模擬鋼液，用壓縮空氣模擬頂吹、底吹和側吹氣體來進行冷態實驗.模型轉爐與原型轉爐的幾何相似比為1:8.5，在幾何相似的條件下，采用修正Froude準數為主要相似準數.當原型與模型的修正Froude準數相等時，原型與模型的流體動力相似［4］.則由原型轉爐的供氣流量Qp，利用下式

可以計算出模型轉爐的供氣流量Qm.式中，L為特征尺寸;ρ為密度;下標l、g分別代表液體和氣體;下標p、m分別代表原型和模型.

冷態模擬實驗裝置如圖1所示.氣體經空壓機、儲氣罐、穩壓罐送入各自管路上的閥門、轉子流量計后，經各自的管道，通過氧搶、底槍和側槍吹入轉爐中.用3支電導電極和3臺電導率儀同時測定轉爐熔池中加入的示蹤劑濃度隨時間的變化，得到的電信號通過數據采集系統送入計算機記錄和處理計算后得到每次實驗條件的熔池混勻時間.

在模型轉爐熔池側壁圓周的不同位置上，分上下兩排分別各設置4支側吹槍的安裝位置，編號為1#～8#，上面一排的側吹槍位置編號為1#、3#、5#、7#，下面一排的側吹槍位置編號為 2#、4#、6#、8#.實驗中采用其中的兩支側吹槍組合吹入側吹氣體.爐底安裝有6支底槍.

本實驗采用NaCl溶液作為示蹤劑.加入示蹤劑前，需要向轉爐熔池吹入氣體攪拌1min，熔池的流體流動達到穩定態后，再通過玻璃管向熔池加入示蹤劑.同時開始計時，等示蹤劑在轉爐熔池混勻后，結束實驗.利用計算機軟件計算得到本次實驗的混勻時間，每組實驗條件的實驗重復2次以上，由重復實驗得到的混勻時間計算該實驗條件的平均混勻時間.

圖1 物理模擬實驗裝置Fig.1 Experimentalapparatus in the physicalmodeling

2 實驗結果與分析

圖2為頂底復吹時測定轉爐熔池混勻時間的典型曲線，由圖可以看出，在頂吹氣體流量（本文中的氣體流量，都是指標準態下的體積）QT=40 m3/h、底氣流量QB=1.05 m3/h和頂槍槍位hL=188 mm時，頂底復吹轉爐熔池的混勻時間為41 s.

采用孔徑為1.0 mm 的側吹槍，在1#、2#、5#、6#的側吹位置，頂槍槍位為188 mm，頂氣流量為40.0 m3/h，底氣流量為1.05m3/h，進行頂底側吹實驗.實驗測定的熔池混勻時間如圖3所示.從圖3可知，在此實驗條件下，對于所研究的不同的兩支側槍組合，當側吹氣體流量小于1.32 m3/h時，隨側吹氣體流量的增加，轉爐熔池的混勻時間隨之下降較快;當側吹氣體流量大于1.32 m3/h時，隨側吹氣體流量的增加，轉爐熔池的混勻時間下降較慢.這表明在低的側吹氣體流量范圍，隨側吹氣體流量增加，熔池的水平攪拌作用逐漸增強，使熔池的混勻時間隨之下降;而當側吹氣體流量超過1.32 m3/h后，側吹氣體的水平攪拌作用已足夠大，再增加側吹氣體流量，對熔池的攪拌混勻影響很小.從實驗結果可知，對于2#6#和2#5#組合的側吹位置要優于1#5#，當側吹氣體流量大于3.26 m3/h后，熔池的混勻時間在12～13 s之間.

圖4為不同的側吹位置組合，采用直徑為1.2 mm的側槍在相同的吹煉工藝條件下進行實驗的混勻時間.由圖可知，在小的側吹氣體流量時，混勻時間隨側吹氣體流量增加而降低，在大的側吹氣體流量范圍，混勻時間變化不大，而且各側吹位置的混勻時間相差不大.但是，由于側吹氣體的流通面積增加，這時需要較大的臨界側吹氣體流量才能使熔池的混勻時間不隨側吹氣體流量變化，本實驗條件下，該臨界側吹氣體流量為1.97 m3/h.當側吹氣體流量超過1.97 m3/h時，熔池的混勻時間也能夠降低到13 s以下.應注意的是，在小的側吹氣量時，熔池的混勻時間較大長，與復吹轉爐相當或略大于復吹轉爐的混勻時間.

將側吹槍的直徑增加到1.4 mm，在相同的工藝條件下進行實驗，結果如圖5所示.由圖可知，其混勻時間的變化規律與直徑為1.2 mm的側吹槍相同，臨界氣體流量也為1.97 m3/h.同樣在小的側吹氣量時，熔池的混勻時間較長，與復吹轉爐相當或略長于復吹轉爐的混勻時間.

比較圖3，4，5可知，在小的側吹氣量時，采用小直徑的側吹槍，有利于降低轉爐熔池的混勻時間.

