唐钢50t转炉溅渣护炉水力模型实验研究

2011-03-21曾亚南李俊国韩志杰吴雨晨

华北理工大学学报(自然科学版) 2011年2期

曾亚南,李俊国,韩志杰,吴雨晨

(1.河北联合大学冶金与能源学院,河北唐山 063009;2.唐山钢铁股份有限公司,河北唐山050000)

溅渣护炉技术是提高转炉炉龄的有效措施。它是采用高压氮气通过氧枪或专门的溅渣吹氮用枪高速喷入炉内,使炉渣喷溅到转炉耐火炉衬上,有效增加炉衬使用寿命。由于转炉溅渣护炉操作是一个高温、复杂的过程,进行现场研究比较困难,因此进行水力学模拟实验有着重要意义[1-3]。本研究以唐钢二炼钢50 t转炉为研究对象,在目前溅渣护炉操作工艺为基础,采用水力学模拟实验,选择三种不同结构氧枪(四孔、四孔变角和五孔),对顶枪枪位、顶吹流量、底吹流量、熔渣黏度和留渣量等溅渣操作工艺条件对溅渣效果进行影响性评价,以确定溅渣护炉的优化工艺参数,为现场的溅渣护炉操作提供理论依据。

1 实验方案

1.1 物理模型的建立

转炉溅渣护炉技术是氮气射流冲击熔渣,使熔渣溅起飞到炉衬上,从而达到保护炉衬的目的。根据相似原理,模拟实验应满足转炉模型和原型的几何尺寸相似和动力学条件相似[4]。

实际生产中,喷枪出口气体流速为超音速,而水力学实验中,氧枪模型出口气体流速为亚音速,由于这两种射流的扩张角有所不同,对熔渣的冲击效果也就有所不同。以亚音速射流模拟超音速气体射流时,尽管能够保证枪位几何相似,也会造成模型实验中亚音速射流与熔渣接触面积偏大、射流中心流速偏低、对熔渣冲击动能偏低的现象[5-7]。因此在实验过程中对模型喷枪枪位进行了修正[8-9],本实验条件下,枪位修正值为70mm,即实验选择的枪位为理论计算的模型枪位减去修正值。模型、原型及对应介质的物理参数如表1和表2所示。

表1 几何相似参数

表2 流体的物性参数

1.2 实验装置

实验采用水、饱和盐水和甘油分别模拟稀渣、正常渣和黏渣。模型与原型的几何参数比为1:6.35,实验装置如图1所示。

图1 水力学模拟实验装置示意图

实验模型采用有机玻璃制成,模型内表面按高度分为五等份,在等分处采用有机玻璃做成弧形槽的插板,并向上倾斜一定角度,粘在模型内表面,模型内侧由上至下四等份分别代表炉帽处、耳轴上部、耳轴下部和渣线部位。

1.3 实验研究方法

在溅渣过程中如何有效的利用高速氮气射流冲击熔池,使炉渣均匀的溅射于整个转炉炉衬表面,是溅渣护炉的关键技术之一。溅渣效果主要与枪位、氮气流量、留渣量和顶枪喷孔夹角等因素有关,因此,一般考察的溅渣工艺参数主要包括顶吹氮气流量、枪位、留渣量、底吹流量、熔渣黏度,以及对气体射流影响显著的喷枪结构。

在二炼钢现有溅渣护炉操作工艺参数基础上,实验采用6因素5水平的正交实验方案,在不考虑各因素交互影响作用的前提下,用L25(56)正交表安排实验次数,从而确定出各因素对溅渣效果的影响大小,实验方案见表3所示。

2 实验结果与讨论

利用正交实验研究方法可以确定枪型、枪位、顶吹气体流量、底吹气体流量、留渣量和熔渣黏度等因素对炉型各部位溅渣效果的影响规律。通过对正交实验结果的分析,可得到五水平下各因素的平均值以及极差,从而分析各溅渣工艺参数对渣线处、耳轴下部、耳轴上部、炉帽处溅渣量的显著性影响。极差计算结果如表4所示。由表4可见,在实验选择的各水平下,枪位、顶吹氮气流量、留渣量和熔渣黏度对渣线溅渣量影响最大,底吹流量和枪型对渣线溅渣量的影响较小。对耳轴下部溅渣量影响最大的因素为留渣量、枪位和顶吹氮气流量,而枪型、底吹流量和熔体黏度对耳轴下溅渣量的影响较小。对耳轴上部的溅渣量影响最大的因素包括枪位和留渣量,而枪型、底吹流量、顶吹流量和熔体黏度对耳轴上溅渣量的影响较小。对于炉帽处溅渣量影响最大的因素为枪型、底吹流量、留渣量和熔渣黏度,而顶吹流量、枪位对炉帽处溅渣量的影响较小。

