65t钢包底吹工艺参数对混匀效果的影响

郭磊，杨赵军，李俊国，曾亚南

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009)



65t钢包底吹工艺参数对混匀效果的影响

郭磊，杨赵军，李俊国，曾亚南

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009)

底吹；模拟；流场

本模拟试验主要探讨了底吹孔中心夹角、中心距和底吹流量对钢液混匀时间的影响。实验结果表示，当底吹中心距为0.5R时熔池混匀时间最短，当底吹中心距为0.7R混匀时间最长，0.642 5R混匀时间居中。从混匀能力来看，当两喷孔为180°布置、中心距为0.6R时混匀时间最短。

0 引言

炉外精炼技术是钢铁企业核心技术，炉外精炼设备主要有LF炉，VOD炉、CAS炉和RH 炉等[1]。而钢包底吹工艺参数是影响炉外精炼的主要因素之一。在探索钢包底吹工艺时，需要的参考指标主要有混匀时间、钢水净化率和钢包的综合利用率[2]。在钢包底部布置透气砖时，会形成一个以气孔为中心对称的倒锥形态流场，流场将合金元素传递给四周的钢液，从而达到混匀的目的[3]。

黄宗泽等[4]采用水模拟研究方法探索了宝钢 300t 钢包底吹工艺布置认为双孔底吹工艺比单孔底吹有利于钢液的混合。通过物理模拟使用正交试验法改变底吹孔间距、底吹夹角、吹气流量等方法，将数学模拟与物理模拟的结果对比印证，得到最优方案，从而为生产实际提供切实可行的工艺方案。常国平[5-8]等试验发现： 钢包都存在一个临界流量，不论钢包是单孔还是双孔。当底吹气体流量超过临界流量时，钢包的混匀效果并不会有太大变化。

唐山钢铁公司采用65 t钢包替代原50 t钢包，因此不能再使用原有的底吹砖布置方案及相应的底吹工艺，因此对新钢包的设计显得尤为必要。根据物理模拟试验结果，设计满足生产要求的钢包底吹工艺，将会为唐钢创造巨大的经济价值。

1 试验原理

物理模拟试验原理基础是几何相似原理和动力相似原理，是实现模拟结果与原型结果近似相同的一种方法。通常用有机玻璃代替耐火材料制作钢包，钢水用水来模拟，用粘度相似的润滑油来代替液态渣[9]。它不仅克服了由于冶金过程的复杂性、高温条件以及测试手段的限制，而难以实现对反应器内过程进行直接研究的状况，同时冷态模拟试验消耗低，可以验证和完善数学模拟的结果。

混匀时间目前普遍采用一种叫“刺激-响应”的试验技术来测定，即向熔池中快速加入一定数量的示踪剂，同时检测钢液的某一特性以反映出熔池的混匀情况。本试验将一个电导电极探头固定在包壁，分别放置于位置1以此来检测50 mL质量分数为20%的KCl溶液加到熔池后水的电导率变化情况，经电导率仪将数据传给计算机，显示其变化趋势。数据处理时，当浓度波动曲线值接近于一条直线时，将浓度值的最后一个波动点定义为混匀时间。

2 试验设备及方案

2.1 试验设备

主要试验仪器包括：电脑和电导率仪、有机玻璃钢包、空气压缩机、流量计、质量分数20%的KCl溶液。冷态模拟试验主要通过优化吹气量以及喷嘴的布置，达到提高钢包搅拌能的目的。但模拟试验中，直接测量搅拌能较为困难。研究结果表明，混匀时间与比搅拌功率存在如下关系：ε-0.4=τ/800。式中：ε为比搅拌功率；τ为混匀时间。底吹氩熔池试验装置如下图1所示。

图1 底吹氩熔池试验装置

2.2 试验方案

(1)当底吹中心距为0.642 5R时，选用的底吹流量分别为100 NL/min、150 NL/min和200 NL/min条件下，经过试验得出喷嘴夹角分别为30°、60°、90°、120°、150°、180°时的混匀时间。

