鋼包底吹氬均混時間及臨界流量水模型實驗

劉中秋，李林敏，曹茂雪，李寶寬

(1. 東北大學冶金學院，沈陽110819；2. 武漢科技大學耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢430081)

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鋼包底吹氬均混時間及臨界流量水模型實驗

劉中秋1,2，李林敏1，曹茂雪1，李寶寬1

(1. 東北大學冶金學院，沈陽110819；2. 武漢科技大學耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢430081)

針對鋼包底吹氬工藝，通過改變透氣磚數量、單透氣磚吹氣位置、雙透氣磚夾角、噴吹氣體流量、渣厚等參數，對鋼包的均混時間進行了水模型實驗研究.提出臨界流量的概念，發現吹氣量超過臨界流量后均混時間明顯減小.結果表明：單透氣磚噴吹時，相同吹氣量下偏心噴吹時的均混時間比中心噴吹時短，臨界流量小；雙透氣磚噴吹時，透氣磚夾角越大，均混時間越短，臨界流量越小.

鋼包；均混時間；臨界流量；水模型實驗

爐外精煉是指在特定的包括真空和各種氣氛條件下進行脫氧、脫硫、去除雜質、調整成分、夾雜物變性、控制和均勻鋼水溫度等的冶金過程.隨著冶金技術的發展，對鋼冶煉中溫度和成分的控制精度要求越來越高，爐外精煉技術已成為高品質鋼生產過程中必不可少的冶金工藝之一.

本文采用水模型實驗對鋼包底吹氬工藝過程進行研究，提出“臨界流量”的概念.揭示了吹氣位置、透氣磚個數和渣厚對臨界流量的影響規律.

1 實驗原理及方法

進行底吹鋼包水模型實驗要保證幾何相似和動力相似.本實驗模型與原型(40 t鋼包)的幾何相似比λ取值為 1∶3，建立底吹鋼包的物理模型，原型及模型尺寸見表1.引起底吹鋼包系統內部流動的主要作用力為氣泡的浮力，實驗中通過保證模型與原型的Froude(Fr)數相等來滿足動力學相似.目前主要有三種保證動力相似的氣體流量轉換方法.方法1：利用式(1)進行轉換，這是最早出現的研究方法，但是經過不斷地研究發現，該方法的準確性較低.方法2：利用修正的Frm數式(2)轉換，與方法1相比，這種方法的準確性有了很大提高，是當前普遍采用的方法.方法3[13]：利用無量綱數G進行轉換，它是最新得到的流量轉換方法，其來源是對修正的Frm數進行了再次修正.該方法的最大特點是采用氣泡羽狀區形成時的速度作為特征速度，利用這一轉換方法得到的實驗數據與前人結果吻合較好.

(1)

(2)

(3)

式中，U為氣體特征速度；g為重力加速度；L為特征長度；ρg為氣體密度；ρl為液體密度；U0=Q/A0為初始氣體速度，Q為體積流量，A0為透氣磚進氣口面積；H為熔池深度.

本文采用無量綱數G滿足動力相似，模型(m)與原型(p)的氣體流量換算關系可以由氣相無量綱數相等得到，即Gm=Gp，整理可得：

(4)

由于實際煉鋼過程中，氣體進入鋼包前存在一定的壓力變化，且進入鋼包后由于溫度升高，使得氣體體積迅速增大.由標準狀況到鋼包充氣口的變化過程為升溫升壓的過程，可由下式進行描述：

(5)

式中，Tp、T0分別為鋼水溫度和室溫；QAr為標準狀況下氬氣氣體流量；P0、Pp分別為標準大氣壓下和鋼包充氣口壓力，其中Pp=P0+ρstgh.

最后獲得水模型與原型之間的氣體流量關系為：

QN2=0.011QAr

(6)

得到水模型流量與原型實際流量關系見表2.

采用透明有機玻璃和鋼結構支架做主體材料，建立鋼包水模型實驗系統.整個系統包括鋼包、鋼結構底座、多孔透氣磚、儲氣瓶、電導率儀、計算機等.其中鋼結構底座可以實現單透氣磚偏心距調節和雙透氣磚夾角的調節.實驗系統如圖1所示.

