100 t 頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐熔池混勻行為

鐘良才，周小賓，朱英雄，陳伯瑜，黃標(biāo)彩，曾興富

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

100 t 頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)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(biāo)彩2，曾興富2

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

在實(shí)驗(yàn)室建立了100 t頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐模型，研究了側(cè)吹槍的直徑、側(cè)吹位置、側(cè)吹氣量和底吹氣量對(duì)轉(zhuǎn)爐熔池混勻時(shí)間的影響.結(jié)果表明，采用側(cè)吹技術(shù)可以顯著降低頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間;當(dāng)側(cè)吹氣量小時(shí)，小直徑的側(cè)吹槍有利于降低熔池混勻時(shí)間;本研究的側(cè)吹位置對(duì)熔池混勻時(shí)間影響不顯著;存在一個(gè)臨界側(cè)吹氣量，當(dāng)側(cè)吹氣量小于臨界氣量時(shí)，隨側(cè)吹氣量增加，熔池混勻時(shí)間顯著下降;當(dāng)側(cè)吹氣量大于臨界氣量時(shí)，隨側(cè)吹氣量增加，熔池混勻時(shí)間下降不顯著.在小的側(cè)吹氣量范圍，大的底吹氣量有助于降低熔池混勻時(shí)間.

頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐;熔池混勻時(shí)間;物理模擬

東北大學(xué)與福建三鋼集團(tuán)公司合作，成功開發(fā)了 30 t頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼新技術(shù)［1，2］.頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，由于增加了側(cè)吹槍，吹入能夠驅(qū)使鋼液產(chǎn)生明顯水平流動(dòng)的氣流，強(qiáng)化了轉(zhuǎn)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(diǎn)鋼水殘錳量，降低終點(diǎn)鋼水的碳氧濃度積，提高了合金收得率.同時(shí)頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐可以改善了渣－金和氣－金反應(yīng)，提高了脫磷效果和脫碳速度，降低了石灰消耗量.

30 t頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)取得的成功后，決定將該技術(shù)應(yīng)用到100 t轉(zhuǎn)爐中.因此，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行100 t頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究100 t頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐側(cè)吹槍的直徑、側(cè)吹位置、側(cè)吹氣量和底吹氣量對(duì)轉(zhuǎn)爐熔池混勻時(shí)間的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用近似模擬的研究方法［3］，用水來(lái)模擬鋼液，用壓縮空氣模擬頂吹、底吹和側(cè)吹氣體來(lái)進(jìn)行冷態(tài)實(shí)驗(yàn).模型轉(zhuǎn)爐與原型轉(zhuǎn)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(zhǔn)數(shù)為主要相似準(zhǔn)數(shù).當(dāng)原型與模型的修正Froude準(zhǔn)數(shù)相等時(shí)，原型與模型的流體動(dòng)力相似［4］.則由原型轉(zhuǎn)爐的供氣流量Qp，利用下式

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

冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.氣體經(jīng)空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、穩(wěn)壓罐送入各自管路上的閥門、轉(zhuǎn)子流量計(jì)后，經(jīng)各自的管道，通過(guò)氧搶、底槍和側(cè)槍吹入轉(zhuǎn)爐中.用3支電導(dǎo)電極和3臺(tái)電導(dǎo)率儀同時(shí)測(cè)定轉(zhuǎn)爐熔池中加入的示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化，得到的電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送入計(jì)算機(jī)記錄和處理計(jì)算后得到每次實(shí)驗(yàn)條件的熔池混勻時(shí)間.

在模型轉(zhuǎn)爐熔池側(cè)壁圓周的不同位置上，分上下兩排分別各設(shè)置4支側(cè)吹槍的安裝位置，編號(hào)為1#～8#，上面一排的側(cè)吹槍位置編號(hào)為1#、3#、5#、7#，下面一排的側(cè)吹槍位置編號(hào)為 2#、4#、6#、8#.實(shí)驗(yàn)中采用其中的兩支側(cè)吹槍組合吹入側(cè)吹氣體.爐底安裝有6支底槍.

本實(shí)驗(yàn)采用NaCl溶液作為示蹤劑.加入示蹤劑前，需要向轉(zhuǎn)爐熔池吹入氣體攪拌1min，熔池的流體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)后，再通過(guò)玻璃管向熔池加入示蹤劑.同時(shí)開始計(jì)時(shí)，等示蹤劑在轉(zhuǎn)爐熔池混勻后，結(jié)束實(shí)驗(yàn).利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算得到本次實(shí)驗(yàn)的混勻時(shí)間，每組實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次以上，由重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的混勻時(shí)間計(jì)算該實(shí)驗(yàn)條件的平均混勻時(shí)間.

