王書(shū)曉， 余 躍， 溫 治， 劉訓(xùn)良

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038; 2.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

底吹爐冶煉過(guò)程中，底吹氣體通過(guò)底部噴槍強(qiáng)力射入，作為冶煉反應(yīng)物的同時(shí)并攪拌爐內(nèi)熔體，底吹氣體相較于高溫熔體溫度很低，會(huì)在在噴槍的噴口周?chē)蜆尶诖u上形成一個(gè)急冷區(qū)，部分高溫熔體在急冷區(qū)附近固化粘結(jié)，最終形成具有細(xì)微通道呈蘑菇狀的穩(wěn)定致密多孔介質(zhì)區(qū)，被稱(chēng)為“蘑菇頭”。處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)的蘑菇頭大小合適時(shí)，既不妨礙送氣量，又可保護(hù)和延長(zhǎng)底部供氣噴槍的壽命，但會(huì)使供氣壓力提高，增加動(dòng)力成本，也會(huì)對(duì)爐內(nèi)氣液流動(dòng)產(chǎn)生影響。

上世紀(jì)90年代以來(lái)，為延長(zhǎng)底吹噴嘴和爐底壽命，鋼鐵冶金行業(yè)研究人員針對(duì)頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)蘑菇頭開(kāi)展了一些研究工作。李云[1]、張曉兵[2]、袁集華[3-4]等對(duì)頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中形成的蘑菇頭進(jìn)行了冷態(tài)或熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，分析蘑菇頭的形成過(guò)程與熱力學(xué)條件以及噴吹氣量、鐵水溫度的影響關(guān)系。劉瀏[5]、陳樹(shù)林[6]等學(xué)者在生產(chǎn)實(shí)踐中研究分析了“爐渣- 金屬蘑菇頭”的形成和維護(hù)技巧、組成成分以及透氣機(jī)理。

雖然氧氣底吹技術(shù)在應(yīng)用于鉛冶煉和銅冶煉之初[7-9]，就考慮在氧槍出口端形成蘑菇頭以保護(hù)噴槍?zhuān)啾绒D(zhuǎn)爐煉鋼領(lǐng)域關(guān)于蘑菇頭的研究，有關(guān)銅底吹爐內(nèi)蘑菇頭的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，銅底吹爐在冶煉工藝和結(jié)構(gòu)方面與頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐也有明顯不同，因此有必要對(duì)底吹爐內(nèi)蘑菇頭的形成展開(kāi)研究。底吹爐冶煉過(guò)程中，熔池溫度很高且很難觀察到冶煉過(guò)程中底部蘑菇頭的形成過(guò)程，直接進(jìn)行原型實(shí)驗(yàn)存在經(jīng)濟(jì)成本高、實(shí)施困難、安全風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)。本文以銅底吹爐為原型，通過(guò)水力模型實(shí)驗(yàn)的方法研究了蘑菇頭生成過(guò)程、熱力學(xué)條件、蘑菇頭的尺寸形貌以及氧槍傾角、氣體流量的影響。

1 相似原理及模型參數(shù)

1.1 相似原理

實(shí)驗(yàn)研究是計(jì)算機(jī)模擬正確性的檢驗(yàn)依據(jù)，也是解決實(shí)際工程問(wèn)題的需要。在研究對(duì)象上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)受到研究對(duì)象尺度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試手段等限制，從經(jīng)濟(jì)性和可行性方面考慮，常采用模型實(shí)驗(yàn)的方法。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及如何把模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際中的理論依據(jù)就是相似原理。

為使模型中的流動(dòng)與原型中的流動(dòng)保持相似，必需遵從相似原理，即需要滿足幾何相似、動(dòng)力相似和運(yùn)動(dòng)相似等相似條件。

幾何相似是必須滿足的首要條件，指模型與原型具有相似的幾何形狀，所有對(duì)應(yīng)尺寸成比例，所有對(duì)應(yīng)角相等。長(zhǎng)度比例尺是指模型特征尺寸與原型特征尺寸的比值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：λ—長(zhǎng)度比例尺；

