120t复吹转炉底吹布置对熔池混匀的影响_储焰平.pdf

通信作者：储焰平（），男，硕士，工程师；：；收稿日期：复吹转炉底吹布置对熔池混匀的影响储焰平，袁晓峰，葛君生，封伟华，杨利彬（中冶南方工程技术有限公司 炼钢分公司，湖北 武汉 ；钢铁研究总院，北京 ）摘要：转炉底吹的布置和流量控制对转炉熔池混匀的影响至关重要，是决定碳氧反应、脱磷反应的动力学条件。为了给国内某钢厂 转炉的底吹供气元件布置方式提供理论依据，通过水模试验，研究了不同底吹布置方案及底吹流量对熔池搅拌均匀混合时间的影响，为确定最优底枪布置方式提供参考。结果表明，在保持其他参数一致的条件下，转炉底吹采用环形布置，底枪夹角为 、底吹半径 的混匀效果较好；通过比较发现，非对称布置混匀效果要优于环形对称布置。实际应用过程中，若考虑对炉龄的影响，建议选择环形对称布置方式（夹角 、）；若忽略对炉龄的影响，建议选择非对称布置方式。关键词：复吹转炉；底吹孔布置；非对称吹气；混匀时间中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，（，）；，：；顶底复吹转炉炼钢作为目前国内主要的炼钢方式，要求其在供氧和供气条件下，实现快速造渣、脱碳、脱磷、脱硫、去夹杂、去气和升温等功能。复吹转炉的气体流量和底吹孔布置等参数会对熔池搅拌产生较大影响。良好的熔池搅拌效果，能够改善熔池内化学反应的动力学条件，起到提高转炉脱碳、脱磷效果，减少渣中带铁，进而实现提高钢水洁净度、提高生产效率和降低成本的效果。熔池的搅拌效果大部分来自于底吹气体的驱动作用，而顶吹气体主要用于强化冶炼，对熔池搅拌作用贡献较小。随着转炉冶炼节奏的加快，为匹配逐渐提升的供气强度，有学者研究了顶吹气体流量及氧枪枪位等对于转炉熔池搅拌混匀的 年月第 卷 第期炼钢 影响。此外，也有学者针对底吹的布孔数量和方式进行探索研究，主要着重于底吹流量和对称布孔方式对熔池内混匀时间的影响，少有研究 涉及 非对称吹气 方 式对熔 池 混 匀 效 果 的 影响。本研究针对国内某钢厂 顶底复吹转炉，建立了几何相似比为 的水模型，研究了底吹布置方案及底吹流量对熔池搅拌均匀混合时间的影响，对底吹枪布置方式进行了优化。试验方案 试验原理水力学模型是物理模型的一种方式，根据相似原理，复吹转炉试验模型需满足以下三个条件。）模型与原型的几何相似。）模型与原型的流动相似，即反映熔池流动状态的雷诺准数相等。熔池中对应各点的流动状态相似。）模型与原型的动力相似，即反映流动驱动力的修正弗劳德准数相等。熔池中各对应点的动力成比例。几何相似取水模型与原型比例为 （、分别为原型和水模型炉底直径），模型尺寸如图所示，转炉水模型与原型参数见表所示。图水模型尺寸 鉴于转炉内熔池的流动处于第二自模化区，模型与原型的相似可以不考虑雷诺准数。因此，模型底吹气量按照模型和原型的修正弗劳德准数 相等计算，可以由式（）求得。表转炉水模型与原型参数 参数熔池深度液相液相密度（）气相气体密度（）原型 钢液 氩气 氧气 模型 水 空气 ，（）（）式中：为气体流量，；为密度，；为底吹喷嘴直径，；为熔池深度，；下标和分别表示液相和气相；下标 和分别表示水模型和原型。根据式（）计算得到试验用底吹流量和顶吹流量如表和表所示。表转炉水模型与原型的底吹流量 底吹强度（）实际流量（）模型流量（）模型流量（）表转炉水模型与原型顶吹流量 顶吹强度（）实际流量（）模型流量（）模型流量（）试验装置及过程试验模型装置如图所示。底吹、顶吹气体均为压缩空气，水模拟钢液，忽略渣层的影响。试验过程中，保持顶枪枪位和流量不变，改变底枪布置方式及底吹供气量两项因素，对熔池混匀时间进行测量和对比分析。试验过程中，调整好顶枪位置、顶吹流量、底吹位置和底吹流量，向熔池吹入气体。用电导仪测量混匀时间，以饱和食盐水为示踪剂，待熔池流动稳定后，将适量饱和盐水溶液从模型侧壁漏斗迅速加入水模型熔池中，通过熔池内水的电导率信号记录其变化数值和曲线，电导电极位于示踪 炼钢第 卷图水模型试验装置布置图 剂加入漏斗对侧熔池内。