鋼包精煉底吹噴嘴分布對攪拌效率的影響

侯 春 陳 釗 張 林 范哲銘 廖 軼 高 尚

(1.中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司，2.鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司)

各種爐外精煉工藝可以改善冶金化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)條件，加速熔池傳質(zhì)速度，增大渣鋼反應(yīng)面積，適用于各類純凈鋼、超純凈鋼的冶煉[1]。

鋼包底吹A(chǔ)r工藝工序連貫優(yōu)勢最為突出，Ar通過安裝在鋼包底部的透氣磚吹入鋼包，不溶于鋼液也不參與任何化學(xué)反應(yīng)，鋼液中的雜質(zhì)氣體(主要為H2和N2)不斷快速地擴散至Ar氣泡內(nèi)，并隨之上浮至鋼液表面最終逸出[2-3]。

鋼包底部噴嘴的分布對底吹A(chǔ)r攪拌效果有明顯的影響，通過水模實驗?zāi)M鋼包底吹A(chǔ)r，得出噴嘴分布的最佳方案。

1 鋼包底吹水模實驗方案

1.1 水模實驗底吹供氣量設(shè)計

實驗鋼包模型的材質(zhì)為有機玻璃，尺寸為某鋼廠150 t鋼包實際尺寸的1/6，以水模擬鋼液、空氣模擬Ar。根據(jù)相似原理及動力學(xué)條件相似，選擇氣體慣性力和鋼液重力之比的修正Froude準(zhǔn)數(shù)為水模實驗的定性準(zhǔn)數(shù)[4-5]。即：

Frm=Fra

(1)

(2)

式中：Qm為實驗供氣量，m3/h；Qa實際供氣量，m3/h；dm為模型直徑，mm；da為實際鋼包熔池直徑，mm；ρm，w為水的密度，kg/m3；ρa，s為鋼液的密度，kg/m3；ρm，g為空氣的密度，kg/m3；ρa，g為Ar的密度，kg/m3。

根據(jù)式(2)得到水模實驗有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 某鋼廠150 t鋼包和水模實驗有關(guān)參數(shù)

1.2 水模實驗裝置及步驟

鋼包熔池的攪拌效率由均混時間來判定，即均混時間越短，鋼包的攪拌效率越高。

具體的實驗步驟為：水模鋼包中加入475 mm的水，通入固定流量的壓縮空氣對容器中的水進(jìn)行攪拌，在水模鋼包一側(cè)固定位置倒入100 mL濃度為0.05 mol/L的堿液作為示蹤劑，另一側(cè)pH計探頭連接計算機記錄噴吹攪拌后溶液的pH變化，當(dāng)pH波動為±0.01時認(rèn)為穩(wěn)定。從開始倒入堿液到示數(shù)穩(wěn)定所用時間即為攪拌均混時間，每個供氣量進(jìn)行五組實驗，并取平均值[6]。圖1為水模實驗裝置簡圖，pH計為杭州東星儀器設(shè)備廠生產(chǎn)，型號為pHS—3c。

圖1 底吹攪拌鋼液的水模實驗裝置

1.3 底吹噴嘴方案設(shè)計

該水模實驗底吹噴嘴設(shè)計方案分為兩步：

第一步，優(yōu)化噴嘴數(shù)量。噴嘴距中心距離N1選取0.17D(D為鋼包模型的直徑)，分別選取噴嘴個數(shù)為1、2、3和4個(如圖2)，進(jìn)行噴吹實驗，從而得出相同供氣量的情況下，最優(yōu)噴嘴個數(shù)。

圖2 不同數(shù)量噴嘴的分布方式

第二步，優(yōu)化雙噴嘴噴吹模式。噴嘴距中心距離N1分別選取0.17D、0.25D和0.33D，兩噴嘴的夾角分別為60°、90°和180°[7](如圖3)，噴嘴位置為0.17D60°、0.25D60°、0.33D60°、0.17D90°、0.25D90°、0.33D90°、0.17D180°、0.25D180°和0.33D180°。

圖3 雙噴嘴噴吹模式

2 實驗結(jié)果分析

2.1 噴嘴數(shù)量對均混時間的影響

當(dāng)供氣量為0.20 m3/h時，不同噴嘴數(shù)量和均混時間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 噴嘴數(shù)量與均混時間的關(guān)系

由表2可知，當(dāng)噴嘴數(shù)量為2個時，均混時間最短，為75.7 s，即攪拌效果最好。當(dāng)噴嘴數(shù)量為1個時，水模鋼包內(nèi)噴吹點單一，噴吹范圍小，液體攪拌流場小，攪拌能力不足，均混時間長。但噴嘴數(shù)量大于2個時，各股氣流互相干擾，流場不穩(wěn)定，能量損失大，反而不利于攪拌效率的提高，進(jìn)而延長均混時間。

