郭 鵬

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司 河南安陽(yáng)455004)

鋼包爐底吹氬的物理模擬研究

郭 鵬①

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司 河南安陽(yáng)455004)

針對(duì)130t鋼包爐進(jìn)行了水模型物理模擬，就鋼包內(nèi)鋼液液面波動(dòng)、混勻時(shí)間及夾雜上浮時(shí)間等流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明鋼包爐深脫硫和去夾雜的底吹氬參數(shù)分別為600L/min和170L/min～180L/min時(shí)，能夠滿足現(xiàn)有鋼種結(jié)構(gòu)下脫硫和去夾雜的要求，這為現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

鋼包爐 底吹氬 物理模擬

1 前言

鋼包爐精煉法(簡(jiǎn)稱LF精煉)的主要貢獻(xiàn)是采用鋼包底吹氬氣的方法使鋼液獲得攪拌動(dòng)能，利于鋼液中夾雜的上浮去除[1-2]。具體實(shí)踐中，由于底吹氬流量控制不當(dāng)，底吹模式往往不能滿足鋼渣界面脫硫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件及有效去除夾雜的要求，因此LF精煉工況條件下表現(xiàn)為深脫硫和夾雜去除效果未能達(dá)到某廠某些鋼種所要求的預(yù)期效果。為此開展了LF鋼包爐底吹氬模式工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)采用相似原理，按幾何相似比1∶5.2進(jìn)行模型構(gòu)造。鋼包物理模型采用有機(jī)玻璃制作，鋼水、氬氣及鋼包頂渣的模擬物理介質(zhì)分別為水、壓縮空氣和一定相似比的泡沫塑料顆粒模擬。物理模型裝置見圖1，原型與模型主要物理參數(shù)如表1，鋼包底部透氣元件布置方式(在0.45R～0.65R范圍優(yōu)選確定)見圖2。

圖1 精煉鋼包底吹氬水模實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1 鋼包模型的主要特征參數(shù)

對(duì)于鋼包底吹氬非湍流粘性力引起的體系流動(dòng)的主要?jiǎng)恿κ菤馀莞×?，因此，只要保證模型與原型的修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr′相等，即Frm′=Fr0′，便能保證其動(dòng)力相似。

圖2 鋼包底吹元件布置方式

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 氣體流量確定

根據(jù)相似原理，須保證模型與原型間的修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr′相等，即Frm′=Fr0′，其中，修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系見式(1)：

(1)

特征速度由式(2)給出：

(2)

結(jié)合式(1)、式(2)可得模型“氣—液”參數(shù)與實(shí)物“氣—液”參數(shù)間的關(guān)系：

(3)

式中mL—模型幾何比；dm，do—模型與原型的幾何參數(shù)，mm；um，uo—模型與原型的氣體流速，m/s；Qm，Qo—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，模型與原型的氣體流量，Nm3/h；

ρlm，ρlo—模型與原型的液體密度，kg/m3；

ρgm，ρgo—模型與原型的氣體密度，kg/m3。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(3)得：

Qm=0.00486Qo

(4)

2.2.2 實(shí)驗(yàn)用流量轉(zhuǎn)換

工業(yè)生產(chǎn)中的流量均采用標(biāo)態(tài)下的流量標(biāo)定與顯示，而實(shí)驗(yàn)多采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)。因此，須進(jìn)行標(biāo)態(tài)與非標(biāo)態(tài)流量間的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)狀態(tài)方程有：

(5)

式中Pm、p—分別為模型標(biāo)態(tài)與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的壓強(qiáng)，atm；

Qm、q—分別為模型標(biāo)態(tài)與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的流量，Nm3/h；

Tm、T—分別為模型標(biāo)態(tài)與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的溫度，K。

根據(jù)式(5)確定130t鋼包標(biāo)態(tài)流量與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)流量間的轉(zhuǎn)換。T與Tm分別設(shè)為298K和273K，Pm設(shè)為0.1MPa，帶入式(5)得：

Qm=9.154pq

(6)

因?qū)嶒?yàn)流量為模型非標(biāo)態(tài)流量q，所以須建立生產(chǎn)實(shí)際標(biāo)態(tài)流量Q0與q間的函數(shù)關(guān)系。取q為0.20m3/h～1.60m3/h的范圍值，通過(guò)模型流量計(jì)及壓力表分別記錄每一流量對(duì)應(yīng)的壓力值，分別代入式(6)得出130 t鋼包爐“Qm-q”間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表2。

表2 130t鋼包爐“Qm-q”對(duì)應(yīng)關(guān)系

以Qm為橫坐標(biāo)，q為縱坐標(biāo)作曲線圖，得到如圖2所示的130t鋼包非標(biāo)準(zhǔn)流量q與標(biāo)準(zhǔn)流量Qm的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。

圖3 鋼包爐q與Qm間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)回歸分析，得出130t鋼包底吹氣體q與Qm間的函數(shù)關(guān)系：

(7)

相關(guān)系數(shù)：

R2=0.986

(8)

將公式(4)代入公式(7)中得到130t鋼包實(shí)驗(yàn)流量q為：

(9)

式中Q0—標(biāo)態(tài)原型氣體流量，Nm3/h；Qm—標(biāo)態(tài)模型氣體流量，Nm3/h；q—非標(biāo)態(tài)(實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下)模型氣體流量，m3/h。

由公式(9)可以計(jì)算出模型實(shí)驗(yàn)所要求的氣體流量，結(jié)合文獻(xiàn)[3]，鋼包最佳底吹強(qiáng)度為“1L/min～5L/min”，那么，130t鋼包的底吹流量應(yīng)控制在130L/min～650L/min的范圍，并由此確定該實(shí)驗(yàn)的流量范圍。另外，根據(jù)前述相似原理建立的流量關(guān)系，得出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流量范圍。

