側吹爐內氣流穿透和攪動行為實驗研究

王書曉,陳學剛,溫 治

(1.北京科技大學能源與環境工程學院,北京 100083;2.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

側吹熔池熔煉技術廣泛應用于鋼鐵冶金和有色冶金領域。側吹熔池熔煉是通過安裝在爐體側墻上的噴嘴向爐內熔池噴入空氣、氧氣、還原劑或燃料,側吹氣體射流迅速攪動熔池進而加速熔池內傳熱、傳質和化學反應的過程。

冶金爐冶煉過程是伴隨復雜化學反應的高溫多相反應體系,直接開展試驗很困難且成本高昂,眾多學者采用水模型實驗和數值模擬方法開展研究。冶金工業大量研究文獻[1-3]充分驗證了水力模型試驗研究的可靠性。魏季和等[4]在120 t AOD 爐水模型裝置上研究了側頂復吹過程中熔池內的混合效果,發現側吹主槍氣量對熔池內的混合效果有決定性作用;劉燕庭等[5]利用不同湍流模型開展模擬研究,發現Realizablek-ε模型得到的數值模擬結果與水模型試驗結果最為接近;李小龍等[6]通過水模型實驗方法模擬研究了側吹煉銅過程中的乳化現象,銅锍和渣的分離由重力和擴散傳質引起;成慰等[7]利用高速攝像機和MATLAB 圖像處理法研究了氣體流量、液體黏度、噴管直徑等對氣泡脫離頻率的影響規律及側吹氣流流動特性。

總體而言,目前側吹氣流穿透距離方面可指導側吹爐設計的研究偏少,而側吹氣流穿透距離和攪動情況,是側吹爐體和噴槍設計中的關鍵指標,影響側吹爐寬度設計和噴槍結構設計。側吹熔池熔煉過程中,熔池溫度很高,且很難直接觀察到冶煉過程中側吹氣流穿透行為,直接進行原型實驗還存在經濟成本高、實施困難、安全風險大等缺點。本文分別以某試驗側吹爐和某冶煉企業實際生產采用的側吹爐為原型,通過水力模型實驗方法研究噴槍浸入熔池距離、噴槍高度、液面高度、噴槍孔徑和氣體流量等因素對側吹氣流穿透距離的影響規律,以及不同氣體流量爐內熔池攪動情況。研究結果可以為側吹爐設計和現場生產實踐提供參考。

1 水力模型實驗

1.1 相似原理

在研究對象上直接進行試驗會受到研究對象尺度、試驗環境、測試手段等限制,從經濟性和可行性方面考慮,常采用模型實驗的方法。如何設計實驗臺以及如何把模型實驗的結果應用到實際中去的理論依據是相似原理。為保證模型中的流動與原型中的流動保持相似,必需遵從相似原理,即需要滿足幾何相似、動力相似和運動相似等相似條件。

本文選用修正的弗勞德準數為相似準數,其表達式見式(2)。

式中:vg為氣流速度,m/s;g為重力加速度,m/s2;d0為氧槍直徑,m;ρg為氣體密度,kg/m3;ρl為液體密度,kg/m3。

在建立水力模型時,根據動力學相似原理,模型中修正的弗勞德準數必須與原型相等,見式(2)。

式中:下標m表示模型參數;下標p表示原型參數;其他字符含義同上。

1.2 模型參數

本文以某試驗爐為原型建立比例為1∶2的圓形側吹爐水模型,研究了單槍噴吹情況下側吹氣流穿透距離的影響因素和影響規律;以某企業實際生產側吹爐為原型建立比例為1∶10 的矩形側吹爐水模型,驗證了水模型研究結論,并研究了多槍噴吹情況下氣流穿透和熔池內攪動情況。側吹爐原型與水模型如圖2所示。原型與模型結構參數、物性參數和操作參數如表1 和表2所示。

表2 原型及模型物性參數和操作參數表

圖1 側吹爐原型與水模型

表1 原型與模型結構參數

2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示,空壓機提供壓縮空氣模擬實際噴吹氣體,儲氣罐穩定氣體流量和壓力;實驗開始之前將水注入水模型至一定液面高度來模擬熔池內一定液面高度的高溫熔體;實驗過程中使用高速攝像機采集實驗數據,隨后利用圖形工作站進行實驗數據處理。

