钢包喷吹时的混合时间和合理工艺.pdf

钢包喷吹时的混合时间和合理工艺 参数的研究 东北工学院 肖泽祥 一 引 性纷 、 钢 包喷吹惰性 气体进行搅拌或者 同时喷入粉 料进行二 次精炼 , 已被生产实践所证实为 一种 有 效的钢 包 处理工 艺 。 但是 , 有关这种 工艺的反应特 征以及其 控制方 式 , 仍然是许多 冶金 工作 者 努力研究的课 题〔 、 、 〕 。 钢 包喷粉冶金的基本 特 征可以示意于图 。 粉料 由惰性气体载送 , 经 喷枪喷入钢液下 部 。 由喷 咀喷 出的气体迅速 形 成气泡 , 这 种 气泡在上浮过 程 中将周困 的钢 液抽 引入 上升气 一液流 , 形成 气泡泵起 效应 , 引起钢 液以及加入 的物 料大致按 图中箭头所示 方 向而进 行循 环 。 这种 对 流循环 是构成钢包喷吹 下液 流运动和物料 混合的丛本条件 , 有关这一现象机理 的分析和研究 , 可 参考文献〔了 、 ‘ 一一 一 一门州 酥酥 芬芬 卜卜 , ,二二移 、、 幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸幸 伽伽 一一井飞每 每每 毋 口 夕夕夕 , 勺勺 月 口‘‘‘ 刃刃 , , , , 全户 户 二二少吧 吧吧 汁 一一 一 盯盯 夕 。。。。 ‘抽 抽抽抽 日日七 七七七 一一 ‘〕 。 显 然 , 衡量钢包喷吹的冶 金效果 的重要标准之 一是 喷入物料的凝 合时间 。 等提 出了一个由统计数据整 理 的经 验 式 一。 ‘秒 式中 , 。 召 决 一 、 工 召 枪包泡 气钢喷 利 式 可以侧 , 计出 用包底多孔砖吹氢下 钢液的混合时 间 , 但 是 , 刊于插入 喷枪下 的吹氢条件 , 粉料 这个公 式的适用性就受 限制 可以肯 定 , 大气体量 加浅 吹 , 和小 气 休 显加深吹 , 尽 管两者供入能量 的数值可以使之相等 , 但两种 条件 下 的混合 图钢 包喷吹处理示意图时 间仍将有很大差异 。 此外 , 许多实验证实 , 喷咀 偏 心布置将 缩短包内混 合时 间〔了 、 〕 。 因此 , 在实际应 用 时 , 不 仅应考虑供 入气体数量对 一 混合 一 间 的影响 , 而且必须考虑喷 枪插入深度 、 喷咀水平位置以及喷 咀结构等因素的影 响 。 同日 一 , 应该指出 , 在喷咀处于不 同几何位置 时 , 供入同量气体 的搅拌 效果 也可 能不 同 。 本实验考虑到上述情况 , 利用一最优实验设计方法 , 进行两因素三水平 的水力模拟 试 验 。 实验结果与生产 条件下观察到 的现象相符 。 本 文介绍实验方法和主要结果 。 二 、 分析 钢 包喷吹惰性气体时 , 假定无气相反应 产物 产生 , 则钢液所得的搅拌能应由气体作功 来提供 。 由 得 气体作功的微 分式 二 已知 二 一 一 了 故 ‘ 已知 故 将 旦 、 代入式 , 整 理 之可得 一 ‘ ‘卜 , “ 〔, ,, 杀 ,〕 , 摄 了 式 相 当于式 , 但推导方 式不 同 , 故数值上有差 别 。 由式 可见 , 除温度 、 重度等固定因素外 , 气体供入能量取决于供气量 和 喷枪插入深度他、 。 故可以推 定 , 物料在气体搅动的钢 包内的混合时间应与 , 存在 一 一 ”一 ‘一’ 一 ‘ 一、 一 一‘ 一 “ 一” 一’ ‘ ” 一 ’一 ‘ 一 一” ’ 一 ’ 一 ’ 一 ’ 一 ‘’ 一 定的关系 , 即 下 , 三 、 实验方法 实验是 在‘吨中间试 验 包 的 , 水力模型 内进行的 , 并在‘吨 包内进行了校验 。 模型 设计原则是采取修正弗路德 准数作相 似准数 。 二 一 产模型 产实物 「一 二旦 。 一 它 ’ 模型 、、实物 一 一 , 了、 ⋯ 若 曰“刁 价火 整理 后 , 得 模型 粉 一 ‘’实 ‘ 吻 模 型 包 由有机玻 璃作 成 , 妇 口 口毫米 。 用水模化钢液 , 压缩空气模拟喷 吹 气 体 。 混合时间系利用加 入 毫升 克分子浓度的 , 图 所示为一次混合时 间的测 定结果和 纪录 线 。 ‘卯屯 钢 包内的校验测定情况, 参 阅文 献〔‘〕 。 实验过 程按下述三 组组合 △喷枪布置在钢 包中心 , 研究 下 , △喷枪最佳插入深度由式 决定 后 , 研究 所引起 的导 电率变化来确定 。 , , △合理供气量 固定 〔 由式 口和 确定〕 , 研究 下一 , 合 , 资 根据 目前采用 的钢 包喷吹条件 , 对‘吨钢 包水模 型内喷吹参数的水平作表所示的选定 。 仑, 图 钢 包 水模型喷吹时混合时间 测 定 方法 图 实验设计 方案〔欠 飞 , 奥 , 又 长 。 一 二 、 石 一 〕 』、 实验 参数 及 水 平表 , 水 平 ⋯ 升‘全乍中 ⋯ 令 ⋯ 、 一 ⋯ ’。。 ⋯ 。一 ⋯ 。一 口 , ‘ 为了研究不 同数目喷咀 的喷枪在钢包喷吹时 的搅拌效果 , 曾在 水模 型内利 用 上述研究 所获得的合理 工艺参数 , 研究了单孔 、 三孔和四孔喷枪的搅拌效果 。 四 、 实验结果和讨论 。 供 气量和插入 深度的影响 式 所规定 的实验 , 目的是寻求中心布枪时 , 混合时间与供气量和喷枪插入深度 的关系 , 以确定这两项参数最佳范围 。 将实验结果经回归整理后 , 得下 述关系式 二 ‘ 。一、, 。, 奥丫 口 、夕‘ 。, 纷 ’ 。 。口 口 口 。 夕 互、 ⋯⋯, 、 一 、一 一 ’ 一 、 一 偏微分式 了 , 求极小 值 , 下 万 五又 二 二 二 、且 求得实验 条件下最短混 合时 间为 ‘秒 , 当时 的奥 。 打 , 二 “升分钟 。 换 算 为原型条件下的气体流量为 升 分钟 。 将各不 。分另。 作横 、 纵坐标 , 可以获得式 ,了 表示 的等时线 ‘见图, 。 图 ‘清晰 二 、,、,、, 、 、 一 , 。、 , , 二。 , 口 , 。 地反 映出 良好阴混甘效呆是仕一足沱国 阴 和百内狄份阴 “ 甘 田固固口 布 誉 、 昭 彭 ‘卜 之二 滚喂趾姆助树似毛就 图 供气量不同时钢 包 内气一液的 种模型儿 图 供气量 和喷枪插入深度对混合时间的影响 为了解释这一实验 结果 , 我 们可以用图 的 、 、 、 四种情况来进 行 分析 。 图 , 和 , 显然在生 产中是 没有意义 的 。 图 , 表示气体由喷 咀或气孔流 出时 , 其原始速度小到气体原始喷出动量可以忽略不计 , 在这种条件下 , 气泡将在喷 咀前缘立即 形成 , 钢液被气泡抽 引的现象都符合气泡泵起作用 。 在 图 , 的条件下 , 气流量大 , 从 而在喷 咀 出口截面 的前沿 出现连续气体射流区 , 气流 的原始 喷出动量不能忽略 , 气泡泵起 作用只能在距喷咀前沿一定距离才开始 。 流体力学现象的研 究表 明 , 气体喷入液体时 , 气 流 对周围液体的抽引吸入能力 , 气泡流和连 续射 流是不相等的 。 阿 勃拉汉蒙指 出 〔夕〕 , 气泡流的抽引能力是射流抽引力的 招 “ 倍 。 这就是说 , 在图 的条件 下 , 供入气体量尽管比图 , 多 , 但由于存在抽引力低 的射流段 , 故其搅拌效果不 如图 s b , 连续段 的原始动量愈大 , 则搅拌效果愈差 , 混合 时问也愈长 。 目前国内不 少厂 喷粉载气量远超过图 ‘ b 的范围 , 故冶 金效果差又 浪费氨气 , 喷溅也十分严 重 。 2 。 供气量和喷枪水平位置的影响 , _ 、卜, _ _ _ _ ,_ h ,, _ * 二一 , 。 , 、 . 一 式” 规定的实验是在首处于最佳范围内进 行 的 。 实验发现 i供气量过小时, 偏 心布置喷枪的混合效果不如中心布枪 。 i i 在正 常供气量下 , 喷枪布置在钢 包半径线的口 .3 一0 .‘处, 可以改善混合效果 。 i i i 偏心布置喷枪 , 可以增大钢 包内钢液吸收气体搅拌能 的能力 , 故可增加供气 量 。 混 合时间 实验结果的回归统计式示于 I子 和 图 ‘ 。 T m 5了 . 9 81 1 . 趣 一0 . 1 1 Vg 十3 0 . 0 ‘“ 责 韵 ’ 晚比 一户 一一一一一一一, , , , 厂补 十。.。。。 2, v g一。.2 丢、 vg,, \j、 / 一一J马七一 _ 知_ 3 。 