南鋼精煉鋼包吹氬工藝水模實驗研究

胡道峰，陳 敏

(南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

南鋼精煉鋼包吹氬工藝水模實驗研究

胡道峰1，陳 敏2

(南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

以南鋼 (南京鋼鐵股份有限公司)30 t精煉鋼包為原型，在相似原理的基礎上，通過水模型實驗對鋼包不同吹氬位置的合理性進行了研究.結果表明:采用單孔底吹時，最佳位置在距鋼包底部中心0.55 R處.同時通過頂渣實驗和喂絲點位置優化實驗，確定了合適的吹氬量和合適的喂絲點位置，研究結果為優化吹氬工藝提供了依據.

LF精煉;底吹氬;水力學模型;均混時間

LF精煉是一種集吹氬攪拌、埋弧加熱、還原氣氛及白渣精煉為一體的爐外精煉方法.其中，鋼包底部吹氬攪拌的均混效果直接影響整個LF的精煉效果［1～3］.

鋼包吹氬是一種操作簡單、精煉效果好的爐外精煉技術，在煉鋼生產中得到了廣泛的應用.它既可以單獨使用，也可以與其他精煉手段結合，完成鋼液的合金化、混勻，促進夾雜物上浮等，提高鋼液質量［4～6］.

南鋼(南京鋼鐵股份有限公司)30 t LF的主要技術參數如表1所示.為改善精煉效果，本文以南鋼30 t LF為原型，采用物理模擬的方法對單孔和雙孔位置進行優化研究，并進行了卷渣以及最佳喂絲點位置的實驗，從而為改善南鋼吹氬工藝提供理論依據.

表1 LF的主要技術參數Table 1 Main technology parameters of LF

1 實驗原理

1.1 幾何相似

用有機玻璃模型模擬鋼包的尺寸，幾何相似是模型和原型的主要尺寸的對應成比例，本試驗采用模型和原型比為0.74.

1.2 物理相似

以物理相似原理來模擬鋼液和渣液等介質，用水來模擬鋼液，用菜油模擬渣液，用壓縮空氣模擬氬氣.

用塑料粒子(密度為1.1 g·cm－3，粒徑﹤2 mm)的加入來觀察鋼包內鋼液的流動情況和合金運動情況以及有無死區的存在.

1.3 動力相似

對鋼包吹氬來說，引起體系內流動的動力主要是氣泡浮力而不是湍流的黏性力［8～10］，因此保證模型與原型的決定性準數——修正弗魯德準數相等，就可保證動力相似，即

2 實驗裝置和方法

2.1 實驗裝置

具體實驗裝置示意圖見圖1.在鋼包底部不同位置安裝電導電極，在鋼包上部正中央位置加入示蹤劑(飽和食鹽水)，分別測定示蹤劑到達各個測點的時間，據此評價鋼包內部的混勻效果.

圖1 水模型實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of LF water model experiment device

2.2 原型和模型參數的對比

表2和表3分別給出了原型與模型的主要物理參數以及氣體流量的對應關系.

表2 原型與模型鋼包幾何參數Table 2 Geometrical parameters of model and prototype

表3 原型與模型鋼包底吹氣量對應關系Table 3 Relationship of bottom gas flow rate between model and prototype

3 結果與討論

3.1 底吹布置方式對均混效果的影響

(1)單孔底吹

鋼包偏心單吹時理想的透氣磚位置是距離鋼包中心0.5 R～0.575 R(R為鋼包包底半徑)處［7］，將這個區間分為 4 個點(0.5 R、0.525 R 、0.55 R、0.575 R)，通過測定每個點刺激響應時間來得到混勻時間如圖2所示.

從圖2可以看出，單孔底吹條件下，0.55 R時均混時間最短，可認為是最佳方案.當供氣量從130 L/h增加到780 L/h時，混勻時間急劇下降，此后繼續增大吹氣量時，混勻時間幾乎沒有什么變化.因此，在單孔底吹條件下，最佳供氣量為780 L/h.

