彭煜華，朱 榮，魏光升，張官祥，宓 宇

(1.北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院，北京100083；2.北京科技大學 高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室，北京100083)

電弧爐煉鋼以廢鋼鐵為主要生產(chǎn)原料，相比于長流程具有能耗低的優(yōu)勢[1]。在電弧爐煉鋼過程中，采用向金屬熔池供氧以氧化去除鐵液中碳、硅、磷等雜質的方法。為了強化電弧爐冶煉、提高生產(chǎn)節(jié)奏,往往在實際生產(chǎn)中提高噸鋼用氧量[2]，則在冶煉結束時，鋼液中溶解有過量的氧元素。鋼中過量的氧會降低鋼材的強度、塑性，不利于鋼材的焊接及切削加工[3]。在實際生產(chǎn)中往往在出鋼過程中向鋼包投入塊狀硅鐵合金、硅錳合金等脫氧劑的方法進行鋼液預脫氧，然而塊狀脫氧劑利用效率低[4]，消耗較高。有科研工作者提出將噴粉技術應用于電弧爐出鋼階段進而形成了電弧爐煉鋼出鋼過程在線噴粉技術，該技術可以實現(xiàn)降低脫氧劑消耗，提高脫氧效率的冶金功效。本文從該技術出發(fā)，同時結合現(xiàn)場冶煉條件，通過水模擬實驗[5-6]對不同的噴槍布置方式下鋼包熔池攪拌效果進行優(yōu)化研究。

1 實驗裝置及水力學模擬模型

1.1 實驗裝置

本實驗用到以下儀器：空氣壓縮機、空氣壓縮罐、壓力表、氣體流量計、噴粉罐、噴槍、有機玻璃制作的鋼包模型、儲水槽、電導率儀、電極、DJ800采集卡等，具體實驗裝置裝配圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置裝配圖

本實驗采用一只噴槍，噴槍與水平面成一定的夾角，并指向出鋼口中心。

1.2 實驗參數(shù)

冶金過程的物理模擬研究，是依據(jù)相似原理，將真實世界中的物理量或物理過程縮小或用其他物質或方法替代，在滿足相似條件(包括幾何、動力學及邊界條件等)的基礎上，模擬真實世界過程的主要特征[7]。由于物理模擬試驗相似條件的局限性，不可能模擬所有物理量或物理過程，因此物理模擬設計的關鍵是恰當?shù)倪x擇相似準數(shù)。在本實驗中，主要考慮幾何相似以及動力學相似。

1.2.1 幾何模型參數(shù)

實驗所用的水模型使用有機玻璃制作，相似比為3(原型)∶1(模型)，采用壓縮空氣代替氮氣作為載氣，采用飽和氯化鉀溶液浸泡烘干后的Al2O3作為噴粉粉劑。由于粘性力并不是影響實驗的主要因素，實驗采用水代替鋼液進行模擬(運動黏度0.9×10-5m2/s)。原型與模型的尺寸如表1所示。

表1 原型與模型的幾何參數(shù)

1.2.2 供氣參數(shù)

在建立物理模型時，必須保證兩者的動力學相似，即保證模型的修正Froude準數(shù)(Frm ′)與原型的修正Froude準數(shù)(Frp ′)相等。

本實驗用水模擬鋼液，用壓縮空氣模擬氮氣，各介質物性參數(shù)取值見表2，根據(jù)Froude準數(shù)相等求得噴粉載氣流量如表3所示。

表2 原型與模型中的介質密度

表3 原型與模型流量對應值

1.3 實驗方案

本實驗以載氣流量、噴槍角度、噴槍槍位(噴槍出口至流股中心的距離)為實驗變量。由于實驗變量水平較多，建立三因素七水平正交實驗，共計49組，每組實驗重復進行兩次，表4為因素水平表。

表4 因素水平表

1.4 實驗方法

主要是通過測定熔池混勻時間來判斷鋼包熔池攪拌情況，熔池混勻時間越長，鋼包熔池攪拌效果越差。實驗前，將兩只電極放置于鋼包模型的不同位置，按照試驗方案調整載氣流量、噴槍角度、噴槍槍位，實驗開始后，利用噴槍噴射外表固結有氯化鉀的Al2O3粉氣流[8]沖擊出鋼流股，粉劑顆粒與水接觸后表面的氯化鉀開始溶解，對熔池的電導率產(chǎn)生影響，利用DJ800采集卡對熔池電導率進行連續(xù)測量，實驗結束后導出RTD曲線，其中混勻時間最短的即為最佳實驗方案。

