侯 春 陳 釗 張 林 范哲銘 廖 軼 高 尚

(1.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，2.鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司)

各種爐外精煉工藝可以改善冶金化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)條件，加速熔池傳質(zhì)速度，增大渣鋼反應(yīng)面積，適用于各類純凈鋼、超純凈鋼的冶煉[1]。

鋼包底吹A(chǔ)r工藝工序連貫優(yōu)勢(shì)最為突出，Ar通過安裝在鋼包底部的透氣磚吹入鋼包，不溶于鋼液也不參與任何化學(xué)反應(yīng)，鋼液中的雜質(zhì)氣體(主要為H2和N2)不斷快速地?cái)U(kuò)散至Ar氣泡內(nèi)，并隨之上浮至鋼液表面最終逸出[2-3]。

鋼包底部噴嘴的分布對(duì)底吹A(chǔ)r攪拌效果有明顯的影響，通過水模實(shí)驗(yàn)?zāi)M鋼包底吹A(chǔ)r，得出噴嘴分布的最佳方案。

1 鋼包底吹水模實(shí)驗(yàn)方案

1.1 水模實(shí)驗(yàn)底吹供氣量設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)鋼包模型的材質(zhì)為有機(jī)玻璃，尺寸為某鋼廠150 t鋼包實(shí)際尺寸的1/6，以水模擬鋼液、空氣模擬Ar。根據(jù)相似原理及動(dòng)力學(xué)條件相似，選擇氣體慣性力和鋼液重力之比的修正Froude準(zhǔn)數(shù)為水模實(shí)驗(yàn)的定性準(zhǔn)數(shù)[4-5]。即：

Frm=Fra

(1)

(2)

式中：Qm為實(shí)驗(yàn)供氣量，m3/h；Qa實(shí)際供氣量，m3/h；dm為模型直徑，mm；da為實(shí)際鋼包熔池直徑，mm；ρm，w為水的密度，kg/m3；ρa(bǔ)，s為鋼液的密度，kg/m3；ρm，g為空氣的密度，kg/m3；ρa(bǔ)，g為Ar的密度，kg/m3。

根據(jù)式(2)得到水模實(shí)驗(yàn)有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 某鋼廠150 t鋼包和水模實(shí)驗(yàn)有關(guān)參數(shù)

1.2 水模實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

鋼包熔池的攪拌效率由均混時(shí)間來判定，即均混時(shí)間越短，鋼包的攪拌效率越高。

具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：水模鋼包中加入475 mm的水，通入固定流量的壓縮空氣對(duì)容器中的水進(jìn)行攪拌，在水模鋼包一側(cè)固定位置倒入100 mL濃度為0.05 mol/L的堿液作為示蹤劑，另一側(cè)pH計(jì)探頭連接計(jì)算機(jī)記錄噴吹攪拌后溶液的pH變化，當(dāng)pH波動(dòng)為±0.01時(shí)認(rèn)為穩(wěn)定。從開始倒入堿液到示數(shù)穩(wěn)定所用時(shí)間即為攪拌均混時(shí)間，每個(gè)供氣量進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)，并取平均值[6]。圖1為水模實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，pH計(jì)為杭州東星儀器設(shè)備廠生產(chǎn)，型號(hào)為pHS—3c。

圖1 底吹攪拌鋼液的水模實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 底吹噴嘴方案設(shè)計(jì)

該水模實(shí)驗(yàn)底吹噴嘴設(shè)計(jì)方案分為兩步：

第一步，優(yōu)化噴嘴數(shù)量。噴嘴距中心距離N1選取0.17D(D為鋼包模型的直徑)，分別選取噴嘴個(gè)數(shù)為1、2、3和4個(gè)(如圖2)，進(jìn)行噴吹實(shí)驗(yàn)，從而得出相同供氣量的情況下，最優(yōu)噴嘴個(gè)數(shù)。

圖2 不同數(shù)量噴嘴的分布方式

第二步，優(yōu)化雙噴嘴噴吹模式。噴嘴距中心距離N1分別選取0.17D、0.25D和0.33D，兩噴嘴的夾角分別為60°、90°和180°[7](如圖3)，噴嘴位置為0.17D60°、0.25D60°、0.33D60°、0.17D90°、0.25D90°、0.33D90°、0.17D180°、0.25D180°和0.33D180°。

圖3 雙噴嘴噴吹模式

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴嘴數(shù)量對(duì)均混時(shí)間的影響

當(dāng)供氣量為0.20 m3/h時(shí)，不同噴嘴數(shù)量和均混時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 噴嘴數(shù)量與均混時(shí)間的關(guān)系

由表2可知，當(dāng)噴嘴數(shù)量為2個(gè)時(shí)，均混時(shí)間最短，為75.7 s，即攪拌效果最好。當(dāng)噴嘴數(shù)量為1個(gè)時(shí)，水模鋼包內(nèi)噴吹點(diǎn)單一，噴吹范圍小，液體攪拌流場(chǎng)小，攪拌能力不足，均混時(shí)間長(zhǎng)。但噴嘴數(shù)量大于2個(gè)時(shí)，各股氣流互相干擾，流場(chǎng)不穩(wěn)定，能量損失大，反而不利于攪拌效率的提高，進(jìn)而延長(zhǎng)均混時(shí)間。