Lm—模型特征尺寸，m；

Lp—原型特征尺寸，m。

本文選用修正的弗勞德準(zhǔn)數(shù)為動(dòng)力相似準(zhǔn)數(shù)，其表達(dá)式如下所示：

(2)

式中：vg—?dú)饬魉俣?，m/s；

g—重力加速度，m/s2；

d0—氧槍直徑，m；

ρg—?dú)怏w密度，kg/m3；

ρ1— 液體密度，kg/m3。

在建立水力模型時(shí)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)相似原理，模型中修正弗勞德準(zhǔn)數(shù)必須與原型相等，即：

(3)

1.2 模型參數(shù)

本文主要研究單支氧槍噴吹情況下蘑菇頭的生成過(guò)程，以某銅冶煉企業(yè)底吹爐為原型，選取長(zhǎng)度比例尺1∶10制作水力模型。水模型在長(zhǎng)度方向截取實(shí)際底吹爐長(zhǎng)的一段并且將模型圓柱高于中心線100 mm以上部分切除。圖1為原型與模型結(jié)構(gòu)示意圖，表1和表2為底吹爐原型與模型結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)和操作參數(shù)。

圖1 底吹爐原型及模型結(jié)構(gòu)示意圖

項(xiàng)目原型模型長(zhǎng)度比例尺1∶11∶10內(nèi)徑/mm3880388長(zhǎng)度(不含端墻)/mm21660285熔池液面/mm15451545氧槍傾角/(°)10、200、10、20氧槍凸起高度/mm18018氧槍出口截面積/mm279842707

注：模型中噴槍選取規(guī)格為φ6 mm×1.5 mm的硬銅管，內(nèi)徑3 mm。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

水力模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由底吹爐水模型、低溫供氣系統(tǒng)(銅盤(pán)管覆蓋干冰降溫)、氣體干燥系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)等四部分組成。圖2和圖3分別為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖與實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1.壓縮機(jī)提供壓縮空氣經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓閥穩(wěn)壓；2.壓縮空氣經(jīng)CTA精密過(guò)濾器干燥過(guò)濾得到干燥空氣；3.干燥空氣通入埋在干冰中的銅盤(pán)管降溫得到低溫氣體，氣體溫度可以通過(guò)銅盤(pán)管長(zhǎng)度調(diào)節(jié)；4.低溫氣體經(jīng)過(guò)氧槍噴射入底吹爐模型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)溫度計(jì)、流量、高速相機(jī)分別測(cè)量記錄溫度、流量、射流形態(tài)以及蘑菇頭的生成過(guò)程。

表2 原型與模型物性參數(shù)和操作參數(shù)

1—空氣壓縮機(jī)； 2—穩(wěn)壓閥； 3—空氣干燥器； 4—低溫槽； 5—銅盤(pán)管； 6—?dú)怏w流量計(jì)； 7—氧槍?zhuān)?—底吹爐水模型； 9—平面光源； 10—溫度計(jì)； 11—高速相機(jī)； 12—數(shù)采卡； 13—電腦圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文通過(guò)水模實(shí)驗(yàn)研究蘑菇頭的生成過(guò)程以及氣體溫度、氧槍傾角和氣體流量的影響，設(shè)計(jì)了如表3所示的實(shí)驗(yàn)方案。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)定蘑菇頭生成過(guò)程

當(dāng)?shù)状笛鯓尦隹诙烁浇鼫囟刃∮? ℃時(shí)，氧槍出口端開(kāi)始有蘑菇頭冰瘤生成；此時(shí)氣體流量也會(huì)出現(xiàn)一定波動(dòng)，穩(wěn)定蘑菇頭的生成過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：“生成- 破碎- 生成”反復(fù)階段和穩(wěn)定蘑菇頭生成階段。

在“生成- 破碎- 生成”反復(fù)階段，噴槍出口端附近溫度已低于0 ℃，水開(kāi)始在噴槍出口某點(diǎn)結(jié)晶并長(zhǎng)大形成小的蘑菇頭狀冰瘤，但此時(shí)的蘑菇頭結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，也未處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)，不穩(wěn)定的蘑菇頭不斷生成并被氣流和水流沖擊破碎，“生成- 破碎- 生成”過(guò)程反復(fù)多次后進(jìn)入穩(wěn)定蘑菇頭生成階段。