2 實驗結果分析討論

2.1 噴槍角度實驗結果分析

圖2是熔池混勻時間均值隨噴槍角度變化趨勢圖?？梢园l(fā)現(xiàn)熔池混勻時間均值隨噴槍角度的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當噴槍角度較小時，粉氣流在徑向方向的動能較大，使得出鋼流股偏移量增大，粉氣流使下落流股軸向動能損失嚴重，流股輸入熔池的動能減小，熔池攪拌效果差，當噴槍角度增大時，粉氣流在徑向的動能減小，軸向的動能增大，出鋼流股偏移量減小，下落流股軸向動能損失較小，輸入熔池的能量較大，適當?shù)膹较驔_擊可以促進鋼包鋼液橫向流動，熔池攪拌效果較好，混勻時間較短。當噴槍角度進一步增大時，粉氣流徑向的動能進一步減小，與此同時出鋼流股偏移量亦進一步減小，則出鋼流股缺少徑向動能，不利于熔池的橫向循環(huán)流動，熔池攪拌較差，混勻時間增加。

圖2 熔池混勻時間隨噴槍角度變化規(guī)律

2.2 噴槍槍位實驗結果分析

圖3是熔池混勻時間均值隨噴槍槍位的變化趨勢圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，噴槍槍位在200～400 mm時，噴槍距出鋼流股較近，熔池混勻時間隨噴槍槍位變化較小，此后熔池混勻時間隨槍位增大表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當噴槍槍位為200～400 mm時，噴槍距出鋼流股較近，粉氣流對出鋼流股的沖擊較為劇烈，使出鋼流股軸向的動能損失嚴重，流股對熔池的攪拌強度下降，熔池混勻時間較長。當噴槍槍位增加時，粉氣流對出鋼流股的沖擊有所減弱，減小出鋼流股軸向動能損失，同時粉氣流對鋼液流股的徑向沖擊不但可以彌補軸向上的損失，反而整體攪拌效果更好，縮短了混勻時間。噴槍槍位進一步增大時，粉氣流對出鋼流股的作用更加微弱，無法對流股起到有益的作用，熔池混勻時間增加。

2.3 噴槍流量實驗結果分析

圖4是熔池混勻時間均值隨噴槍氣體流量的變化趨勢圖。如圖4所示，熔池混勻時間隨噴槍氣體流量增大呈先減小后增大的趨勢。當氣體流量較小時，粉氣流對出鋼流股沖擊作用較小，無法維持粉氣流軸向、徑向動能的合理分配，無法對熔池進行良好的攪拌，熔池混勻時間較長。當氣體流量增大到5.88 m3/h(標準)時，粉氣流對出鋼流股沖擊作用增大，此時可以保持粉氣流徑向、軸向動能的合理分配，可以對熔池進行良好的攪拌，熔池混勻時間較短。當噴吹流量繼續(xù)增大時，粉氣流對出鋼流股的沖擊作用增強，流股軸向動能損失嚴重，熔池攪拌變差，熔池混勻時間增加。

圖3 熔池混勻時間隨噴槍槍位的變化規(guī)律

圖4 熔池混勻時間隨噴槍氣體流量的變化規(guī)律

2.4 各影響因素優(yōu)化分析

在本研究中對正交實驗通過SPSS軟件對結果進行分析。對正交實驗結果進行Kolmogorov-Smirnov檢驗，檢驗得出P=0.374>0.05，符合整體的正態(tài)分布，則可對該實驗結果進行方差分析。方差分析結果如表5所示。

表5 方差分析表

在方差分析結果中，當顯著性水平P<0.01時，表明因素對實驗結果有極其顯著的影響；當顯著性水平0.010.05時，表明因素對實驗結果不存在顯著性影響；由表5可知，噴槍角度對熔池混勻時間有極其顯著性影響，顯著性水平P=0.004<0.01，其F值為4.150；由于顯著性水平P(噴槍流量)>P(噴槍槍位)>0.05，因此噴槍槍位和噴槍流量對熔池混勻時間無顯著性影響。所以可得三個因素對熔池混勻時間的影響強度大小為：噴槍角度>噴槍槍位>噴槍流量。

表6 單因素描述統(tǒng)計量表

表6為單因素描述統(tǒng)計量表，由表6可知，當噴槍角度為50°時熔池混勻時間的均值最小，噴槍角度為60°時熔池混勻時間均值最大，且該7個水平兩兩間均存在顯著性差異；當噴槍槍位為500 mm時熔池混勻時間均值最小，噴槍槍位為200 mm時熔池混勻時間均值最大；當噴槍流量為5.88 m3/h(標準)時熔池混勻時間最小，噴槍流量為8.2 m3/h(標準)時熔池混勻時間最大。在出鋼過程中，鋼包熔池混勻時間越短越好。水模擬正交實驗可得出最佳匹配方案：噴槍角度(55°)、噴槍槍位(500 mm)、噴槍流量(5.88 m3/h(標準))。

3 結 論

(1)噴槍角度對熔池混勻時間有顯著性影響，噴槍槍位和噴槍流量對熔池混勻時間沒有顯著性影響，三個因素對熔池混勻時間的影響程度為：噴槍角度>噴槍槍位>噴槍流量。

(2)通過正交實驗得出的最佳實驗方案為噴槍角度55°、噴槍槍位500 mm、噴槍流量5.88 m3/h(標準)。