100 t转炉底吹流场水力学模拟探讨

100 t转炉底吹流场水力学模拟探讨

陈刚

 唐钢新区长材事业部 河北唐山 063000

摘  要：  在保持顶吹参数稳定的条件下，对唐钢新区特钢事业部100 t转炉不同底吹元件布置方案的工艺效果进行了水力学物理模拟试验，试验结果表明，以熔池混匀时间作为评价指标，转炉最优的底吹布置方案为6根底吹枪、底吹枪在0.45D圆周上布置，以耳轴中心线为轴对称布置，两侧底吹枪与耳轴中心线夹角为50°。此方案熔池的混匀时间最短，底吹效果最好。

关键词：转炉；流场；水模试验；混匀时间

0  前言

转炉炼钢过程中，底吹工艺对均匀熔池成分和温度有重要影响，良好的底吹效果可以促进钢渣反应，降低钢水氧化性，提高钢水质量，有利于降低钢铁料和合金料消耗。目前国内外对转炉底吹的研究主要集中在底吹枪数量和底吹孔布置方面[1-4]。唐钢新区长材事业部新建100 t复吹转炉，为确定最优底吹元件布置方式，按照多种底吹元件布置方案进行了水力学物理模拟试验，在顶吹参数固定的情况下主要考察了底吹布置方案和工艺参数对熔池混匀时间的影响。根据水模试验结果，确定了最佳的底吹工艺布置方案。

1  试验原理与方法

1.1 试验原理

水力学模型是物理模型中的一种方式，试验原则为相似原理，根据相似原理，试验模型内运动与复吹转炉内熔池相似需要满足以下三个条件：

1）模型与原型的几何相似。

2）模型与原型的流动相似，即反应熔池流动状态的雷诺准数相等，熔池中对应各点的流动状态相似。

3）模型与原型的动力相似，即熔池中各对应点的动力成比例。

复吹转炉熔池中钢水的流动场，可以视为顶吹氧气射流冲击熔池形成的流场与底吹流股形成叠加，只要做到顶吹与底吹相似，可以认为模型的流场与原型流场相似。

1.2 试验模型参数计算

以弗罗德准数Fr作为水力学模型模拟试验的定性准数，经过计算后转炉原型和模型参数见表1所示。

表1  转炉原型和模型几何参数

1.3 试验方法

用压缩空气模拟顶吹氧气和底吹氮气(氩气)，用水模拟钢液，进行转炉底吹水力学物理试验，试验装置示意图见图1所示。试验过程中顶吹气量保持不变，考察底吹枪布置方式和底吹供气量对底吹效果的影响。

向模型注入适量的水模拟100t转炉的熔池深度，利用熔池的混匀时间来评价搅拌效果的好坏。混匀时间的测定方法是在熔池任一直径方向上放入电导电极，在其直径的另一端通过导液管迅速加入饱和盐溶液，每次50 mL，通过电导仪测定熔池电导率变化，把熔池电导率达到稳定的时间定为熔池搅拌的混匀时间。每组试验重复5次取其平均值作为本组混匀时间。由多次不同位置试验测出最大混匀时间的位置确定为电导电极探头的位置。

图1 试验装置示意图

1.4 试验方案

1）试验中顶吹供气量、顶吹枪位分别控制在35 Nm3/h和100mm。

2）试验底吹枪布置形式分4种，见图2所示，图2中D为模型熔池直径。

3）试验中底吹强度和底吹流量控制见表2所示。

(a) 方案一          (b) 方案二           (c) 方案三           (d) 方案四

图2 底吹枪布置方案

表2  转炉原型和模型几何参数

图2所示(a)为布置方案一，6支底吹枪布置在0.55D同心圆圆周上，以耳轴中心线为轴对称布置，两侧底吹枪与耳轴中心线夹角为45°；(b)为布置方案二，6支底吹布置在0.45D同心圆圆周上，以耳轴中心线为轴对称布置，两侧底吹枪与耳轴中心线夹角为50°；(c)为布置方案三，6支底吹布置在0.45D同心圆圆周上，以耳轴中心线为轴对称布置，两侧底吹枪与耳轴中心线夹角为30°；(d)为布置方案四，6支底吹布置在0.35D同心圆圆周上，以耳轴中心线为轴对称布置，两侧底吹枪与耳轴中心线夹角为45°。

2  试验结果分析

2.1 底吹枪布置方式和供气强度对混匀时间的影响

底吹枪布置方式和供气强度对混匀时间的影响见图3所示。方案一表明随底吹供气强度增加，熔池混匀时间逐渐缩短，并逐渐趋于平稳。当供气强度小于0.08Nm3/t·min时，熔池平均混匀时间为51.9 s，当供气强度大于0.08Nm3/t·min时，混匀时间变化不大，基本趋于稳定。在方案二的模式下，当供气强度小于0.08Nm3/tmin时，平均混匀时间为48.8 s，当供气强度大于0.08Nm3/t·min时，混匀时间产生一定波动，并且混匀时间基本趋于稳定。在方案三的模式下，供气强度小于0.08Nm3/t·min时，混匀时间随着底吹强度增加呈波动式缩短趋势，搅拌效果稳定性差。方案四的熔池混匀时间最长，搅拌效果不稳定。图3表明，方案二的熔池混匀时间最短，搅拌效果最好。

图3 布置方式和供气强度对混匀时间的影响

2.2 底吹枪布置方式对流场的影响

采用树叶作为示踪剂测试了不同底吹枪布置方案熔池流场的影响，方案一、方案二和方案四熔池流场状态见图4所示。图4表明，方案二熔池流场均匀、稳定，死区面积小，喷溅量小，熔池的搅拌效果良好。

(a) 方案一熔池流场状态

(b) 方案二熔池流场状态

(c) 方案四熔池流场状态

图4 不同方案下熔池流场模拟

3  结语

按照多种底吹枪布置方案对唐钢新区100t转炉底吹流场进行了水力学物理模拟试验，试验结果表明在顶吹参数稳定的情况下，采用6个底吹枪，底吹枪在0.45D圆周上、以耳轴中心线为轴对称布置，耳轴两侧底吹枪与耳轴夹角50°的布置方案，转炉熔池混匀时间最短，熔池流场均匀稳定，死区面积小，喷溅量小，熔池搅拌效果最好。

参考文献

[1] 潘贻芳, 赵宏欣, 李树庆, 等. 120t 复吹转炉底吹供气优化的模拟研究[J]. 炼钢, 2011, 27(4):47-50

[2] 李子亮，苍大强，倪松明，等. 转炉局域搅拌和混匀效果的水模型实验[J]. 重庆大学学报，2015, 38(2)：45-49

[3] 丁小明，李京社，陈永峰，等. 复吹提钒转炉熔池形状与底枪布置方式[J]. 钢铁，2012，47(4)：42-45

[4] 温良英，陈登福，董凌燕，等. 复吹转炉不同冶炼时期熔池行为的水模拟研究[J]. 钢铁研究学报，2006，18(6)：14-18