1—空氣壓縮機(jī)； 2—降溫槽； 3—溫度計(jì)； 4—底吹爐模型； 5—氧槍模型； 6—高速攝像機(jī)； 7—穩(wěn)壓閥； 8—空氣干燥器圖3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

氧槍角度/(°)底吹氣體溫度/℃氣體流量/m3·h-1研究目標(biāo)0-54810、15、20、25氣體流量的影響-374、-473、-54820底吹氣體溫度的影響0、10、20-54820氧槍傾角的影響

在穩(wěn)定蘑菇頭生成階段，水首先在噴槍內(nèi)壁面上結(jié)成小冰瘤，小冰瘤逐漸長(zhǎng)大并堵塞底吹氣流的垂直向上流動(dòng)，底吹氣流發(fā)生偏斜，底吹氣體阻力增大，底吹氣流不斷改變偏斜方向，長(zhǎng)大的冰瘤逐漸重合，形成覆蓋底吹噴槍出口的蘑菇頭核，蘑菇頭核逐漸長(zhǎng)大直至生成穩(wěn)定的蘑菇頭，此時(shí)穩(wěn)定蘑菇頭處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)。從氣流發(fā)生偏斜到生成大小穩(wěn)定的蘑菇頭，大約耗時(shí)10 min，穩(wěn)定蘑菇頭生成過(guò)程如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定蘑菇頭生成過(guò)程

圖5 穩(wěn)定蘑菇頭形貌圖

圖5為生成的穩(wěn)定蘑菇頭實(shí)物圖，可以發(fā)現(xiàn)蘑菇頭是一個(gè)具有蘑菇頭形狀的典型多孔介質(zhì)區(qū)域。比較有無(wú)蘑菇頭時(shí)的液面噴濺可以發(fā)現(xiàn)，在生成蘑菇頭之后，熔池內(nèi)的液面噴濺顯著減小，如圖6所示。

圖6 蘑菇頭對(duì)熔池液面噴濺的影響

3.2 穩(wěn)定蘑菇頭生成熱力學(xué)條件

低溫底吹氣體由氧槍噴入底吹爐內(nèi)，不斷帶入冷量，噴槍出口端附近熔體逐漸冷卻積聚生成一個(gè)穩(wěn)定的蘑菇頭。穩(wěn)定蘑菇頭會(huì)處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)，蘑菇頭體失去的熱量主要為低溫底吹氣體經(jīng)過(guò)蘑菇頭體時(shí)所帶走的熱量，而蘑菇頭體得到的熱量主要來(lái)自于爐內(nèi)熔體傳熱。

穩(wěn)定蘑菇頭的生成主要與低溫底吹氣體溫度和氣體流量有關(guān)。氣體流量一定，只有底吹氣體溫度足夠低才可能有穩(wěn)定蘑菇頭的產(chǎn)生，氣體溫度滿足低溫要求，也只有保證一定氣體流量才能使得蘑菇頭體處于熱平衡狀態(tài)，生成穩(wěn)定蘑菇頭。由表4可知，穩(wěn)定蘑菇頭的生成需要滿足一定熱力學(xué)條件：在氣體流量為2 m3/h時(shí)，低溫氣體溫度≤-47.3 ℃才會(huì)有蘑菇頭的生成，否則不會(huì)生成蘑菇頭，或者冷氣體的溫度為-54.8 ℃時(shí)，氣體流量≥1.5 m3/h，才會(huì)有蘑菇頭的生成，否則不會(huì)生成蘑菇頭。

表4 底吹氣體溫度對(duì)蘑菇頭生成過(guò)程的影響

3.3 氣體流量的影響

滿足穩(wěn)定蘑菇頭生成熱力學(xué)條件情況下，研究了1.5 m3/h、2.0 m3/h和2.5 m3/h三種氣體流量對(duì)蘑菇生成過(guò)程的影響，包括蘑菇頭尺寸、孔隙率及生成穩(wěn)定蘑菇頭所需時(shí)間等。圖7為高速相機(jī)拍攝的不同氣體流量底吹氣流形貌圖，其中A1-A3為存在蘑菇頭時(shí)氣流形貌，底部氣泡顏色較深部分為形成的穩(wěn)定蘑菇頭。

