轉(zhuǎn)爐無渣出鋼工藝的物理模擬

鄒海歷，張峻綱，林小祥，武鴻杰，儲成陽，周 俐，常立忠

(1.歐冶鏈金再生資源有限公司，安徽馬鞍山 243002；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032)

隨著時代的發(fā)展，市場對鋼材用量的追求已逐漸轉(zhuǎn)向?qū)|(zhì)量的追求。為更好地滿足用戶需求，提高鋼水潔凈度、減少鋼水有害元素及夾雜物含量至關(guān)重要[1-3]。轉(zhuǎn)爐出鋼過程中，隨著鋼液面的降低，易形成漩渦，造成匯流下渣[4-5]。出鋼末期，爐渣堿度與氧化亞鐵含量較高，爐渣會隨著漩渦進入鋼水，嚴重影響鋼水質(zhì)量，降低鋼水收得率，進而增加后續(xù)爐外精煉的負擔(dān)和成本；爐渣會加大對出鋼口的氧化和沖刷，縮短出鋼口的使用壽命，另被氧化的材料進入鋼液，也會降低鋼水質(zhì)量[6-8]。因此，有必要優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼工藝，改善出鋼過程中的下渣狀況。

Monji等[9]通過制作水模型研究出鋼過程的漩渦現(xiàn)象，結(jié)果表明，水溫通過黏度影響渦核長度，渦核長度隨水溫的平均變化率約8.5%；王建強等[10]利用計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)流體模擬軟件Fluent 6.3分析出鋼過程流場，結(jié)果表明，流體流線分布紊亂是導(dǎo)致渦流產(chǎn)生的一個重要原因，出鋼中后期流線分布復(fù)雜紊亂，渦流卷渣不可避免；趙永志等[11]、Davila 等[12]通過流體體積(volume of fluid，VOF)模型研究漩渦的產(chǎn)生機理，結(jié)果表明，漩渦的產(chǎn)生、分布和旋轉(zhuǎn)具有一定的規(guī)律性，旋轉(zhuǎn)速度能直接影響漩渦狀態(tài)，鋼液高度影響漩渦的卷渣高度；藺瑞等[13]通過Fluent軟件對60 t鋼包的澆注進行數(shù)值模擬，利用氣液兩相模型和湍流模型研究澆注過程，發(fā)現(xiàn)水口大小和位置對漩渦的產(chǎn)生影響較大，找出不同條件下水口的最佳位置能夠有效控制漩渦的產(chǎn)生。目前，有關(guān)擋渣出鋼和防旋渦方法的研究取得一定進展，但擋渣效率和防漩渦的準(zhǔn)確性仍顯不足，需設(shè)計高效的方法來解決。鑒于此，以某鋼廠120 t轉(zhuǎn)爐的出鋼情況為基礎(chǔ)，采用物理模擬的方法分析不同直徑出鋼口及出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)下出鋼口內(nèi)部流體流動狀態(tài)，以期提高擋渣效率和防漩渦的準(zhǔn)確性。

1 實驗

1.1 實驗原理

水模擬的理論基礎(chǔ)為相似理論，根據(jù)相似三定律，模擬時要保證轉(zhuǎn)爐模型與原型的韋伯?dāng)?shù)We和弗勞德數(shù)Fr相等[14-15]，即(We)1=(We)2,(Fr)1=(Fr)2。其中1表示原型；2表示模型。

轉(zhuǎn)爐本體尺寸較大、出鋼口直徑較小，若直接運用相似理論制作轉(zhuǎn)爐模型，則出鋼口模型尺寸過小，難以觀測出鋼口內(nèi)流體流動情況，實驗結(jié)果誤差過大；若放大模型比例，可清楚地觀察流體在出鋼口內(nèi)的流動情況，但轉(zhuǎn)爐本體的模型尺寸過大，成本過高。為此，通過相似理論計算，采取局部相似模擬的方法，針對轉(zhuǎn)爐出鋼口，保證模型與原型邊界條件相似。綜合考慮現(xiàn)場轉(zhuǎn)爐尺寸、轉(zhuǎn)爐出鋼口直徑及模擬實驗情況，確定局部幾何相似比為1∶2，在轉(zhuǎn)爐爐身截取如圖1所示部位。轉(zhuǎn)爐模型內(nèi)的爐渣密度和渣量與現(xiàn)場一致，爐渣占鋼水質(zhì)量的5%～8%，本實驗取5%。

圖1 轉(zhuǎn)爐局部圖Fig.1 Partial drawing of converter

采用8 mm 厚的有機玻璃制作轉(zhuǎn)爐模型，模型支架采用H 型鋼焊接；采用常溫下的自來水模擬鋼液；采用與轉(zhuǎn)爐爐渣密度相近的植物油模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼的環(huán)境，同時將聚苯乙烯粒子與石蠟按比例混合為密度與爐渣相同的粒子，用以代替轉(zhuǎn)爐爐渣[16]。