2.2 供氣量對均混時間的影響

以雙噴嘴噴吹模式為0.17D90°為例，不同供氣量和均混時間的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

由表3可知，隨著供氣量增加，氣體流動速度加快，攪拌能力增強，帶動水模鋼包內(nèi)液體流動速度加快，均混時間逐漸縮短，平均均混時間由90.6 s降至68.0 s。當(dāng)供氣量達(dá)到0.27 m3/h以后，供氣量再增大，均混時間趨于平緩。考慮能源利用率，即最大限度發(fā)揮攪拌動能，實際生產(chǎn)建議供氣量采用54 m3/h。

2.3 雙噴嘴噴吹模式對均混時間的影響

當(dāng)供氣量為0.27 m3/h時，雙噴嘴不同噴吹模式和均混時間的關(guān)系如表4所示。

表4 噴吹模式與均混時間的關(guān)系

由表4可知，雙噴嘴噴吹模式有9種，噴嘴之間的夾角分別為60°、90°、180°，噴嘴距中心的距離N1分別為0.17D、0.25D、0.33D，計算可得，兩噴嘴之間的實際距離N為0.17D～0.66D。當(dāng)噴嘴間夾角為60°時，隨著兩噴嘴實際距離增大，平均均混時間逐漸縮短，由72.4 s降至67.5 s，噴嘴間夾角為90°和180°時，均混時間變化規(guī)律相同。當(dāng)噴嘴距中心距離N1為0.17D時，隨著兩噴嘴夾角增大，噴嘴實際距離也增大，平均均混時間逐漸縮短，由72.4 s降至67.4 s，噴嘴距中心距離為0.25D和0.33D時，均混時間變化規(guī)律相同。

綜上所述，當(dāng)噴吹模式為0.33D180°時，攪拌區(qū)域流場流動性好，攪拌能力強，均混時間最少，為57.7 s。反之，噴吹模式為0.17D60°時，均混時間最長，為72.4 s。噴吹均混時間與雙噴嘴間距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即雙噴嘴相距越大，攪拌過程中兩氣柱互相干擾越小，氣流流動能量損失越少，越利于液體攪拌均勻，均混時間越短。

2.4 雙噴嘴供氣比例對均混時間的影響

以供氣量為0.27 m3/h，雙噴嘴噴吹模式為0.33D180°為例，雙噴嘴供氣量比例和均混時間的對應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 雙噴嘴供氣量比例與均混時間的關(guān)系

由表5可知，當(dāng)兩噴嘴供氣量比例為5∶5時，均混時間最短，為57.7 s；兩個噴嘴供氣量比例不等時，均混時間較長，分別為58.6、60.0和61.5 s。當(dāng)供氣量比例不等時，供氣量大的噴嘴區(qū)域流場流動性好，攪拌效果佳；供氣量小的噴嘴區(qū)域流場流動性較差，同時受到鄰近高供氣量噴嘴區(qū)域流場的影響，該區(qū)域流場處于紊亂狀態(tài)，夾雜物聚集上浮受到抑制，夾雜物去除效率低。因此，雙噴嘴的供氣量越平均，鋼包的流場越穩(wěn)定，均混時間越短，除渣效果越顯著。

3 結(jié)論

(1)相同供氣量的情況下，雙噴嘴噴吹時均混時間最短，當(dāng)供氣量為0.20 m3/h時，均混時間為75.7 s。噴嘴數(shù)量增加后，多股氣流互相干擾的情況嚴(yán)重，影響攪拌效率。

(2)雙噴嘴噴吹模式為0.17D90°時，當(dāng)水模實驗供氣量達(dá)到0.27 m3/h以后，均混時間趨于平緩，建議實際生產(chǎn)供氣量采用54 m3/h。

(3)供氣量為0.27 m3/h的條件下，雙噴嘴噴吹模式為0.33D180°時均混時間最短，為57.7 s。雙噴嘴噴吹模式為0.17D60°時均混時間最長，為72.4 s。水模攪拌均混時間與雙噴嘴間距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(4)雙噴嘴噴吹模式為0.33D180°的情況下，雙噴嘴供氣量比例為5∶5時均混時間最短，為57.7 s；分配不均時，供氣量小的噴嘴流場受供氣量大的噴嘴流場影響呈紊亂狀態(tài)，攪拌效果不好。