圖2 實驗裝置示意圖

3 結果與討論

3.1 噴槍出口速度對穿透距離的影響

側吹氣流由噴槍射入爐內熔池后,高壓高速氣體動能提供的沖擊力使氣體射流向前穿透一段距離后才開始受浮力作用明顯上浮,這段距離定義為側吹氣流的穿透距離。氣流穿透距離由氣流出口速度決定,改變氣體流量和噴槍孔徑,均會改變噴槍出口氣流速度,進而影響氣體射流穿透距離。流量相同時,噴槍孔徑越小,出口氣流速度越大,氣流穿透距離變大;噴槍孔徑相同時,流量加大,噴槍出口氣流速度也增大,側吹氣流穿透距離變大。

圖3 為不同噴槍出口速度下得到的側吹氣流穿透距離實驗結果。圖3 表明,側吹氣流穿透距離主要與噴槍出口速度有關,噴槍出口速度越大,側吹氣流穿透距離越大。氣流穿透距離與噴槍出口速度的關系表達為式(3)。

圖3 不同噴槍出口速度下的側吹氣流穿透距離

式中:L為氣流穿透距離,mm;V為噴槍出口速度,m/s。

3.2 熔池液面和噴槍高度對穿透距離的影響

側吹爐設計和生產實踐中,部分生產技術人員認為由于熔池靜壓,噴槍高度和熔池液面深度會對側吹氣流穿透距離產生影響。針對此疑問,本文利用單槍圓形側吹爐水模型,研究了熔池液面高度和噴槍高度(即爐底至噴槍孔距離)對側吹氣流穿透距離的影響。在保持其他參數不變的條件下,分別改變熔池液面高度和噴槍高度,不同流量下氣流的穿透距離實驗結果見圖4 和圖5。

圖4 不同液面高度情況下的側吹氣流穿透距離

圖5 不同噴槍高度情況下的側吹氣流穿透距離

由圖4 和圖5 可知,不同熔池液面高度和噴槍高度情況下,側吹氣流穿透距離均隨氣體流量的增加而變大;但是側吹氣流穿透距離并未明顯受到液面高度和噴槍高度變化的影響;相同氣體流量情況下,不同液面高度和噴槍高度時的側吹氣流穿透距離基本相同,相差3%以內。

可見,熔池液面高度和噴槍高度對側吹氣流穿透距離并無明顯影響,側吹氣流穿透距離主要受氣體流量(實踐中為“流速”)的影響。

3.3 噴槍浸入深度對穿透距離的影響

實際生產中,側吹噴槍一般會浸入熔池里一段距離,爐墻內壁面至噴槍出口的這段距離被稱為噴槍浸入深度。浸入深度的主要作用是盡可能減輕高溫火焰和高速氣流對爐墻的沖刷侵蝕。利用單槍圓形水模型,保持噴槍孔徑、噴槍高度和熔池液面高度不變,考察了不同噴槍浸入深度下,不同流量側吹氣流的穿透距離,實驗結果見圖6。

圖6 不同噴槍浸入距離情況下的側吹氣流穿透距離

圖6 表明,噴槍浸入深度相同時,側吹氣流穿透距離隨氣體流量的增加而變長;流量相同時,隨著噴槍浸入深度變長,側吹氣流穿透距離也變長,但側吹氣流穿透距離變化幅度遠小于噴槍浸入深度的變化幅度。

實驗結果表明側吹噴槍浸入深度會影響側吹氣流穿透距離,但影響較小。

3.4 側吹氣流穿透行為與熔池攪動

圖7 和圖8 分別為矩形側吹爐采用雙槍對噴和14 支噴槍噴吹時,不同單槍氣體流量情況下,側吹氣流穿透行為和爐內熔池攪動圖。單槍流量分別為0.71 Nm3/h、1.07 Nm3/h、1.42 Nm3/h,對應14 支噴槍總流量分別為10 Nm3/h、15 Nm3/h 和20 Nm3/h。

圖8 14 支噴槍,不同氣體流量情況下側吹爐內氣流穿透及攪動情況

圖7 表明,雙槍對噴,單槍流量為0.71 Nm3/h時,側吹氣流穿透距離較小,熔池中心處存在攪拌死區,不利于熔池內冶煉反應的充分進行;雙槍對噴,單槍流量為1.07 Nm3/h 和1.42 Nm3/h 時,兩股側吹氣流彎曲段能夠匯聚合攏,匯合攪動使得噴槍位置切面處熔體攪動較為充分,有利于熔池內反應的充分進行。

