大流量底吹转炉的水模拟研究

章 杰，朱 荣，李伟峰，唐逸兴

(1.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083；2.北京科技大学 高端金属材料特种熔炼与制备北京市重点实验室，北京 100083)

目前，转炉主要是通过顶吹氧气，底吹氩气或氮气进行冶炼。随着市场对低磷钢和超低磷钢的需求日益增大，传统顶底复吹转炉已经难以经济高效地生产此类钢种[1-2]。而底吹O2-CaO转炉显著改善了转炉的脱磷条件，可以稳定地冶炼低磷钢[3-4]。水模拟对于研究转炉熔池的传输动力学条件具有重要意义[5-6]。由于CaO颗粒是由大流量底吹气体作为载气送入转炉的金属熔池内，因此，对于大流量底吹转炉的物理模拟将为底吹O2-CaO转炉研究提供重要理论基础。

1 水模拟实验

1.1 实验原理

本实验利用水模拟钢液，利用空气模拟氧气进行冷态实验。根据相似原理，不仅要保证模型和原型几何相似，而且要保证模型和原型的动力相似[7-8]。

λ=lm/lp

(1)

式中：lm和lp代表模型和原型的几何尺寸。

动力相似就要求模型和原型修正的Froude准数(Fr′)相等，即

(Fr′)m=(Fr′)p

(2)

(3)

由式(3)计算可得模型和原型气体流速的对应关系，即

(4)

再进一步确定模型和原型气体流量的对应关系，即

(5)

式中：ρlm、ρlp分别为模型和原型的液体密度，kg/m3；ρgm、ρgp分别为模型和原型的气体密度，kg/m3；dm、dp分别为模型和原型氧枪及底枪直径，mm；g为重力加速度，m/s2；vm、vp分别是模型和原型的气体流速，m/s；Qm、Qp分别为模型和原型的气体流量，m3/h(标准)。

本实验选取的相似比λ为1∶5，计算得到模型和原型的主要相关参数如表1所示。

表1模型和原型的主要参数

1.2 实验装置

本实验的实验装置主要包括有机玻璃转炉模型、空气压缩机、储气罐、压力表、转子流量计、氧枪、底吹原件、电极、电导率仪以及DJ800采集卡。水模拟实验装置如图1所示，4种底吹位置如图2所示。

图1 水模拟实验装置示意图

图2 底吹位置示意图

1.3 实验方法

利用水模拟实验，通过混匀时间的快慢来判断熔池搅拌的强弱。实验前将两根电极分别安装在转炉模型底部的不同位置，按照设计好的实验方案调整底吹位置、枪位、顶吹流量和底吹流量，气体吹入熔池1 min后，熔池运动状态基本稳定，然后开始实验。用饱和KCl溶液作为示踪剂，每炉100 mL，在固定位置迅速加入转炉熔池并开始采集电导率数据，持续采集90 s。每种实验方案重复做三次，混匀时间取这三次实验结果的平均值。

2 实验结果分析

本实验采用正交法，利用统计分析软件SPSS设计16组正交实验方案，熔池混匀时间如表2所示。

表2 混匀时间记录表

续表

进行多因素方差分析时，必须保证数据整体上具有正态分布特征。因此，需要在SPSS软件中对16组正交实验结果进行K-S检验(Kolmogorov-Smirnov Test)，检验结果P=0.134>0.05，实验结果符合正态分布，可以进行多因素方差分析。

表3为方差分析表。表3中的显著性水平P的大小代表因素对混匀时间的影响强弱。P值越小，对混匀时间的影响越大。当P<0.01时，说明因素对混匀时间有极其显著的影响；当P<0.05时，说明因素对混匀时间有显著性影响；当P>0.05时，说明因素对混匀时间无显著性影响。

表3 方差分析表

P<0.05，说明吹位置对混匀时间有显著性影响。枪位、底吹流量、顶吹流量的P值均大于0.05，对混匀时间没有显著性影响。各因素对混匀时间的影响程度由大到小为：底吹位置>顶吹枪位>底吹流量>顶吹流量。

表4为单因素描述统计表，由表4中的平均值数据可以得到如图3所示的混匀时间变化趋势图。由图3可知，底吹位置为D2(0.4R)时熔池的搅拌效果最佳并且其搅拌效果比其他布置方式有较明显优势，其中底吹位置为D4(0.6R)时，熔池搅拌效果最差。

表4 单因素描述统计表

图3 混匀时间变化趋势图

顶吹枪位为C2(400 mm)时，混匀时间最短。当顶吹枪位为C3(460 mm)时，顶吹气体与钢液面距离增大，到达液面时能量损失大，冲击深度变浅，对熔池的搅拌效果减弱。当顶吹枪位为C1(340 mm)时，顶吹气体和底吹气体动能部分相互抵消，使熔池搅拌减弱。

底吹流量为B2(15.7 m3/h(标准))时，混匀效果最好。随着底吹流量增加，混匀时间先缩短后延长。当底吹流量增加，底吹气体所带入的动能越多，但是流量过大时会有部分动能被气体带离钢液面，减弱搅拌。

顶吹流量为A2(164 m3/h(标准))时，熔池搅拌效果最好。随着顶吹流量增大，混匀时间有所缩短，但是继续增大流量，会使顶吹气体和底吹气体的部分动能抵消，造成混匀时间延长的结果。因此，随着顶吹流量的增大，混匀时间先缩短后延长。

3 结 论

(1)底吹位置对转炉熔池的混匀时间具体显著性影响，各个因素对混匀时间的影响程度由大到小为：底吹位置>顶吹枪位>底吹流量>顶吹流量。

(2)正交实验结果所确定的最佳实验方案为D2C2B2A2(对应的原型参数为底吹位置0.4R，顶吹枪位2 000 mm，底吹流量2 200 m3/h(标准)，顶吹流量23 000 m3/h(标准))。此时，熔池的混匀时间最短,熔池搅拌效果最好。