喷枪的 合理 几何位置 实验研究了给定 供气 量此处v g 二 2‘口 升/分钟下 , 混合 时 间与喷 咀几何位置 的关 系 。 将式 15绘成示意图 , 可以清晰 看出 , 喷枪插 入深度和水平位置对 喷吹过程的影响 。 一一节一一节厂一味尸一 距钢 包中心 的无 因次距离 图‘ .混 合时 间在不 同供气量下随喷枪水 平位置而变化情况 一 ,“ 5 “ 一“ 5‘ , ‘ 合 一,“ ‘“ 责 “‘, “ , 合 ’ 2 5 ‘ 2 壹 ’一夕 , 合 责 1 5 由图 7 可见 , 为达到良好混合效果 , 喷咀 的合 理位置应该 是奥一 。.。。一口. , 且 工 R 0 .3 0.6 。 了. 喷咀孔数的影响 增加喷咀孔数 , 可以增大气液流直径 , 增加气泡数目 , 减轻气流原始喷出动量 的不利 影响 , 因而多孔 喷枪的搅拌效果应该 比卑孔好 。 实验证实了这一推 断 。 由图 8可见 , 多孔喷 枪的混合搅拌能力比单孔提高 2 0一3 0 , 在大流 量下效果的改善更加明 显 。 . . . 一一一 _ 树树 I I I甘J J J 口口矛、门门 全全募 募 叫叫.碑J 一一. 口珍 珍 甜甜甜 兮 铆 知 倒| 叨切即 即 嚏 个曹 破 图了 .混 合时 间 与喷枪几何位置的关系 ‘ 尸亨气燕兀尹 今 每 l 目二喧4孔帐夕寸 猴令叮向娜 目 熟响 5 . 实际钢 包内的验证 / / / / / / / ’’ 由于热态 条件下测 视的困难 , 只对供气 量对搅拌效果的影 响作了观测 。 实验是通过 测 定钢 包吹氢时钢 包半径中心 附近水平钢液 流 的速度 来反映搅拌 效果的 。 实验发现 , 当 供气量超过一 定范围 , 表 面 水平 流速下降 , 钢液循环强度减小 , 因而混合时 一 问延 长 。 在 现 场测 定 时 , 同 时观测 到钢液表面喷溅现象 的产生条件也 与速度测定结果相 吻合 。 了奋卜 4 玉咒2 0 .州, 户- 五 、 结论 2 . J 月 6 .O 篇 , 修 喊 .L二0 . 巧饥 声 一 口 今 一勿, Q ., 0 .“刃 川 勺1 1 姗 叮 . 动 了 了 ‘ 口r 产 了 。 .口,,..口 口 卜了了 0 匆 ‘ 。。 、义 乞是 ‘夕奋 2 0口 ‘ 习’‘ 。.瓢黔黔 , 盘 水 模型研究证实了钢 包啧吹氢气时的强 烈搅拌作用 。 物 料在 包内的均 匀 混合时 间只 需 几十 秒钟 , 这和热态 条件下由动 量转换原 理 所获 得 的研 究 结果〔b〕相 吻合 。 对干一定形状和容积 的钢 包 , 供气量 升/分钟有一个合理范围 , 其数值可以通过实验求得 。 从混合效果考虑 , 喷枪宜插 入钢 包深部 , 在可能条件下偏心布枪有利于提高喷吹效 水模型获得 的喷枪合理几何 位置 皓 口 ‘卜口 “5 , 佘 口 卜 口 ‘ 可以供实际 钢包参 果考 多孔 喷枪采 用 整体戍 型制造 是钢 包喷吹喷枪结构的发展方向 。 参考文献 1 。 S CAN INJECT I , 29了 了 , , 一20 , J u ne , L u L e a O , Sw e d en - 2 。 SC AN I N JECT I , 1夕 5 0 , z了一z了 , J une , L u L e a o , Sw e d e n . 3 。 特殊钢 第一次 、 第 二次喷射 冶金 会议 文集 , 2,召口 , 1”] 。 4 。 N . N a k an i s hi等Ironmaking and Steel二aking , 1975 , 恤 3 , 1, 3 . 5 。 H Si ao T se 一Chiang M E F o SReport,了夕 0 ‘ J E 6 。 H Si ao T se 一Chiang SCA ND INAV IA NJournAL of M E TAuuR G f, 1夕召0 , 加3 , 105 111 7 。 K . 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