RH真空精煉裝置環(huán)射氧槍的實驗研究

趙亮，劉坤，曹東，張曉光，劉廣強(qiáng)，曹祥

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

縮短RH處理時間是釋放鋼廠產(chǎn)能的有效手段之一。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠現(xiàn)有2座180 t RH真空精煉爐，設(shè)計產(chǎn)能320萬t，盡管有ANS-OB和LF作為緩沖，但與轉(zhuǎn)爐450萬t產(chǎn)能銜接明顯吃力，通過單純優(yōu)化組織生產(chǎn)節(jié)奏已不能滿足產(chǎn)能規(guī)模的硬性需求。因此，為了改進(jìn)RH精煉工藝，壓縮工序處理時間，實現(xiàn)真空吹氧深脫碳得到C含量≤0.005 0%的鋼水，每座RH精煉爐都擁有一套RH-TB真空多功能頂吹氧槍。該氧槍在精煉生產(chǎn)中曾發(fā)揮過很好的冶金效果，但隨著生產(chǎn)節(jié)奏的加快，產(chǎn)能的增大，陸續(xù)出現(xiàn)若干缺陷（如真空室內(nèi)噴濺、殘鋼殘渣清理困難等），制約了生產(chǎn)節(jié)奏，增加了設(shè)備空載能耗。因此，針對RH頂槍噴濺問題進(jìn)行了環(huán)射氧槍實驗研究，通過優(yōu)化設(shè)計RH多功能氧槍結(jié)構(gòu)，在原氧槍噴口周圍設(shè)計副氧槍噴口，從而形成環(huán)射效果，在供氧強(qiáng)度不變的前提下減少鋼液噴濺，為生產(chǎn)提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 存在的問題

RH氧槍原設(shè)計時，主要從高位吹氧和吹氧強(qiáng)度角度考慮，為提高脫碳效率，除了增大循環(huán)流量外，還需增加供氧強(qiáng)度。但氧槍噴射喉口直徑偏小，馬赫數(shù)偏高，供氧強(qiáng)度增大后，吹氧沖擊深度過大，導(dǎo)致鋼液噴濺劇烈，在真空槽內(nèi)壁耐材上大量結(jié)瘤，如圖1所示，不僅大大增加人工清理的強(qiáng)度，而且嚴(yán)重增加設(shè)備維護(hù)的難度和時間。

圖1 RH真空槽內(nèi)壁結(jié)瘤情況Fig.1 Nodulation State on Inner Wall of RH Vacuum Tank

2 RH物理模型

以工業(yè)生產(chǎn)的RH精煉裝置為原型，在模型與原型幾何相似的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際RH精煉鋼包及RH精煉設(shè)備的尺寸，按1：5的相似比例制作物理模擬模型。物理模型示意圖如圖2所示。RH真空裝置包括真空泵和真空度控制閥。進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)提供頂槍噴吹氣體以及RH驅(qū)動氣體。檢測設(shè)備包括氣體流量計、PIV流速檢測裝置、測試電極、真空度指示計、電導(dǎo)率測試儀和多通道數(shù)據(jù)記錄儀等。

圖2 RH物理模型示意圖Fig.2 Schematic Diagram for RH Physical Model

原型與物理模型的主要參數(shù)見表1。RH精煉循環(huán)系統(tǒng)中，將鋼液的流動視為粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)等溫流動，物理模擬過程中選用水作為模擬介質(zhì)。

表1 原型和物理模型的主要參數(shù)Table 1 Main Parameters of Prototype and Physical Model

3 理論計算

根據(jù)RH系統(tǒng)工作原理，在真空室抽真空的狀態(tài)下，在上升管內(nèi)輸入驅(qū)動氣體，由此產(chǎn)生的氣泡在上升過程中膨脹驅(qū)動液體向上運(yùn)動，使RH精煉裝置內(nèi)鋼水進(jìn)行循環(huán)流動，由上升管進(jìn)入真空室內(nèi)，經(jīng)過真空處理后由下降管流出。在此過程中，可認(rèn)為裝置內(nèi)的鋼水流動是由慣性力與重力共同作用引起，根據(jù)修正的Froude準(zhǔn)數(shù)來確定試驗參數(shù)用于模擬實驗。計算過程中的主要物性參數(shù)見表2所示。

表2 主要物性參數(shù)Table 2 Main Physical Parameters

將表2中相關(guān)參數(shù)代入式（8），就可以計算出物理模型提升氣體流量與原型之間的關(guān)系如下：

實驗過程中要保證實驗氣體的輸送，同時要保證在進(jìn)入RH上升管前的氣體流動與實際的流體流動處于同一自模化區(qū)的原則，確定在本實驗過程中采用的RH上升管噴嘴內(nèi)徑尺寸D為1 mm。

4 實驗環(huán)射氧槍的設(shè)計

原RH真空室氧槍為單孔直噴的氧槍結(jié)構(gòu)，射流集中，馬赫數(shù)偏高，氧氣沖擊深度過大，造成噴濺非常劇烈。對原氧槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將原單孔直噴的氧槍結(jié)構(gòu)設(shè)計為具有一定角度的多孔型氧槍，并在優(yōu)化后的氧槍結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行環(huán)射氧槍設(shè)計。原RH真空室氧槍與環(huán)射氧槍結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 原RH真空室氧槍與環(huán)射氧槍結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural Diagrams for Original RH Vacuum Oxygen Lance and Encircling Jet-style Oxygen Lance