表1 鋼包結構參數

表2 水模型流量與原型實際流量

圖1 實驗系統示意圖

2 均混時間實驗

現行的底吹鋼包模型實驗中，對均混時間的測量都是通過測量溶液電導率或者pH值變化來間接得到均混時間的數值.本文采用間接的“刺激—響應法”來測量均混時間.選取兩個最難混合的位置進行測量，兩個電極探頭沿模型底部透氣磚所在直徑放置，深入模型底部，并靠近壁面.其中離透氣磚較近的測量點稱為近測點(測點1)；反之，稱為遠測點(測點2)，如圖2所示.

圖2 均混時間電極測點位置

圖3 單透氣磚實驗均混時間測量結果

實驗中為確保所得均混時間的準確性，每次實驗連續進行五次測量，并取平均值.圖3所示為單透氣磚不同位置所得的均混時間大小.由圖可知，隨著吹氣量的增加，均混時間呈現減小的趨勢，但中心噴吹時(0R)流動不穩定，均混時間波動性較大.對比不同吹氣位置的結果發現，相同吹氣量下，偏心噴吹時(0.67R)的均混時間更短.對比遠、近兩個測點的數據顯示，遠測點2的均混時間要小于近測點1的結果.根據鋼包均混時間原理，以混勻最慢的點作為鋼包的均混時間.因此，選取距離透氣磚較近的測量點(測點1)所得結果作為單透氣磚噴吹時的均混時間.

圖4 雙透氣磚實驗均混時間測量結果

對于雙透氣磚鋼包而言，不同透氣磚夾角時，噴吹氣體在鋼包內所形成的流動有一定差異，當夾角很小時，兩股氣流相互碰撞可能會消耗掉部分能量，影響流動速度；而夾角增大時，可以避免或減小氣流的沖撞作用.這表明透氣磚夾角對均混時間的影響不可忽略.圖4所示為雙透氣磚不同夾角所得的均混時間大小.圖中顯示，不論噴吹夾角多大，隨著流量的增大，均混時間都呈現出減小趨勢.這說明在一定范圍內增大氣體流量可以提高鋼包的攪拌效率，減小均混時間.對比不同夾角的數據發現，透氣磚夾角為180°時的均混時間要短于夾角為60°時的均混時間，即均混時間隨著透氣磚夾角的增大有減小趨勢.雖然雙透氣磚噴吹夾角有所不同，但是平均值的變化趨勢都顯示出近測點1要略大于遠測點2所得均混時間.因此，仍將近測點1所得均混時間作為雙透氣磚鋼包的均混時間.

3 臨界流量

在鋼包底吹工藝中，吹氣可以實現多個目的.例如：促進鋼水溫度及成分均勻，排除鋼包內部夾雜物，促進脫硫、脫碳、脫磷等反應的進行等.要達到這些目的需要采用不同的流量，低流量主要用來均勻溫度及成分、排除夾雜物；高流量主要用來促進脫硫和脫碳等反應的進行.因此，需要找到一個臨界流量去界定低流量和高流量，從而實現鋼包的精確控制，提高鋼包效率.

在實際生產過程中很難通過鋼液的變化去衡量臨界流量，但是鋼包頂部渣層的存在為選取臨界流量提供了條件.低流量時主要為了均勻溫度及成分、排除夾雜物，則不應讓渣眼持續存在，因為渣眼的存在會消耗很大的能量，且會引起卷渣.因此，可以通過渣眼的變化去衡量臨界流量.當某一吹氣條件下，渣眼處于“時開時合”狀態，即氣體流量不能完全支持渣眼的存在，稱這一吹氣流量為“臨界流量”.高于臨界流量時，渣眼將持續存在；低于臨界流量時，渣眼基本不存在.臨界流量下渣眼的變化形態如圖5所示.

