钢包精炼底吹喷嘴分布对搅拌效率的影响

侯 春 陈 钊 张 林 范哲铭 廖 轶 高 尚

(1.中钢集团鞍山热能研究院有限公司，2.鞍钢集团朝阳钢铁有限公司)

各种炉外精炼工艺可以改善冶金化学反应的热力学条件，加速熔池传质速度，增大渣钢反应面积，适用于各类纯净钢、超纯净钢的冶炼[1]。

钢包底吹Ar工艺工序连贯优势最为突出，Ar通过安装在钢包底部的透气砖吹入钢包，不溶于钢液也不参与任何化学反应，钢液中的杂质气体(主要为H2和N2)不断快速地扩散至Ar气泡内，并随之上浮至钢液表面最终逸出[2-3]。

钢包底部喷嘴的分布对底吹Ar搅拌效果有明显的影响，通过水模实验模拟钢包底吹Ar，得出喷嘴分布的最佳方案。

1 钢包底吹水模实验方案

1.1 水模实验底吹供气量设计

实验钢包模型的材质为有机玻璃，尺寸为某钢厂150 t钢包实际尺寸的1/6，以水模拟钢液、空气模拟Ar。根据相似原理及动力学条件相似，选择气体惯性力和钢液重力之比的修正Froude准数为水模实验的定性准数[4-5]。即：

Frm=Fra

(1)

(2)

式中：Qm为实验供气量，m3/h；Qa实际供气量，m3/h；dm为模型直径，mm；da为实际钢包熔池直径，mm；ρm，w为水的密度，kg/m3；ρa，s为钢液的密度，kg/m3；ρm，g为空气的密度，kg/m3；ρa，g为Ar的密度，kg/m3。

根据式(2)得到水模实验有关参数如表1所示。

表1 某钢厂150 t钢包和水模实验有关参数

1.2 水模实验装置及步骤

钢包熔池的搅拌效率由均混时间来判定，即均混时间越短，钢包的搅拌效率越高。

具体的实验步骤为：水模钢包中加入475 mm的水，通入固定流量的压缩空气对容器中的水进行搅拌，在水模钢包一侧固定位置倒入100 mL浓度为0.05 mol/L的碱液作为示踪剂，另一侧pH计探头连接计算机记录喷吹搅拌后溶液的pH变化，当pH波动为±0.01时认为稳定。从开始倒入碱液到示数稳定所用时间即为搅拌均混时间，每个供气量进行五组实验，并取平均值[6]。图1为水模实验装置简图，pH计为杭州东星仪器设备厂生产，型号为pHS—3c。

图1 底吹搅拌钢液的水模实验装置

1.3 底吹喷嘴方案设计

该水模实验底吹喷嘴设计方案分为两步：

第一步，优化喷嘴数量。喷嘴距中心距离N1选取0.17D(D为钢包模型的直径)，分别选取喷嘴个数为1、2、3和4个(如图2)，进行喷吹实验，从而得出相同供气量的情况下，最优喷嘴个数。

图2 不同数量喷嘴的分布方式

第二步，优化双喷嘴喷吹模式。喷嘴距中心距离N1分别选取0.17D、0.25D和0.33D，两喷嘴的夹角分别为60°、90°和180°[7](如图3)，喷嘴位置为0.17D60°、0.25D60°、0.33D60°、0.17D90°、0.25D90°、0.33D90°、0.17D180°、0.25D180°和0.33D180°。

图3 双喷嘴喷吹模式

2 实验结果分析

2.1 喷嘴数量对均混时间的影响

当供气量为0.20 m3/h时，不同喷嘴数量和均混时间的对应关系如表2所示。

表2 喷嘴数量与均混时间的关系

由表2可知，当喷嘴数量为2个时，均混时间最短，为75.7 s，即搅拌效果最好。当喷嘴数量为1个时，水模钢包内喷吹点单一，喷吹范围小，液体搅拌流场小，搅拌能力不足，均混时间长。但喷嘴数量大于2个时，各股气流互相干扰，流场不稳定，能量损失大，反而不利于搅拌效率的提高，进而延长均混时间。