圖1 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimentalapparatus in the physicalmodeling

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為頂?shù)讖?fù)吹時(shí)測(cè)定轉(zhuǎn)爐熔池混勻時(shí)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(biāo)準(zhǔn)態(tài)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(shí)，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間為41 s.

采用孔徑為1.0 mm 的側(cè)吹槍，在1#、2#、5#、6#的側(cè)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(jìn)行頂?shù)讉?cè)吹實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)測(cè)定的熔池混勻時(shí)間如圖3所示.從圖3可知，在此實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)于所研究的不同的兩支側(cè)槍組合，當(dāng)側(cè)吹氣體流量小于1.32 m3/h時(shí)，隨側(cè)吹氣體流量的增加，轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間隨之下降較快;當(dāng)側(cè)吹氣體流量大于1.32 m3/h時(shí)，隨側(cè)吹氣體流量的增加，轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間下降較慢.這表明在低的側(cè)吹氣體流量范圍，隨側(cè)吹氣體流量增加，熔池的水平攪拌作用逐漸增強(qiáng)，使熔池的混勻時(shí)間隨之下降;而當(dāng)側(cè)吹氣體流量超過(guò)1.32 m3/h后，側(cè)吹氣體的水平攪拌作用已足夠大，再增加側(cè)吹氣體流量，對(duì)熔池的攪拌混勻影響很小.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于2#6#和2#5#組合的側(cè)吹位置要優(yōu)于1#5#，當(dāng)側(cè)吹氣體流量大于3.26 m3/h后，熔池的混勻時(shí)間在12～13 s之間.

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

將側(cè)吹槍的直徑增加到1.4 mm，在相同的工藝條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示.由圖可知，其混勻時(shí)間的變化規(guī)律與直徑為1.2 mm的側(cè)吹槍相同，臨界氣體流量也為1.97 m3/h.同樣在小的側(cè)吹氣量時(shí)，熔池的混勻時(shí)間較長(zhǎng)，與復(fù)吹轉(zhuǎn)爐相當(dāng)或略長(zhǎng)于復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的混勻時(shí)間.

比較圖3，4，5可知，在小的側(cè)吹氣量時(shí)，采用小直徑的側(cè)吹槍，有利于降低轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間.

圖6為1.2 mm直徑的側(cè)吹槍在4#7#側(cè)吹位置時(shí)，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(cè)吹氣量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的熔池混勻時(shí)間.由圖可知，當(dāng)側(cè)吹氣體流量大于1.97 m3/h時(shí)，側(cè)吹氣體和底吹氣體流量對(duì)混勻時(shí)間的影響較小;當(dāng)側(cè)吹氣體流量小于1.32 m3/h時(shí)，側(cè)吹氣體和底吹氣體流量對(duì)混勻時(shí)間的影響較大.在小的側(cè)吹氣量下，大的底吹氣量有利于降低熔池的混勻時(shí)間.

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

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)100 t頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐熔池混勻行為進(jìn)行物理模擬研究，可以得到以下結(jié)論.

（1）采用側(cè)吹技術(shù)，可以顯著降低頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間，本研究中，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時(shí)間為41 s，增加側(cè)吹后，可以將轉(zhuǎn)爐熔池混勻時(shí)間降低到10～15 s.

（2）存在一個(gè)臨界側(cè)吹氣量，當(dāng)側(cè)吹氣量小于臨界氣量時(shí)，隨側(cè)吹氣量增加，熔池混勻時(shí)間顯著下降;當(dāng)側(cè)吹氣量大于臨界氣量時(shí)，隨側(cè)吹氣量增加，熔池混勻時(shí)間下降不顯著.

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

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

［1］鐘良才，朱英雄，王星，等.頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐物理模擬研究［C］//第十五屆全國(guó)煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.廈門:中國(guó)金屬學(xué)會(huì)煉鋼分會(huì)，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(biāo)彩，等.頂?shù)讉?cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼新技術(shù)工業(yè)實(shí)驗(yàn)［C］//第七屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.北京:中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，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(shí)驗(yàn)研究及其測(cè)試技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)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(guó)家高技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目 （2007AA04Z194）;福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目 （2008H0018）.

鐘良才 （1958—），男，東北大學(xué)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(xué)教授.