鋼包精煉效果通過(guò)鋼包熔池中的混合攪拌反映，鋼液攪拌能力與混勻時(shí)間關(guān)系式為：

(10)

式中ε—平均單位攪拌能，W/t；τ—混勻時(shí)間，s。

因此，實(shí)驗(yàn)采用目前水模型實(shí)驗(yàn)普遍采用的“刺激—響應(yīng)”技術(shù)來(lái)測(cè)定混勻時(shí)間以衡量不同吹氬流量條件下熔池內(nèi)攪拌能的大小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用“多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”測(cè)試液面擾動(dòng)大小，進(jìn)而反映熔池界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件的優(yōu)劣。并且通過(guò)測(cè)定“泡沫塑料顆粒”(按相似原理確定顆粒比重)的上浮時(shí)間來(lái)反映工況條件下夾雜上浮的快慢。

3.1 混勻時(shí)間

鋼包混勻時(shí)間與吹氬流量的關(guān)系見圖4。由圖4可知，底吹流量較小時(shí)，隨吹氣量增加，混勻時(shí)間明顯縮短。隨底吹流量的增大，氣泡的初始動(dòng)能增大，環(huán)流速度得以提高，混勻時(shí)間明顯減少。因此增大氣體流量能直接增大攪拌功率，促進(jìn)鋼液和物料的快速混合。

圖4 混勻時(shí)間與底吹流量間的關(guān)系

同時(shí)，也可以看出，底吹流量增加到250L/min～300L/min后，混勻時(shí)間隨吹氬量增大而減小的程度不明顯。因此，盡管供給的總能量增大，但有效用于液體環(huán)流的能量增加不多。

3.2 液面波動(dòng)情況

鋼包液面擾動(dòng)與吹氬流量的關(guān)系見圖5。由圖可知，隨吹氬量的增大，反映液面擾動(dòng)程度的1/10大波相應(yīng)增大，說(shuō)明液面更活躍，有利于鋼渣界面反應(yīng)；當(dāng)流量達(dá)到600L/min～650L/min時(shí)，兩處檢測(cè)位置液面擾動(dòng)大小逐漸接近，說(shuō)明鋼渣界面反應(yīng)達(dá)到理想狀態(tài)，此時(shí)工況流量可取值600L/min左右，并視鋼包“渣面蠕動(dòng)與裸露情況”稍作調(diào)整。

圖5 液面波動(dòng)與底吹流量間的關(guān)系

3.3 夾雜上浮時(shí)間

夾雜上浮時(shí)間與吹氬流量的關(guān)系見圖6。

圖6 夾雜上浮時(shí)間與底吹流量間的關(guān)系

由圖6可知，夾雜上浮時(shí)間隨流量的增大先減小后增大。但繼續(xù)增大底吹流量，夾雜到達(dá)液面時(shí)不能被頂渣及時(shí)捕獲反而會(huì)隨環(huán)流在鋼包中作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，隨吹氬流量增大，循環(huán)鋼液對(duì)頂渣的剪切力增大，頂渣容易被卷入鋼液環(huán)流中，均不利于其被鋼包頂渣吸附。因此，底吹流量為170L/min～180L/min時(shí)，夾雜上浮時(shí)間最短，為去夾雜的最佳流量。

3.4 生產(chǎn)應(yīng)用

優(yōu)化的底吹氬參數(shù)應(yīng)用于某鋼廠彈簧鋼系列產(chǎn)品的生產(chǎn)，經(jīng)LF處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼水潔凈度的有效控制，鋼中W(S)可從0.020%降到0.010%以下，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制；鋼中W(T.O)由平均80×10-6控制在<30×10-6；鋼中W(H)<2.0×10-6；鋼中W(N)控制在55×10-6以下。

4 結(jié)論

1)底吹流量設(shè)定為600L/min時(shí)，鋼渣界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件得以改善，可保證將鋼中W(S)降到0.010%以下，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

2)采用170L/min～180L/min的底吹流量，可有效去除夾雜，鋼中全氧W(T.O)<30×10-6。

3)實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈簧鋼系列產(chǎn)品鋼水潔凈度的有效控制。

[1]張鑒.爐外精煉的理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991：230-232.

[2]歐陽(yáng)守忠等.鋼包吹氬技術(shù)在武鋼的應(yīng)用與改進(jìn)[J].煉鋼，1998(6)：20-23.

[3]朱苗勇.吹氬鋼包氣液兩相流行為十年研究進(jìn)展及其分析[J].化工冶金，1993，Vol.14(3)：73-76.

·業(yè)界動(dòng)態(tài)·

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Study on Physical Simulation of Argon Bottom Blowing for the Ladle Furnace

Guo Peng

(Anyang Iron & Steel Group Co., Ltd. Anyang 455004)

Water modeling experiments to simulate the 130t ladle furnace manufactured were conducted. Flow parameters in the LF, including level fluctuation, mixed time and inclusion floated time were studied. The results showed that optimal technological parameters for deep-desulfurization and inclusion removal in the LF ladle were 600 L/min and 170～180L/min respectively and favorable effects could be achieved with above mentioned parameters. The theoritical proof was provided for the process technology.

Ladle furnace Argon bottom-blowing Physical simulation

郭鵬，男，1978年出生，畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士，機(jī)械工程師，長(zhǎng)期從事設(shè)備管理工作

TF769.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.03.005

2015-01-14)