2.2 供气量对均混时间的影响

以双喷嘴喷吹模式为0.17D90°为例，不同供气量和均混时间的对应关系如表3所示。

由表3可知，随着供气量增加，气体流动速度加快，搅拌能力增强，带动水模钢包内液体流动速度加快，均混时间逐渐缩短，平均均混时间由90.6 s降至68.0 s。当供气量达到0.27 m3/h以后，供气量再增大，均混时间趋于平缓。考虑能源利用率，即最大限度发挥搅拌动能，实际生产建议供气量采用54 m3/h。

2.3 双喷嘴喷吹模式对均混时间的影响

当供气量为0.27 m3/h时，双喷嘴不同喷吹模式和均混时间的关系如表4所示。

表4 喷吹模式与均混时间的关系

由表4可知，双喷嘴喷吹模式有9种，喷嘴之间的夹角分别为60°、90°、180°，喷嘴距中心的距离N1分别为0.17D、0.25D、0.33D，计算可得，两喷嘴之间的实际距离N为0.17D～0.66D。当喷嘴间夹角为60°时，随着两喷嘴实际距离增大，平均均混时间逐渐缩短，由72.4 s降至67.5 s，喷嘴间夹角为90°和180°时，均混时间变化规律相同。当喷嘴距中心距离N1为0.17D时，随着两喷嘴夹角增大，喷嘴实际距离也增大，平均均混时间逐渐缩短，由72.4 s降至67.4 s，喷嘴距中心距离为0.25D和0.33D时，均混时间变化规律相同。

综上所述，当喷吹模式为0.33D180°时，搅拌区域流场流动性好，搅拌能力强，均混时间最少，为57.7 s。反之，喷吹模式为0.17D60°时，均混时间最长，为72.4 s。喷吹均混时间与双喷嘴间距呈负相关关系，即双喷嘴相距越大，搅拌过程中两气柱互相干扰越小，气流流动能量损失越少，越利于液体搅拌均匀，均混时间越短。

2.4 双喷嘴供气比例对均混时间的影响

以供气量为0.27 m3/h，双喷嘴喷吹模式为0.33D180°为例，双喷嘴供气量比例和均混时间的对应关系如表5所示。

表5 双喷嘴供气量比例与均混时间的关系

由表5可知，当两喷嘴供气量比例为5∶5时，均混时间最短，为57.7 s；两个喷嘴供气量比例不等时，均混时间较长，分别为58.6、60.0和61.5 s。当供气量比例不等时，供气量大的喷嘴区域流场流动性好，搅拌效果佳；供气量小的喷嘴区域流场流动性较差，同时受到邻近高供气量喷嘴区域流场的影响，该区域流场处于紊乱状态，夹杂物聚集上浮受到抑制，夹杂物去除效率低。因此，双喷嘴的供气量越平均，钢包的流场越稳定，均混时间越短，除渣效果越显著。

3 结论

(1)相同供气量的情况下，双喷嘴喷吹时均混时间最短，当供气量为0.20 m3/h时，均混时间为75.7 s。喷嘴数量增加后，多股气流互相干扰的情况严重，影响搅拌效率。

(2)双喷嘴喷吹模式为0.17D90°时，当水模实验供气量达到0.27 m3/h以后，均混时间趋于平缓，建议实际生产供气量采用54 m3/h。

(3)供气量为0.27 m3/h的条件下，双喷嘴喷吹模式为0.33D180°时均混时间最短，为57.7 s。双喷嘴喷吹模式为0.17D60°时均混时间最长，为72.4 s。水模搅拌均混时间与双喷嘴间距呈负相关关系。

(4)双喷嘴喷吹模式为0.33D180°的情况下，双喷嘴供气量比例为5∶5时均混时间最短，为57.7 s；分配不均时，供气量小的喷嘴流场受供气量大的喷嘴流场影响呈紊乱状态，搅拌效果不好。