唐钢50t转炉溅渣护炉水力模型实验研究

曾亚南,李俊国,韩志杰,吴雨晨

(1.河北联合大学冶金与能源学院,河北唐山 063009;2.唐山钢铁股份有限公司,河北 唐山050000)

溅渣护炉技术是提高转炉炉龄的有效措施。它是采用高压氮气通过氧枪或专门的溅渣吹氮用枪高速喷入炉内,使炉渣喷溅到转炉耐火炉衬上,有效增加炉衬使用寿命。由于转炉溅渣护炉操作是一个高温、复杂的过程,进行现场研究比较困难,因此进行水力学模拟实验有着重要意义[1-3]。本研究以唐钢二炼钢50 t转炉为研究对象,在目前溅渣护炉操作工艺为基础,采用水力学模拟实验,选择三种不同结构氧枪(四孔、四孔变角和五孔),对顶枪枪位、顶吹流量、底吹流量、熔渣黏度和留渣量等溅渣操作工艺条件对溅渣效果进行影响性评价,以确定溅渣护炉的优化工艺参数,为现场的溅渣护炉操作提供理论依据。

1 实验方案

1.1 物理模型的建立

转炉溅渣护炉技术是氮气射流冲击熔渣,使熔渣溅起飞到炉衬上,从而达到保护炉衬的目的。根据相似原理,模拟实验应满足转炉模型和原型的几何尺寸相似和动力学条件相似[4]。

实际生产中,喷枪出口气体流速为超音速,而水力学实验中,氧枪模型出口气体流速为亚音速,由于这两种射流的扩张角有所不同,对熔渣的冲击效果也就有所不同。以亚音速射流模拟超音速气体射流时,尽管能够保证枪位几何相似,也会造成模型实验中亚音速射流与熔渣接触面积偏大、射流中心流速偏低、对熔渣冲击动能偏低的现象[5-7]。因此在实验过程中对模型喷枪枪位进行了修正[8-9],本实验条件下,枪位修正值为70mm,即实验选择的枪位为理论计算的模型枪位减去修正值。模型、原型及对应介质的物理参数如表1和表2所示。

表1 几何相似参数

表2 流体的物性参数

1.2 实验装置

实验采用水、饱和盐水和甘油分别模拟稀渣、正常渣和黏渣。模型与原型的几何参数比为1:6.35,实验装置如图1所示。

图1 水力学模拟实验装置示意图

实验模型采用有机玻璃制成,模型内表面按高度分为五等份,在等分处采用有机玻璃做成弧形槽的插板,并向上倾斜一定角度,粘在模型内表面,模型内侧由上至下四等份分别代表炉帽处、耳轴上部、耳轴下部和渣线部位。

1.3 实验研究方法

在溅渣过程中如何有效的利用高速氮气射流冲击熔池,使炉渣均匀的溅射于整个转炉炉衬表面,是溅渣护炉的关键技术之一。溅渣效果主要与枪位、氮气流量、留渣量和顶枪喷孔夹角等因素有关,因此,一般考察的溅渣工艺参数主要包括顶吹氮气流量、枪位、留渣量、底吹流量、熔渣黏度,以及对气体射流影响显著的喷枪结构。

在二炼钢现有溅渣护炉操作工艺参数基础上,实验采用6因素5水平的正交实验方案,在不考虑各因素交互影响作用的前提下,用L25(56)正交表安排实验次数,从而确定出各因素对溅渣效果的影响大小,实验方案见表3所示。

2 实验结果与讨论

利用正交实验研究方法可以确定枪型、枪位、顶吹气体流量、底吹气体流量、留渣量和熔渣黏度等因素对炉型各部位溅渣效果的影响规律。通过对正交实验结果的分析,可得到五水平下各因素的平均值以及极差,从而分析各溅渣工艺参数对渣线处、耳轴下部、耳轴上部、炉帽处溅渣量的显著性影响。极差计算结果如表4所示。由表4可见,在实验选择的各水平下,枪位、顶吹氮气流量、留渣量和熔渣黏度对渣线溅渣量影响最大,底吹流量和枪型对渣线溅渣量的影响较小。对耳轴下部溅渣量影响最大的因素为留渣量、枪位和顶吹氮气流量,而枪型、底吹流量和熔体黏度对耳轴下溅渣量的影响较小。对耳轴上部的溅渣量影响最大的因素包括枪位和留渣量,而枪型、底吹流量、顶吹流量和熔体黏度对耳轴上溅渣量的影响较小。对于炉帽处溅渣量影响最大的因素为枪型、底吹流量、留渣量和熔渣黏度,而顶吹流量、枪位对炉帽处溅渣量的影响较小。

表3 正交实验各因素水平

表4 正交实验极差

2.1 显著性影响因素对渣线处溅渣量的影响

显著性影响因素对渣线处溅渣量的影响如图2所示。图2(a)所示,低枪位操作时,提升枪位,渣线溅渣量逐渐增加。当溅渣枪位提升到最佳枪位90mm(即实际枪位1m)时,渣线溅渣量达到最大值;进一步提高枪位,溅渣量明显下降。图2(b)所示,随着氮气流量的增加,射流对熔池的冲击加强,作用于炉渣的能量增加,尤其是对于熔池的浪涌溅渣更为有利,因此,渣线溅渣量随之增加。当氮气流量过大时,对熔渣的冲击过强,甚至穿透熔渣,射流传递给熔渣的能量将降低,从而削弱了渣线溅渣量。图2(c)所示,留渣量越多,渣线溅渣量越高,但留渣量超过0.0033m3(留渣量为2.5t),继续增加留渣量并不能显著提高渣线溅渣量。留渣量超过0.0033m3(留渣量为2.5t)时,射流对熔渣的搅动不足,通过浪涌向渣线的溅渣量又有所降低。图2 (d)所示,黏度为1.01m Pa◦s稀渣的渣线溅渣量最大;而黏度为83.2m Pa◦s的稠渣溅渣量最小。在溅渣护炉过程中,希望溅起的炉渣在高温下流动性好,黏度小,容易溅到炉衬表面;同时希望熔渣温度降低后,熔渣黏度能快速上升,从而利于熔渣黏附于炉衬表面。