(2)雙孔底吹

在單孔實驗的基礎上，確定雙孔方案，分別取(0.5 R，94(°))、(0.525 R，112(°))、(0.55 R，60(°))、(0.575 R，90(°))、(0.575 R，112(°))進行實驗，測得混勻時間如圖3所示.

圖4 單、雙孔混勻時間的比較Fig.4 Comparison of mixing time between the single and double tuyers

從圖中可以看出，雙孔底吹條件下，吹氣量小于520 L/h 時，(0.525 R，112(°))混勻時間最短;吹氣量大于520 L/h時，(0.55 R，60(°))混勻時間最短.考慮到雙孔吹氣主要是用于合金化，所以吹氣量一般應在520 L/h以上，所以確定雙孔最佳方案為(0.55 R，60(°)).

(3)單、雙孔方案比較

圖4是單吹(0.55 R)和雙吹(0.55 R，60(°))在不同吹氣量下的混勻時間比較.從圖中可以明顯看出，單吹0.55 R和雙吹(0.55 R，60(°))的混勻時間基本相同，單孔混勻時間有時甚至短于雙孔混勻時間.因此可以認為，在實際生產條件下采取單孔供氣即可滿足生產需要.

3.2 卷渣實驗

在以上的最佳吹氣孔位置情況下，向鋼包內加入菜子油對卷混情況進行模擬，從而找出臨界卷混供氣量.

實驗結果表明，單吹0.55 R情況下，卷渣的臨界氣量為650 L/h.弱攪拌情況下，吹氣量應在130～520 L/h之間選擇;脫氧合金化階段吹氣量應在780～1 040 L/h之間進行選擇.

雙吹(0.55 R，60(°))情況下，卷渣臨界氣量為390 L/h.弱攪拌情況下，吹氣量應在130～260 L/h之間選擇;脫氧合金化階段吹氣量應在390～780 L/h之間選擇.

3.3 喂絲點優化

本試驗喂絲點的選取見圖5，以最優雙孔連線做垂直平分線，在平分線的左邊每隔30(°)，并且距離中心每200 mm圓周上選取不同的15個點.采用導管將飽和食鹽水加入到液面下600 mm，吹氣量固定在780 L/h的條件下測定混勻時間.

圖5 喂絲點方案示意圖Fig.5 The experimental plan of the feeds point

圖6是不同喂線點的混勻時間測定結果.從圖中可以看出，采用單吹和雙孔底吹時，7號點混勻時間最短，因此可認為是最佳喂絲點.

圖6 不同喂絲點與混勻時間關系圖Fig.6 Relationship between different feeding position and mixing time

4 結論

通過對南鋼30 t鋼包吹氬工藝進行水模擬實驗，得出如下結論:

(1)在單孔底吹氬條件下，當底透氣磚布置在距鋼包底中心0.55 R處時，混勻時間最短，且流場穩定.

(2)實驗測得單孔和雙孔的混勻時間相差不大，因此建議采用單孔供氣方式.

(3)在弱攪拌情況下，吹氣量應在130～520 L/h之間，對應現場方案10～40 L/min;脫氧合金化階段吹氣量應在650～1 040 L/h之間，對應現場方案50～80 L/min.

(4)喂絲點位置應選擇在圖6中吹氬孔附近的7號點.

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Study on bottom argon blowing technology of ladle furnace in Nanjing－steel LF by water model experiment

HU Dao-feng1，CHEN Min2

(1.Nanjing Iron and Steel Co.Ltd，Nanjing 210035，China;2.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The bottom argon blowing technology was studied by water model experiment based on the prototype of 30 t ladle furnace in Nanjing Iron＆Steel Company according to similarity principle.The results showed that the optimal location was on 0.55 R while single tuyer was applied.Meanwhile，the proper flow rate of bottom blowing argon and position of feeding wire were also determined.The results provided a theoretic basis for modification of bottom argon blowing technology.

LF refining;bottom argon blowing;water model;mixing time

TF 769.2

A

1671-6620(2011)03-0168-04

2011-05-30.

國家自然科學基金資助項目 (51074039)

胡道峰(1965—)，男，江蘇沭陽人，高級工程師，E－mail:df5170@126.com;陳敏 (1969—)，男，河北遷安人，東北大學教授，博士生導師