表3 正交实验各因素水平

表4 正交实验极差

2.1 显著性影响因素对渣线处溅渣量的影响

显著性影响因素对渣线处溅渣量的影响如图2所示。图2(a)所示,低枪位操作时,提升枪位,渣线溅渣量逐渐增加。当溅渣枪位提升到最佳枪位90mm(即实际枪位1m)时,渣线溅渣量达到最大值;进一步提高枪位,溅渣量明显下降。图2(b)所示,随着氮气流量的增加,射流对熔池的冲击加强,作用于炉渣的能量增加,尤其是对于熔池的浪涌溅渣更为有利,因此,渣线溅渣量随之增加。当氮气流量过大时,对熔渣的冲击过强,甚至穿透熔渣,射流传递给熔渣的能量将降低,从而削弱了渣线溅渣量。图2(c)所示,留渣量越多,渣线溅渣量越高,但留渣量超过0.0033m3(留渣量为2.5t),继续增加留渣量并不能显著提高渣线溅渣量。留渣量超过0.0033m3(留渣量为2.5t)时,射流对熔渣的搅动不足,通过浪涌向渣线的溅渣量又有所降低。图2 (d)所示,黏度为1.01m Pa◦s稀渣的渣线溅渣量最大;而黏度为83.2m Pa◦s的稠渣溅渣量最小。在溅渣护炉过程中,希望溅起的炉渣在高温下流动性好,黏度小,容易溅到炉衬表面;同时希望熔渣温度降低后,熔渣黏度能快速上升,从而利于熔渣黏附于炉衬表面。

2.2 显著性影响因素对耳轴下部溅渣量的影响

各显著影响因素对耳轴下部溅渣量的影响如图3所示。由图3(a)可见,枪位对耳轴下部溅渣量的影响显著,随着枪位提升(在所选水平内),射流对熔渣的冲击动能降低,而将有更多射流动能转化为渣滴动能,从而强化喷射溅渣动能,因此提升枪位更有利于炉衬位置较高处的溅渣。而枪位高于90 mm(实际枪位1m)以后,由于对提高渣线溅渣量的影响较小,为了提高耳轴下部溅渣量,应当尽量将枪位提升到90mm以上。由图3(b)可见顶吹气体流量低于54Nm3/h时,耳轴下部的溅渣量随顶吹气体流量的增加而迅速增加;顶吹气体流量高于54Nm3/h后,顶吹流量对耳轴下溅渣量的影响较小,甚至可能降低溅渣量。由图3(c)可见,留渣量对耳轴下部溅渣量影响显著,留渣量由0.001m3提高到0.0039 m3(实际渣量分别为1t和3t),耳轴处溅渣量可增加5倍,因此为了提高耳轴和炉帽处的溅渣量,应尽量提高留渣量。

图3 显著影响因素对耳轴下部溅渣量的影响曲线

2.3 显著性影响因素对耳轴上部溅渣量的影响

显著性影响因素对耳轴上部溅渣量的影响如图4所示。由图4(a)可见,随着枪位的提高(在所选的水平内),耳轴上部的溅渣量增加,枪位在110mm时(即实际枪位在1150 mm时),溅渣量达到最大值。综合考虑渣线溅渣量,枪位应控制在90～110mm之间(即1000～1150 mm)时溅渣效果最佳。由图4(b)可见,随着留渣量的增加,耳轴上部的溅渣量呈逐步增加趋势,其与耳轴下部溅渣量的趋势相似。

图4 显著影响因素对耳轴上部溅渣量的影响曲线

2.4 显著性影响因素对炉帽处溅渣量的影响

显著性影响因素对炉帽处溅渣量的影响如图5所示。由图5(a)可见,四孔氧枪更有利于炉帽等高位置炉衬处的溅渣,溅渣量都要高于其它两种枪型。与四孔变角和四孔相比,五孔氧枪对熔池的冲击深度最大,冲击面积最小,其冲击动能大部分都转化为浪涌溅渣的能量,五孔氧枪的溅渣量明显随溅渣高度的增加而降低,对炉帽处的溅渣则低于四孔变角。由图5(b)可见,底吹对炉帽部位溅渣量影响不是很大,但从溅渣效果来看,底吹作用是改变渣滴的溅出方向,提高了溅渣分布的均匀性。图5(c)可见,留渣量低于0.0026 m3(实际渣量为2t)时,随着留渣量的增加,炉帽处溅渣量可显著增加;留渣量高于0.0026 m3时,进一步提高留渣量则不会显著提高炉帽处的溅渣量。图5(d)可见,与黏度对渣线处溅渣量影响有所不同,随着熔渣黏度增加,由浪涌溅渣为主导的渣线溅渣量急剧下降,而由喷射溅渣引起的耳轴和炉帽等高处的溅渣量并没有明显减少。与稀渣相比,尽管正常渣向耳轴和炉帽的溅渣量都有大幅度下降;但与正常渣相比,稠渣向炉帽处的溅渣量更高,基本与稀渣向该处的溅渣量持平,甚至有所增加。因此为了提高耳轴和炉帽等高处溅渣量,应尽量提高炉渣黏度,这样不仅有利于溅起的熔渣黏附于炉衬表面,而且更有利于该渣向耳轴上和炉帽处溅渣。