圖7 雙槍對噴,不同氣體流量情況下側吹爐內氣流穿透及攪動情況

圖8 表明,14 支噴槍噴吹,單槍流量為0.71 Nm3/h 時,側吹氣流對熔池的攪動較不充分,存在較多攪拌死區,不利于熔池內冶煉反應的充分進行;14支噴槍噴吹,單槍流量為1.07 Nm3/h 和1.42 Nm3/h時,側吹氣流能夠對噴槍以上熔體進行充分攪動,但總流量為20 Nm3/h(單槍流量1.42 Nm3/h)時,氣泡密集區較多,導致側吹爐內乳化現象嚴重,控制不當可能會出現較嚴重的泡沫渣。

圖9 為矩形側吹爐原型虹吸出鉛口,以及由虹吸口前方觀察側吹爐水模型14 支噴槍噴吹時的氣流穿透及攪動局部圖。圖8 和圖9 表明,側吹氣流對噴槍以下區域的攪動較弱,側吹爐內噴槍以下熔池處于宏觀安靜區,這有利于渣金分離。需要指出的是,宏觀安靜區并非完全靜止狀態,通過PIV 粒子圖像測試可知,噴槍以下熔體也存在較小的流動速度。

圖9 側吹爐內氣流穿透及攪動局部圖

3.5 模擬結果對實踐設計的指導

根據水模型模擬實驗結果,針對圓形側吹爐和矩形側吹爐的設計可提出如下建議。

1)側吹氣流穿透距離與熔池液面高度、噴槍高度等因素無關,噴槍浸入深度的影響作用不大,因此設計時無需考慮這些因素對氣流穿透和氣流攪動的影響,主要考慮工藝條件。

2)圓形側吹爐水模型,單槍出口截面積約80 mm2、單槍氣量約160 Nm3/h 情況下,側吹氣流穿透距離約540 mm;此外,根據筆者的研究[8],圓形側吹爐噴槍數量建議設置為3 支,可實現對爐體的充分攪動。

3)矩形側吹爐原型條件為單槍流量355 Nm3/h,氣流穿透距離約1 200 mm 情況下,模擬結果表明可對熔池進行充分攪動,有利于爐內反應充分進行;但局部由于現場條件限制,未均勻設置側吹噴槍,由圖9 可知,導致側吹爐側吹氣流對局部區域的熔池攪動非常不充分,因此側吹爐噴槍布置應盡量均衡布置,避免出現大量攪動不充分區域。

4 結論

側吹氣流穿透距離和攪動情況是側吹爐體和噴槍設計中的關鍵數據指標,影響側吹爐寬度設計和噴槍結構設計。本文采用水力模型實驗對噴槍浸入深度、噴槍高度、熔池液面高度、噴槍孔徑和氣體流量等因素對側吹氣流穿透距離和熔池攪動情況的影響進行了研究,得到如下結論。

1)側吹氣流穿透距離與熔池液面高度和噴槍高度的變化無關,側吹噴槍浸入深度影響氣流穿透距離,但影響作用較小,氣流穿透距離變化幅度遠小于噴槍浸入距離的變化幅度。

2)側吹氣流穿透距離主要與氣流出口速度有關,因此噴槍孔徑和氣體流量變化對側吹氣流穿透距離的影響較大,穿透距離隨氣體流量增加而變長,隨噴槍孔徑減小而變長。

3)氣體流量還會影響爐內熔池流動和熔池攪動情況,進而影響熔池內冶煉反應的充分進行。流量較小時,氣流穿透距離較小,熔池中心存在攪拌死區,側吹氣流熔池攪動不充分,不利于熔池內反應的充分進行;流量較大時,側吹氣流能夠對熔池進行充分攪動,但流量太大超過合理值時會導致爐內乳化現象嚴重。

水模型實驗獲得的定性和半定量結果可以為側吹爐設計和優化提供指導建議,滿足工藝條件前提下,通過合理的爐型、噴槍結構及排布設計和氣體流量選擇,有利于側吹爐內形成充分的流動場和攪拌動力場。