徐陽， 李晶， 隋然

（蘭州工業(yè)學(xué)院材料工程學(xué)院， 甘肅  蘭州  730050）

摘 要：為了快速脫氧和脫硫，并改善頂吹精煉的動力學(xué)條件。以某煉鋼廠150 t 鐵水包為原模型，建立了模型與原型尺寸比為1：4 的物理模型。實驗研究了吹氣位置、吹氣高度和吹氣量對鋼液混勻的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)吹氣孔距離鋼液面高度為200 mm、吹氣孔距離鐵水包中心0.7R、吹氣量600 L/min 時鋼液的混勻時間最短。

關(guān) 鍵 詞：鐵水包  頂吹氣  鋼液時間  水模

噴射冶金是爐外精煉方法中使用的重要手段^[1]，具有快速脫氧、脫硫，提高合金元素的收得率，微合金化的功能^[2-5]，并可以改善頂吹精煉的動力學(xué)條件。為了有效地發(fā)揮精煉過程中噴射冶金效果，本研究在相似原理的基礎(chǔ)上^[6-7]，建立了鐵水包頂吹水力學(xué)模型，通過模擬實驗研究，掌握頂吹槍在不同吹氣位置、吹氣角度、吹氣位置和吹氣流量對鐵水包內(nèi)鋼液均混時間的影響；從而為制定合理的頂吹工藝提供理論依據(jù)。

1   實驗

1.1 原理

1.1.1 幾何相似

按照模型與原型尺寸比為1∶4 的物理模型，保證幾何相似，具體尺寸見表1。

1.1.2 動力學(xué)相似

根據(jù)流體力學(xué)的知識，鋼液的流動只要滿足修正F_r 準(zhǔn)數(shù)相等就可滿足動力學(xué)相似^[1]。根據(jù)模型與原型修正F_r 準(zhǔn)數(shù)相等，得出：

Q_m=0.011 2Q_p .

式中：Q_m 為實驗氣體流量；Q_p 為實際氣體流量。

1.2 設(shè)備

本實驗使用的主要設(shè)備有：空氣壓縮機、儲氣罐、流量計、電導(dǎo)電極、計時器等，如圖1 所示。在本實驗中，鋼水用水來模擬，氬氣用空氣來模擬。

圖1 是實驗室進行水模型試驗裝置簡圖，用有機玻璃模擬鋼包。本實驗根據(jù)刺激—響應(yīng)技術(shù)，采用電導(dǎo)法測定均混時間，向模型內(nèi)某一位置瞬時加入一定量的示蹤劑（飽和的KCl 水溶液），然后連續(xù)測定水的電導(dǎo)率變化，直至電導(dǎo)率變化不超過穩(wěn)定值（C_∞） 的±5%（即選取|C_t^- C_∞|≤0.05 C_∞ 為標(biāo)準(zhǔn)），所需的累積時間t_0.95 即為混勻時間。

數(shù)據(jù)采集時間為3 min，采集數(shù)據(jù)時間間隔為0.05 s。為了更好地消除實驗誤差，實驗每個測量點，重復(fù)測量3 個實驗數(shù)據(jù)，取實驗數(shù)據(jù)的平均值作為該測量點的實驗結(jié)果。

1.3 結(jié)果分析

1.3.1 頂吹氣量對均混時間的影響

為了研究頂吹氣量對鐵水包內(nèi)鋼液均混狀況的影響規(guī)律，通過水模型試驗：在一定的吹氣高度（200 mm） 下， 頂吹氣量分別選取水平1（300L/min）、水平2（400 L/min）、水平3（500 L/min）、水平4（600 L/min）、水平5（700 L/min），根據(jù)這些不同吹氣量下的鐵水包內(nèi)液體的混勻時間實驗結(jié)果得到如圖2 所示。

從圖2 可以看出：隨著吹氣量的增加，鋼液的均混時間減少，但是在氣量由水平1 增加至水平2 以及水平4 到水平5 的過程中有小幅度的增加，吹氣量為水平4，即600 L/min 時的鋼液混勻時間最短。

實驗結(jié)果表明：吹氣量為600 L/min 時最有利于鋼液的混勻。

1.3.2 吹氣高度對均混時間的影響

為了研究頂吹氣距離鋼液面高度對鐵水包內(nèi)鋼液均混狀況的影響規(guī)律，通過水模型試驗：在一定的吹氣量（500 L/min）下，頂吹高度分別選取水平1（200 mm）、水平2（225 mm）、水平3（250 mm）、水平4（275 mm）、水平5（300 mm），根據(jù)這些吹氣高度下的鐵水包內(nèi)液體的混勻時間實驗結(jié)果得到如圖3所示。

從圖3 可以看出：總的變化趨勢是鋼液的混勻時間隨著吹氣高度的增加而增加，吹氣高度為水平1 即200 mm時的鋼液混勻時間最短。

實驗結(jié)果表明：吹氣量為200 mm 時最有利于鋼液的混勻。

1.3.3 吹氣位置對混勻時間的影響

為了研究頂吹氣位置據(jù)中心距離（R）對鐵水包內(nèi)鋼液混勻狀況的影響規(guī)律, 通過水模型試驗在一定的吹氣量（500 L/min）一定的吹氣高度（200 mm）下，頂吹位置分別選取水平1（0.1R）、水平2（0.3R）、水平3（0.5R）、水平4（0.7R）、水平5（0.9R），根據(jù)這些吹氣位置下的鐵水包內(nèi)液體的混勻時間實驗結(jié)果得到如圖4 所示。

從圖4 可以看出：鋼液的均混時間隨著吹氣位置的改變而改變，吹氣位置從水平2（0.3R）到水平3（0.5R）再到水平4（0.7R）的變化過程中鋼液均混時間縮短，從水平1（0.1R）到水平2（0.3R）及水平4（0.7R）到水平5（0.9R）的變化過程中均混時間增加。實驗結(jié)果表明：吹氣位置為水平4（0.7R）時，均混時間最短。

2   結(jié)論

通過實驗可以得出：

1）頂吹位置對均混時間影響。吹氣位置0.3R 到0.7R 的變化過程中，鋼液均混時間縮短，從0.1R 到0.3R 以及0.7R 到0.9R 的變化過程中，均混時間增加。在0.7R 時，均混時間最短。

2）頂吹氣量對均混時間的影響。隨著吹氣量的增加，鋼液的均混時間減少。當(dāng)吹氣量為600 L/min時，均混時間最短。

3）吹氣高度對均混時間的影響。隨著吹氣高度的增加，均混時間增加。當(dāng)吹氣高度為200 mm 時，均混時間最短。

參 考 文 獻

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