圖6為1.2 mm直徑的側吹槍在4#7#側吹位置時，固定頂吹氣體流量為40 m3/h，氧槍槍位為188 mm，采用不同的底吹和側吹氣量進行實驗得到的熔池混勻時間.由圖可知，當側吹氣體流量大于1.97 m3/h時，側吹氣體和底吹氣體流量對混勻時間的影響較小;當側吹氣體流量小于1.32 m3/h時，側吹氣體和底吹氣體流量對混勻時間的影響較大.在小的側吹氣量下，大的底吹氣量有利于降低熔池的混勻時間.

圖6 4#和7#側吹槍組合在不同的側吹和底吹氣量下的混勻時間Fig.6 Mixing time at different side and bottom purging gas flow rates w ith 4#and 7#side nozzles

3 結論

通過對100 t頂底側吹轉爐熔池混勻行為進行物理模擬研究，可以得到以下結論.

（1）采用側吹技術，可以顯著降低頂底復吹轉爐熔池的混勻時間，本研究中，頂底復吹轉爐熔池的混勻時間為41 s，增加側吹后，可以將轉爐熔池混勻時間降低到10～15 s.

（2）存在一個臨界側吹氣量，當側吹氣量小于臨界氣量時，隨側吹氣量增加，熔池混勻時間顯著下降;當側吹氣量大于臨界氣量時，隨側吹氣量增加，熔池混勻時間下降不顯著.

（3）側吹位置對熔池混勻時間影響不顯著.在小的側吹氣體流量范圍，采用小直徑的側吹槍，有利于降低熔池的混勻時間.

（4）在小的側吹氣量范圍，大的底吹氣量有助于降低熔池混勻時間，在大的側吹氣量下，底吹氣量對熔池混勻時間的影響不顯著.

［1］鐘良才，朱英雄，王星，等.頂底側吹轉爐物理模擬研究［C］//第十五屆全國煉鋼學術會議論文集.廈門:中國金屬學會煉鋼分會，2008:85－89.

（Zhong Liangcai，Zhu Yingxiong，W ang Xing，etal.Study on physicalmodeling of top-bottom-side blown converter［C］//Proceedingsof15th National steelmaking conference.Xiamen:Steelmaking Comm ittee， The Chinese Society for Metals，2008:85 －89.）

［2］陳伯瑜，鐘良才，黃標彩，等.頂底側吹轉爐煉鋼新技術工業實驗［C］//第七屆中國鋼鐵年會論文集.北京:中國金屬學會，2009:296－301.

（Chen Boyu，Zhong Liangcai，Huang Biaocai，et al.Industrial experiment of new steelmaking technology in top-bottom-side blown converter［C］//Proceedings of 2009 CSM Annual Meeting.Beijing:The Chinese Society for Metals，2009:296－301.）

［3］蔡志鵬，梁云，張春霞.化工冶金模型實驗研究及其測試技術［M］.北京:冶金工業出版社，2001:38－39.

（Cai Zhipeng，Liang Yun，Zhang Chunxia.Experiment and research of model in chem ical engineering and metallurgy and measurement techniques［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2001:38 －39.）

［4］ Ajmani S K，Chatterjee A.Cold model study of mixing and mass transfer in LD converters at tata steel［J］.Ironmaking Steelmaking，1996，23（4）:335－345.

Bath m ixing behavior in a 100 t top－bottom－side blown converter

ZHONG Liang-cai1，ZHOU Xiao-bin，ZHU Ying-xiong1，CHEN Bo-yu2，HUANG Biao-cai2，ZENG Xing-fu2
（1.School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.Fujian Sangang Group Co.，Sanm ing 365000，China）

A model for a 100 t top-bottom-side（TBS）blown converter was set up in laboratory and influence of diameter of side nozzle，its position，side purging gas and bottom purging gas flow rates on the bath m ixing time was investigated.The investigation results show that the bath m ixing time can be reduced greatly w ith side purging technique in top and bottom combination blown converter.Small diameter side nozzle is favorable to reduction of the bath m ixing time at lower side gas flow rate.No great influence of side nozzle positionsstudied in this research is found on the bath m ixing time.There is a critical side purging gas flow rate.W hen the side gas flow rate is lower than this critical value，the bath m ixing time decreasesgreatly w ith the increase in side gas flow rtae.W ith the side purging gas flow rate further enhanced beyond the critical，it no longer changes obviously.W ithin low side gas flow rate，large bottom gas ishelpful to lowering the bath m ixing time.

top-bottom-side blown converter;bath m ixing time;physicalmodeling

TF 777

A

1671-6620（2011）04-0241-03

2011-09-16.

國家高技術研究與開發項目 （2007AA04Z194）;福建省科技計劃重點項目 （2008H0018）.

鐘良才 （1958—），男，東北大學教授，廣西鐘山縣人，E－mail:zhonglc@smm.neu.edu.cn;朱英雄 （1940—），男，遼寧大連人，東北大學教授.