1.2 實驗方法

1.2.1 轉(zhuǎn)爐出鋼模擬實驗

設(shè)計直徑為120，140，160 mm 及變徑的出鋼口進行轉(zhuǎn)爐出鋼模擬實驗，變徑出鋼口為連接轉(zhuǎn)爐部分直徑160 mm、中間直徑140 mm、底部直徑120 mm 的喇叭型。再對優(yōu)化直徑的出鋼口設(shè)置平板和十字架進行出鋼口內(nèi)型優(yōu)化實驗，每組實驗重復(fù)5 次，取5 次實驗的平均值為最終結(jié)果，且觀察其卷渣情況。不同形狀的平板和十字架如圖2。

圖2 出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of tap hole

1.2.2 下渣量的測定

文中計算的下渣量指轉(zhuǎn)爐出鋼開始到出鋼末期形成匯流下渣期間由鋼水帶出的渣量。實際生產(chǎn)過程中通過測量渣層厚度來估算下渣量，此方法并不能準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)爐出鋼過程的下渣量。實驗過程中通過植物油定性模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼的環(huán)境，出鋼結(jié)束收集從水口流出的粒子并測量其數(shù)量，每組實驗均保持一致，粒子數(shù)量均為1 000 個。通過計算粒子數(shù)確定不同條件下的卷渣量，以無卷渣出鋼為最終目標(biāo)。將轉(zhuǎn)爐固定在傾角90°，轉(zhuǎn)爐模型出鋼結(jié)束以漩渦到達出鋼口為標(biāo)準(zhǔn)。出鋼結(jié)束及時關(guān)閉閥門，防止下渣。

1.2.3 出鋼時間及剩余鋼水量的測定

實驗過程中，利用攝像機錄像記錄出鋼時間。將出鋼時產(chǎn)生的渦流到達出鋼口位置記為出鋼終點，此時的鋼液位置即為卷渣高度。出鋼結(jié)束放出模型內(nèi)剩余鋼液，重新在模型中以一定的流速放水，并記錄時間，待液面到達卷渣高度的位置時停止計時，加入的水量即為剩余鋼水量。剩余鋼水量直接影響每爐鋼水的收得率，減少剩余鋼水量能夠大幅提高鋼水收得率，降低成本。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 出鋼口直徑對轉(zhuǎn)爐出鋼的影響

不同出鋼口直徑下的轉(zhuǎn)爐出鋼情況如圖3。由圖3 可看出：出鋼口直徑為120 mm 時，平均出鋼時間為33.8 s、平均剩余鋼水量為27.61 L、平均卷渣量為22.6 個；整個出鋼過程中，出鋼前期鋼水高度較高，鋼水流速較大，出鋼量較多；出鋼中期鋼水流速明顯變慢，出鋼量明顯降低；出鋼末期鋼水量較少，鋼水流速變慢，形成渦流造成卷渣，出鋼口流出的水口中含大量植物油及聚苯乙烯粒子，水流呈黃褐色。渦流到達出鋼口時關(guān)閉閥門，此時渦流形成的渣部分隨鋼水流出，部分卷渣在管徑內(nèi)回流到模型內(nèi)。出鋼結(jié)束后，轉(zhuǎn)爐模型內(nèi)剩余少量鋼水及大部分爐渣，同時爐模型內(nèi)壁沾有少量植物油。

圖3 不同直徑出鋼口下的出鋼結(jié)果Fig.3 Tapping results under tap holes with different diameters

出鋼口直徑為140 mm 時，平均出鋼時間為29.6 s，較直徑120 mm時減少4.2 s；平均剩余鋼水量為26.40 L，轉(zhuǎn)直徑120 mm 時出鋼量略微增加；平均卷渣量為15.4 個，較直徑120 mm 的有所降低，出鋼口效果較120 mm 的好。出鋼末期鋼水量較少，鋼水流速變慢，形成渦流造成卷渣；出鋼結(jié)束，鋼水高度較直徑120 mm 的下降1 cm 左右，出鋼口流出的鋼水中含大量植物油及聚苯乙烯粒子。

出鋼口直徑為160 mm 時，平均出鋼時間為17.4 s，較直徑120，140 mm 的出鋼時間分別快16.4，12.2 s，出鋼口直徑增大對出鋼時間的提升效果明顯；平均剩余鋼水量為37.82 L，平均卷渣量為30.2個，出鋼量有所減少、卷渣量增大。在出鋼口開始出鋼到出鋼結(jié)束的過程中鋼水流速大，出鋼量較多，渦流較大，且形成渦流的時間提前；出鋼末期剩余鋼水的高度較大，形成的渦流造成卷渣，出渣量增大。