圖5 臨界流量下渣眼的變化形態

圖6給出了單透氣磚實驗下吹氣流量對均混時間的影響.對于不同偏心距下的噴吹實驗，臨界流量均在60 L/h附近.結果發現，小于臨界流量時，均混時間減小趨勢較平緩；當流量超過臨界流量時，均混時間先是急劇下降，之后減小趨勢變得平緩.對于均混時間由急劇下降變為相對平緩的階段，主要原因為流量較小(大于臨界流量)時，部分能量開始作用于渣眼，但是初始階段這部分能量占總能量的比重較小，所以呈現出一段均混時間急劇下降的過程，流量繼續增大時，維持渣眼形態所耗費的能量占總能量比重增大，攪拌作用減弱，使得均混時間下降趨勢變平緩.

圖6 吹氣流量對均混時間的影響

圖7 單透氣磚不同位置及渣厚下的臨界流量

圖8 雙透氣磚不同夾角及渣厚下的臨界流量

在單透氣磚噴吹實驗過程中，研究了 0 R、0.5 R及0.67 R三個不同位置和20、30、40及 50 mm 四個不同渣厚下的臨界流量.所得不同位置和渣厚的臨界流量結果見圖7.由圖可知，臨界流量與渣厚成正比，且渣厚越大時，臨界流量增大幅度越明顯.因為渣厚增大時，吹動渣層所需要的能量就隨之增大.從吹氣位置來看，相同渣厚下中心噴吹時(0 R)所需臨界流量大于偏心噴吹，且吹氣位置越靠外，臨界流量越小，即臨界流量 0.67 R<0.5 R<0 R .中心噴吹時，氣體對渣層的作用面積較大，這就需要更多的能量去攪動渣層；而偏心噴吹時，由于靠近壁面使得氣體對渣層的作用面積相對較小，其所需能量較中心噴吹小，使得偏心噴吹時的臨界流量略小于中心噴吹.

圖8示出了雙透氣磚實驗條件下的臨界流量測量結果.結果發現，隨著渣厚的增大，不論透氣磚夾角多大，其臨界流量都呈現增大趨勢.且渣厚由 20 mm 增加到 30 mm 時，不同夾角的臨界流量整體差距增大；而渣厚繼續增加時，這一差距又有一定的減小.在相同渣厚條件下，隨著透氣磚夾角的增大，臨界流量逐漸減小.實驗過程中發現，當夾角較小時，兩股氣流會有部分的沖撞，而這一沖撞可能會導致氣體的能量降低，所以需要更大的流量去吹動渣層，使得臨界流量增大；而夾角足夠大時，兩股氣流無法沖撞，所以臨界流量相對較小.

4 結 論

(1)對于底吹鋼包均混時間的測量，應選取距離透氣磚較近的測量點(測點1)所得結果作為底吹鋼包的均混時間.

(2)不論單透氣磚還是雙透氣磚吹氣，均混時間都隨著吹氣流量的增大而減小.小于臨界流量時，均混時間減小趨勢較平緩；當流量超過臨界流量時，均混時間先是急劇下降，之后減小趨勢變得平緩.

(3)單透氣磚噴吹時，相同吹氣量下偏心噴吹時(0.67R)的均混時間比中心噴吹時短；且中心噴吹時流動不穩定，均混時間波動較大.

(4)雙透氣磚噴吹時，夾角為180°時，其均混時間相對較短；夾角為60°時，兩股氣柱相互影響，使得均混時間較長.

(5)單透氣磚噴吹時，吹氣位置越靠近壁面，臨界流量越小；雙透氣磚噴吹時，透氣磚夾角越大，臨界流量越小.

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Water model of mixing time and critical flow rate in a gas-stirred ladle

Liu Zhongqiu1,2, Li Linmin1, Cao Maoxue1, Li Baokuan1

(1. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China;2. The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, 430081, China)

In view of the ladle bottom argon blowing process, the mixing time was studied by changing the number of nozzles, position of single nozzle, angle between double nozzles, gas flow rate and thickness of slag layer in a water model experiment. A concept of critical gas flow was proposed. It was found that the mixing time decreases obviously when the gas flow rate is above the critical one. The result showed that when a single nozzle is used, the mixing time with the gas eccentric injection is shorter than with the gas center injection under the same gas flow rate, and the critical flow rate is smaller. When the double nozzles were used, the mixing time is shorter while the angle between nozzles increases and the critical flow rate is smaller.

ladle; mixing time; critical flow rate; water model experiment

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.004

TF 777

A

1671-6620(2016)03-0176-05