2.2 供氣量對(duì)均混時(shí)間的影響

以雙噴嘴噴吹模式為0.17D90°為例，不同供氣量和均混時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

由表3可知，隨著供氣量增加，氣體流動(dòng)速度加快，攪拌能力增強(qiáng)，帶動(dòng)水模鋼包內(nèi)液體流動(dòng)速度加快，均混時(shí)間逐漸縮短，平均均混時(shí)間由90.6 s降至68.0 s。當(dāng)供氣量達(dá)到0.27 m3/h以后，供氣量再增大，均混時(shí)間趨于平緩?？紤]能源利用率，即最大限度發(fā)揮攪拌動(dòng)能，實(shí)際生產(chǎn)建議供氣量采用54 m3/h。

2.3 雙噴嘴噴吹模式對(duì)均混時(shí)間的影響

當(dāng)供氣量為0.27 m3/h時(shí)，雙噴嘴不同噴吹模式和均混時(shí)間的關(guān)系如表4所示。

表4 噴吹模式與均混時(shí)間的關(guān)系

由表4可知，雙噴嘴噴吹模式有9種，噴嘴之間的夾角分別為60°、90°、180°，噴嘴距中心的距離N1分別為0.17D、0.25D、0.33D，計(jì)算可得，兩噴嘴之間的實(shí)際距離N為0.17D～0.66D。當(dāng)噴嘴間夾角為60°時(shí)，隨著兩噴嘴實(shí)際距離增大，平均均混時(shí)間逐漸縮短，由72.4 s降至67.5 s，噴嘴間夾角為90°和180°時(shí)，均混時(shí)間變化規(guī)律相同。當(dāng)噴嘴距中心距離N1為0.17D時(shí)，隨著兩噴嘴夾角增大，噴嘴實(shí)際距離也增大，平均均混時(shí)間逐漸縮短，由72.4 s降至67.4 s，噴嘴距中心距離為0.25D和0.33D時(shí)，均混時(shí)間變化規(guī)律相同。

綜上所述，當(dāng)噴吹模式為0.33D180°時(shí)，攪拌區(qū)域流場(chǎng)流動(dòng)性好，攪拌能力強(qiáng)，均混時(shí)間最少，為57.7 s。反之，噴吹模式為0.17D60°時(shí)，均混時(shí)間最長(zhǎng)，為72.4 s。噴吹均混時(shí)間與雙噴嘴間距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即雙噴嘴相距越大，攪拌過程中兩氣柱互相干擾越小，氣流流動(dòng)能量損失越少，越利于液體攪拌均勻，均混時(shí)間越短。

2.4 雙噴嘴供氣比例對(duì)均混時(shí)間的影響

以供氣量為0.27 m3/h，雙噴嘴噴吹模式為0.33D180°為例，雙噴嘴供氣量比例和均混時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 雙噴嘴供氣量比例與均混時(shí)間的關(guān)系

由表5可知，當(dāng)兩噴嘴供氣量比例為5∶5時(shí)，均混時(shí)間最短，為57.7 s；兩個(gè)噴嘴供氣量比例不等時(shí)，均混時(shí)間較長(zhǎng)，分別為58.6、60.0和61.5 s。當(dāng)供氣量比例不等時(shí)，供氣量大的噴嘴區(qū)域流場(chǎng)流動(dòng)性好，攪拌效果佳；供氣量小的噴嘴區(qū)域流場(chǎng)流動(dòng)性較差，同時(shí)受到鄰近高供氣量噴嘴區(qū)域流場(chǎng)的影響，該區(qū)域流場(chǎng)處于紊亂狀態(tài)，夾雜物聚集上浮受到抑制，夾雜物去除效率低。因此，雙噴嘴的供氣量越平均，鋼包的流場(chǎng)越穩(wěn)定，均混時(shí)間越短，除渣效果越顯著。

3 結(jié)論

(1)相同供氣量的情況下，雙噴嘴噴吹時(shí)均混時(shí)間最短，當(dāng)供氣量為0.20 m3/h時(shí)，均混時(shí)間為75.7 s。噴嘴數(shù)量增加后，多股氣流互相干擾的情況嚴(yán)重，影響攪拌效率。

(2)雙噴嘴噴吹模式為0.17D90°時(shí)，當(dāng)水模實(shí)驗(yàn)供氣量達(dá)到0.27 m3/h以后，均混時(shí)間趨于平緩，建議實(shí)際生產(chǎn)供氣量采用54 m3/h。

(3)供氣量為0.27 m3/h的條件下，雙噴嘴噴吹模式為0.33D180°時(shí)均混時(shí)間最短，為57.7 s。雙噴嘴噴吹模式為0.17D60°時(shí)均混時(shí)間最長(zhǎng)，為72.4 s。水模攪拌均混時(shí)間與雙噴嘴間距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(4)雙噴嘴噴吹模式為0.33D180°的情況下，雙噴嘴供氣量比例為5∶5時(shí)均混時(shí)間最短，為57.7 s；分配不均時(shí)，供氣量小的噴嘴流場(chǎng)受供氣量大的噴嘴流場(chǎng)影響呈紊亂狀態(tài)，攪拌效果不好。