加入示踪剂后，电导率数据会增大，出现跳跃或波动，经过一段时间逐渐达到平稳，此时与加入示踪剂时的时间差就可看作混匀时间，本研究采用混匀度 为混匀时间，。如图所示。试验过程中，采用单一变量控制原则，同一试验条件下进行多次测量，每组数据测量次，剔除最大值和最小值，然后取其平均值对试验混匀时间数据进行分析，得出模型混匀时间与各工艺参数之间的作用关系，从而得到转炉底吹布置的最优方案。图混匀时间测定方法 试验方案试验采用孔氧枪喷头，夹角 ，枪位和顶吹流量按照原型 和 进行计算取值，得到水模型枪位 、顶吹流量 。转炉底枪布置如图所示，共计个底吹孔，底枪所在圆的半径记为，两底枪间的夹角记为。按照和炉底半径的比值为 、和 取值，夹角取 和 ，底吹强度取 、（）五个级别，具体试验方案如表所示。图转炉底吹孔布置示意图 试验结果与讨论 转炉底吹对称布置研究夹角为 和 ，底吹半径不同时，底吹供气强度对混匀时间的影响如图所示。两种底枪夹角布置，的混匀都是最差的；和 的混匀时间接近，的整体更低些；随着底吹供气强度的增加，混匀时间都有缩短的趋势，且从底吹供气强度为 （）开始，混匀时间明显降低；底吹供气第期储焰平，等：复吹转炉底吹布置对熔池混匀的影响表水模型试验方案 序号（）底吹流量（）强度一定时，随着底吹半径的增大，混匀时间有缩短的趋势。当夹角为 时，底吹半径 的混匀效果好；当夹角为 时，在底吹供气强度为 （）时，的混匀时间明显低于 ，底吹供气再增加时，两者混匀时间接近。对比夹角为 和 时 的混匀时间变化可知，夹角为 、底吹半径 的混匀效果好，且随着底吹流量的增加，优势更加明显。转炉底吹非对称布置研究因钢厂转炉底吹曾经使用过非对称布置方式且反应效果不错，因此增加非对称布置进行复吹水模试验，并与对称布置的最优方案（夹角 、）进行比较。两种布孔方式如图所示，试验结果如图所示。由图可见，随着底吹供气强度的增加，混匀时间逐渐减少，环形对称底吹和非对称底吹的混匀效果差别逐渐增大，非对称布置的优势更加明显；当底吹供气强度增大到最大时，又趋于相同。从整体上来看，非对称布置混匀效果要好于环形对称布置（夹角 、）。采用非对称底枪布置，底吹孔交错排布在不同直径的圆周上，能够有效加强流体在周向的流动，改善转炉内流场，使得在离底吹位置较远的区域也能有良好的搅拌效果，从而最终提高钢包整体的混匀效果。但非对称布置时炉衬的侵蚀会加剧，会对炉龄产生影响，因此实际生产中应用不多。图不同夹角条件下底吹供气强度对混匀时间的影响 炼钢第 卷图转炉底吹环形对称布置与非对称布置示意图 图转炉底吹对称布置与非对称布置混匀时间的比较 结论）在底枪夹角固定时，随着底吹供气强度的增加，混匀时间缩短；相同底吹流量时，底枪所在圆半径越大，混匀时间越短。）通过对两种环形布置的最优混匀效果进行比较，底枪夹角为 、底吹半径 的混匀效果更好；通过对环形对称布置（夹角 、）和非对称布置的复吹混匀时间进行比较，非对称布置效果优于对称布置。）在实际应用过程中，如果考虑转炉底吹对炉龄的影响，则建议选择环形对称布置方式；若忽略对炉龄的影响，则可选择非对称布置方式。参 考 文 献张岭，于波，钟良才，等 转炉复吹工艺优化的物理模拟试验 第十三届中国钢铁年会 重庆，：牛金印，解文中，王勇，等马钢 顶底复吹转炉底吹工艺优化江西冶金，（）：汪成义，吴巍，姜周华，等 转炉底吹供气参数优化模拟研究钢铁研究学报，（）：周泉林，杨晓江，张全，等底枪支数和布置对复吹转炉熔池混匀的影响炼钢，（）：王多刚，程乃良，周小宾 吨转炉底吹对熔池搅拌的影响研究过程工程学报，（）：董进强，高福彬，李建文，等邯钢 转炉吹炼工艺的水力学模拟及应用河南冶金，（）：李中华，杨晓江，周泉林，等复吹转炉底吹非均匀供气对熔池搅拌混匀的影响钢铁研究学报，（）：蔡俊，曾加庆，梁强复吹转炉顶吹枪位与非均衡底吹搅拌的水模拟中国冶金，（）：颜慧成，丁剑，王现周，等 转炉底吹工艺水模试验与工业应用炼钢，（）：，（）：，：肖龙鑫，李晶，闫威，等 顶底复吹转炉水模型优化研究上海金属，（）：第期储焰平，等：复吹转炉底吹布置对熔池混匀的影响