環(huán)射氧槍將原單孔噴吹結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為4孔、5孔、6孔及8孔分布，保證主噴吹口面積占整個噴吹面積85%以上。環(huán)射氧槍噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。對多孔環(huán)射氧槍進(jìn)行了噴吹實驗，4孔及5孔結(jié)構(gòu)由于噴吹孔較少，且5孔結(jié)構(gòu)具有不對稱分布，環(huán)射效果不明顯。6孔及8孔結(jié)構(gòu)具有較明顯的環(huán)射效果，但8孔結(jié)構(gòu)的主孔噴吹明顯減弱，勢必影響RH吹氧脫碳效果，因此選擇6孔分布環(huán)射氧槍進(jìn)行噴濺實驗。

圖4 環(huán)射氧槍噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Structural Design for Nozzle of Encircling Jet-style Oxygen Lance

實驗用環(huán)射氧槍由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求加工精度高，因此采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工制作。將模型結(jié)構(gòu)基于Solidwork軟件制圖，電腦將建立的模型輸入3D打印機(jī)，應(yīng)用高精度的3D打印PLA材質(zhì)，輸出的模型尺寸及精度顯著提高。環(huán)射 氧槍槍頭3D打印實物如圖5所示。

圖5 環(huán)射氧槍槍頭3D打印實物Fig.5 Head Objects of Encircling Jet-style Oxygen Lance by 3D Printing

5 實驗結(jié)果與分析

選擇6孔分布環(huán)射氧槍與原型進(jìn)行水模對比實驗。頂槍噴吹氣量及RH提升氣體流量在兩種結(jié)構(gòu)氧槍的實驗過程中均保持一致。圖6為原氧槍與環(huán)射氧槍噴濺對比?？梢钥闯?，目視左側(cè)原型氧槍被濺起的水滴嚴(yán)密包裹，而右側(cè)的環(huán)射氧槍噴頭清晰可見。當(dāng)頂槍供氧強(qiáng)度一定時，與原型相比，應(yīng)用環(huán)射多孔氧槍液面噴濺明顯降低。由此可以推測真空室內(nèi)部結(jié)瘤必然降低。分析認(rèn)為，真空條件下，高壓氣體在環(huán)射氧槍內(nèi)，由于受氧槍結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生主氣體噴吹及周圍小孔徑噴吹，在周圍小孔徑噴吹作用的保護(hù)下，主氣體產(chǎn)生聚合效應(yīng)，因此，在相同氣體流量下，真空室內(nèi)的噴濺明顯減弱。這種現(xiàn)象必將在RH真空室吹氧脫碳過程中再現(xiàn)，會大大縮短真空室內(nèi)壁結(jié)瘤的清理周期，提高RH裝置的使用壽命。另外，從沖擊凹坑還可看出，環(huán)射氧槍對真空室內(nèi)液面的沖擊深度變淺，沖擊面積大于原型氧槍，這勢必會增加脫碳面積，進(jìn)而加速真空室內(nèi)脫碳反應(yīng)的進(jìn)行，縮短RH真空精煉時間。

圖6 原氧槍與環(huán)射氧槍噴濺對比Fig.6 Comparison of Splashing State between Original Oxygen Lance and Encircling Jet-style Oxygen Lance

在實際生產(chǎn)中，副氧道（小孔）伴生環(huán)射小氣流可以充分利用脫氧產(chǎn)生的CO進(jìn)行二次燃燒，放出大量熱量，保持真空室熱頂蓋和中部槽的高溫狀態(tài)，減少熱損失，降低能源消耗，減輕由于耐材大量結(jié)瘤導(dǎo)致縮小廢氣排出通道的影響，保證真空效率，降低真空泵負(fù)載，縮短化冷鋼（渣）時間，減少事故。同時主氧道噴射出的氧氣在保護(hù)氣體的作用下，與鋼水作用更加充分，能夠改善脫碳效果。

6 結(jié)語

以工業(yè)生產(chǎn)RH精煉裝置為原型，在模型與原型幾何相似的基礎(chǔ)上，采用水模擬實驗，針對RH頂槍噴濺問題進(jìn)行環(huán)射氧槍實驗研究，優(yōu)化設(shè)計RH多功能氧槍結(jié)構(gòu)，與常規(guī)RH頂吹氧槍相比，環(huán)射氧槍對真空室內(nèi)鋼液沖擊面積更大，噴濺更小。環(huán)射氧槍可以增加真空室內(nèi)CO的燃燒率，減少真空室熱損失，降低能源消耗。主氧道噴射出的氧氣在保護(hù)氣體的作用下與鋼水作用更充分，能夠改善脫碳效果。6孔分布的環(huán)射氧槍在保證主噴吹孔供氧強(qiáng)度的同時，具有明顯的環(huán)射噴吹效果。