采用喇叭型的變徑出鋼口時，平均出鋼時間為28.2 s、平均剩余鋼水量為28.95 L、平均卷渣量為6.2 個，喇叭型出鋼口可較好地控制卷渣。出鋼末期鋼水量較少，鋼水流速變慢，由于出鋼口底部管徑較小，便于控制，在爐渣流出之前關(guān)閉滑板擋渣。此時渦流形成的渣只有小部分隨鋼水流出，大部分卷渣在管徑內(nèi)回流到模型內(nèi)。出鋼結(jié)束，轉(zhuǎn)爐模型內(nèi)剩余少部分鋼水和大量爐渣。

綜上分析可看出：喇叭型出鋼口效果最佳，卷渣量較其他3種直通形出鋼口分別減少73%，60%，79%；出鋼時間比直徑120，140 mm 分別減少17%和5%，比直徑160 mm 增加60%；但直徑160 mm 出鋼口的剩余鋼水量最大，為37.82 L，鋼水收得率低，綜合出鋼效果不如變徑出鋼口。因此，轉(zhuǎn)爐出鋼時宜采用喇叭型出鋼口，此種出鋼口操作簡單、維護方便、鋼水收得率高；卷渣量較小、擋渣成功率高，利于提高鋼水潔凈度。

2.2 內(nèi)型結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)爐出鋼的影響

變徑出鋼口搭配不同內(nèi)型結(jié)構(gòu)下的轉(zhuǎn)爐出鋼情況如圖4。由圖4 可看出：相較于其他3 種情況，1 號平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時間最小，為28.0 s；平均剩余鋼水量最大，為36.68 L；平均卷渣量為2.8個，卷渣效果較變徑不加平板條件下降低54%左右。

圖4 不同內(nèi)型結(jié)構(gòu)下的出鋼結(jié)果Fig.4 Tapping results under different internal structures

出鋼末期，平板結(jié)構(gòu)可使渦流到達出鋼口時被破壞，改變鋼水流動趨勢，降低出鋼速率。2 號平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時間為31.4 s、平均剩余鋼水量為30.20 L、平均卷渣量為4.4 個，與1 號平板相比，除剩余鋼水量外，其他2 項數(shù)據(jù)有所提高。這是因為2 號平板是在1 號平板的基礎(chǔ)上進行改造的，將出鋼口內(nèi)部平板延伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部，可更好地破壞出鋼口上方出現(xiàn)的渦流，減少卷渣，致使出鋼末期渦流在未到達出鋼口時被破壞。3 號十字平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時間為29.8 s，平均剩余鋼水量為27.32 L，平均卷渣量為2.2個、較1號平板降低65%。這是因為十字架形狀的出鋼口橫截面積較小，增加了轉(zhuǎn)爐出鋼時間；由于內(nèi)型結(jié)構(gòu)的改變，出鋼末期渦流流動狀態(tài)也發(fā)生改變。4 號十字平板下轉(zhuǎn)爐的平均出鋼時間為31.0 s，平均剩余鋼水量最小(為25.27 L)，平均卷渣量最小(為1.2個)。與2號平板相似，4號十字平板是在3號十字平板下的出鋼口內(nèi)型延伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部，內(nèi)型結(jié)構(gòu)的改變對轉(zhuǎn)爐出鋼過程有較大影響，出鋼末期渦流幾乎消失，對提高鋼水潔凈度、增大鋼水收得率有很大作用。

綜上分析可看出：在變徑出鋼口條件下，改變出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)可改善轉(zhuǎn)爐卷渣情況；變徑出鋼口搭配十字平板內(nèi)型結(jié)構(gòu)下的出鋼時間總體上高于變徑出鋼口搭配平板結(jié)構(gòu)，但剩余鋼水量、卷渣量均低于變徑出鋼搭配平板結(jié)構(gòu)；變徑出鋼口搭配十字平板伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部的4號平板綜合效果最好，出鋼時間為31.0 s、卷渣量為1.2個、剩余鋼水量為25.27 L。

3 結(jié)論

對某鋼廠120 t 轉(zhuǎn)爐進行出鋼口優(yōu)化模擬實驗，分析出鋼口直徑及內(nèi)型結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)爐出鋼過程的影響，得到以下主要結(jié)論：

1)僅改變出鋼口直徑的條件下，變徑出鋼口的轉(zhuǎn)爐出鋼過程效果最佳，出鋼時間為28.2 s、剩余鋼水量為28.95 L、卷渣量為6.2個、擋渣成功率為99.4%。

2)在變徑出鋼口條件下，改變出鋼口內(nèi)型，卷渣情況均有所改善。變徑出鋼口搭配十字平板伸至轉(zhuǎn)爐內(nèi)部的4號平板卷渣改善情況最佳，卷渣量為1.2個、擋渣成功率達99.9%，同時剩余鋼水量最少(為25.27 L)，出鋼時間較其他差別不大。

3)采用變徑出鋼口同時搭配十字型出鋼口內(nèi)型結(jié)構(gòu)可減少轉(zhuǎn)爐出鋼過程卷渣，有利于減少鋼水回磷，提高合金收得率；有利于減少鋼中夾雜物，提高鋼水潔凈度及減少鋼包粘渣，延長鋼包使用壽命。