由表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著氣體流量增大，生成穩(wěn)定蘑菇頭所用時(shí)間縮短，這是因?yàn)闅怏w流量大，冷氣體帶入爐內(nèi)的冷量可以更快滿足穩(wěn)定蘑菇頭生成所需的熱力學(xué)平衡條件；隨氣體流量增大，穩(wěn)定蘑菇頭的孔隙率和蘑菇頭尺寸也會(huì)變大。

3.4 氧槍傾角的影響

實(shí)際生產(chǎn)中，底吹氧槍的布置并非完全0°傾角豎直布置，而是不同氧槍傾角混合布置的。底吹氣體溫度-54.8 ℃和氣體流量2.0 m3/h情況下，研究了0°、10°、20°不同氧槍傾角對(duì)蘑菇頭生成過(guò)程的影響。圖8為3種不同氧槍傾角布置情況下高速相機(jī)拍攝得到的底吹氣流形貌圖，其中A1-A3為存在蘑菇頭時(shí)的氣流形貌，底部氣泡中顏色較深為所形成的穩(wěn)定蘑菇頭。

由表6不同氧槍傾角實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氧槍傾角分別為0°、10°和20°時(shí)，生成穩(wěn)定蘑菇頭所用時(shí)間均為10 min左右，氧槍傾角對(duì)生成穩(wěn)定蘑菇頭所需時(shí)間的影響不明顯，氧槍傾角的變化對(duì)蘑菇頭孔隙率和穩(wěn)定蘑菇頭的尺寸大小的影響作用也很小。

圖7 不同氣體流量有無(wú)蘑菇頭時(shí)底吹氣流形貌圖(A1-A3有蘑菇頭，B1-B3無(wú)蘑菇頭)

底吹氣體溫度/℃氣體流量/m3·h-1蘑菇頭尺寸直徑/mm氧槍外徑n倍蘑菇頭孔隙率/%生成穩(wěn)定蘑菇頭所需時(shí)間/min-5481514116235315491320167352789194292519574326221917

圖8 不同氧槍傾角有無(wú)蘑菇頭時(shí)氣流形貌圖(A1-A3有蘑菇頭，B1-B3無(wú)蘑菇頭)

氧槍傾角/(°)蘑菇頭尺寸直徑/mm氧槍外徑n倍蘑菇頭孔隙率/%生成穩(wěn)定蘑菇頭所需時(shí)間/min0167352789194291015536256918511120173802896191610

4 結(jié)論

(1)水模實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到底吹爐氧槍出口端穩(wěn)定蘑菇頭的生成過(guò)程，過(guò)程可分為“生成- 破碎- 生成”反復(fù)階段和穩(wěn)定蘑菇頭生成階段。穩(wěn)定蘑菇頭為半球狀多孔介質(zhì)區(qū)，有很多彌散孔，合適大小的蘑菇頭存在一定程度上可以減弱底吹爐內(nèi)液面噴濺現(xiàn)象。

(2)蘑菇頭生成需要滿足一定熱力學(xué)條件，主要與低溫氣體溫度和氣體流量有關(guān)。當(dāng)?shù)状笛鯓尦隹诙藴囟刃∮谌垠w的凝固點(diǎn)且存在一定過(guò)冷度，氣體流量大小合適，低溫底吹氣體提供的冷量滿足蘑菇頭動(dòng)態(tài)熱平衡條件時(shí)，底吹氧槍出口端會(huì)生成穩(wěn)定蘑菇頭。

(3)穩(wěn)定蘑菇頭的尺寸、孔隙率以及生成穩(wěn)定蘑菇頭所需時(shí)間受到氣體流量的影響較大，而受氧槍傾角的影響較小。隨氣體流量增加，穩(wěn)定蘑菇頭尺寸和孔隙率都會(huì)變大，生成穩(wěn)定蘑菇頭所用時(shí)間則減少。

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