2.2 显著性影响因素对耳轴下部溅渣量的影响

各显著影响因素对耳轴下部溅渣量的影响如图3所示。由图3(a)可见,枪位对耳轴下部溅渣量的影响显著,随着枪位提升(在所选水平内),射流对熔渣的冲击动能降低,而将有更多射流动能转化为渣滴动能,从而强化喷射溅渣动能,因此提升枪位更有利于炉衬位置较高处的溅渣。而枪位高于90 mm(实际枪位1m)以后,由于对提高渣线溅渣量的影响较小,为了提高耳轴下部溅渣量,应当尽量将枪位提升到90mm以上。由图3(b)可见顶吹气体流量低于54Nm3/h时,耳轴下部的溅渣量随顶吹气体流量的增加而迅速增加;顶吹气体流量高于54Nm3/h后,顶吹流量对耳轴下溅渣量的影响较小,甚至可能降低溅渣量。由图3(c)可见,留渣量对耳轴下部溅渣量影响显著,留渣量由0.001m3提高到0.0039 m3(实际渣量分别为1t和3t),耳轴处溅渣量可增加5倍,因此为了提高耳轴和炉帽处的溅渣量,应尽量提高留渣量。

图3 显著影响因素对耳轴下部溅渣量的影响曲线

2.3 显著性影响因素对耳轴上部溅渣量的影响

显著性影响因素对耳轴上部溅渣量的影响如图4所示。由图4(a)可见,随着枪位的提高(在所选的水平内),耳轴上部的溅渣量增加,枪位在110mm时(即实际枪位在1150 mm时),溅渣量达到最大值。综合考虑渣线溅渣量,枪位应控制在90～110mm之间(即1000～1150 mm)时溅渣效果最佳。由图4(b)可见,随着留渣量的增加,耳轴上部的溅渣量呈逐步增加趋势,其与耳轴下部溅渣量的趋势相似。

图4 显著影响因素对耳轴上部溅渣量的影响曲线

2.4 显著性影响因素对炉帽处溅渣量的影响

显著性影响因素对炉帽处溅渣量的影响如图5所示。由图5(a)可见,四孔氧枪更有利于炉帽等高位置炉衬处的溅渣,溅渣量都要高于其它两种枪型。与四孔变角和四孔相比,五孔氧枪对熔池的冲击深度最大,冲击面积最小,其冲击动能大部分都转化为浪涌溅渣的能量,五孔氧枪的溅渣量明显随溅渣高度的增加而降低,对炉帽处的溅渣则低于四孔变角。由图5(b)可见,底吹对炉帽部位溅渣量影响不是很大,但从溅渣效果来看,底吹作用是改变渣滴的溅出方向,提高了溅渣分布的均匀性。图5(c)可见,留渣量低于0.0026 m3(实际渣量为2t)时,随着留渣量的增加,炉帽处溅渣量可显著增加;留渣量高于0.0026 m3时,进一步提高留渣量则不会显著提高炉帽处的溅渣量。图5(d)可见,与黏度对渣线处溅渣量影响有所不同,随着熔渣黏度增加,由浪涌溅渣为主导的渣线溅渣量急剧下降,而由喷射溅渣引起的耳轴和炉帽等高处的溅渣量并没有明显减少。与稀渣相比,尽管正常渣向耳轴和炉帽的溅渣量都有大幅度下降;但与正常渣相比,稠渣向炉帽处的溅渣量更高,基本与稀渣向该处的溅渣量持平,甚至有所增加。因此为了提高耳轴和炉帽等高处溅渣量,应尽量提高炉渣黏度,这样不仅有利于溅起的熔渣黏附于炉衬表面,而且更有利于该渣向耳轴上和炉帽处溅渣。

图5 显著影响因素对炉帽处溅渣量的影响曲线

3 结 论

根据唐钢现有的溅渣护炉工艺条件,炉龄最低可达13000炉,最高达到23000炉,应用四孔变角氧枪对溅渣的影响较小。结合现场单一氧枪冶炼、溅渣的现状,对溅渣护炉的影响性规律进行了正交实验研究并结合冶炼水模拟实验研究结果[4],得出以下结论:

(1)四孔变角氧枪对炉帽处溅渣量较四孔氧枪有所下降,但对整体溅渣溅渣效果影响不大。

(2)溅渣枪位应控制在90～110 mm(实际枪位1 m～1.15 m之间)时,溅渣效果达到最佳,为了提高耳轴和炉帽处溅渣量,可进一步提高枪位。

(3)顶吹气体流量控制为54Nm3/h(实际氮气流量14000Nm3/h),可提高各处溅渣量,溅渣总量可达到留渣量的86.15%。

(4)留渣量控制在0.0033m3(即实际留渣量为2.5 t)以内为宜,进一步提高留渣量不会有明显的溅渣效果。

(5)熔渣黏度低时,有利于通过浪涌向渣线溅渣,但黏附于炉衬的渣量相对较少;熔渣黏度高时,有利于通过喷射向耳轴和炉帽处溅渣,同时有利于熔渣快速粘结在炉衬表面。

(6)底吹流量对各处溅渣量影响相对较弱,综合考虑各处溅渣量,建议采用1.72Nm3/h(实际底吹流量320 Nm3/h)的底吹流量配合顶枪溅渣。

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