(2)在研究底吹夹角对熔池混匀时间影响的基础上，测定吹中心距0.5R、0.6425R和0.7R的混匀时间(3)测定当中心距为0.6R、0.624 5R，夹角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时底吹流量80、100、120、150、180、200、250、300、350、400 NL/min对混匀时间的影响。

3 试验结果

3.1 底吹夹角对混匀时间的影响

图2所示为当底吹中心距为0.642 5R时，不同底吹气体流量条件下，底吹夹角对混匀时间的影响规律。

图2 底吹夹角对流场混匀的影响规律

由图2可以看出，随着底吹流量由100 NL/min增加至200 NL/min，熔池混匀时间降低非常明显，每增加50 NL/min，熔池混匀时间降低10%左右。改变底吹气体流量对混匀时间进行测试主要是为了提高试验精度和重现性，由于现场65t钢包实际底吹流量基本在50～100 NL/min，因此100 NL/min的底吹气量下混匀时间的测定结果更具有参考性和应用性。从重点研究的喷孔夹角对混匀时间的影响来看，随着喷孔夹角的增加，熔池混匀时间呈现先增加而后降低的趋势。3种底吹流量条件下，喷孔夹角为90°时熔池的混匀时间最长，分别达到了423 s、377 s和293 s，其次为喷孔夹角120°时，熔池混匀时间也达到了410 s、338 s和301 s，熔池混匀时间较长。与这2个喷孔夹角相比，在高底吹气量下，喷孔夹角为60°和150°时的熔池混匀时间相当，底吹夹角为30°和180°时的混匀时间比较接近。

3.2 底吹中心距对混匀时间的影响

图3为当底吹中心距为0.5 R、0.642 5 R和0.7 R时对混匀时间的影响规律。其中图3(a)底吹气体流量为100 NL/min和图3(b)底吹气体流量为200 NL/min。由图3(a)可见，由于底吹流量为100 NL/min，底吹流量较小，混匀时间相对较长，底吹夹角对混匀时间的影响基本呈现先升高后降低的趋势；由图3(b)可见，由于底吹流量为200 NL/min，底吹流量较大，混匀时间相对较短，底吹夹角对混匀时间的影响基本呈现先升高后降低的趋势。

图3 不同底吹中心距对混匀时间的影响

综合分析图3，在底吹流量为150 NL/min和200 NL/min时，底吹夹角对混匀时间的影响仍然本呈现先升高后降低的趋势。底吹中心距0.5R熔池混匀时间最短，底吹中心距0.7R混匀时间最长，0.642 5R混匀时间居中。

3.3 底吹气体流量对混匀时间的影响

图4为当底吹中心距0.6R和0.642 5R，当底吹喷孔夹角为60°、150°和180°时底吹流量80、100、120、150、180、200、250、300、350、400 NL/min对混匀时间的影响。

(a) 底吹中心距为0.6R (b) 底吹中心距为0.642 5R

由图4(a)可以看出，当底吹中心距为0.6R时，随着底吹气体流量的增加，混匀时间总体趋于先减小，在300 NL/min底吹气量时混匀时间达到最小值；之后，随着底吹气体流量的增加，混匀时间略有增加的趋势。由图4(a)还可以看出，底吹中心距为0.6R时，底吹夹角对熔池混匀时间具有一定的影响，其中底吹夹角为150°时，熔池混匀时间最长，底吹夹角为180°时，熔池混匀时间最短，底吹夹角为60°时，熔池混匀时间居中。由此可见，底吹中心距为0.6R、底吹夹角为180°，即2个底吹中心距为0.6R的底吹喷孔对角布置时，对熔池的搅拌能力最强、熔池混匀时间最短。

由图4(b)可以看出，底吹中心距为0.642 5R时，随着底吹气体流量的增加，熔池混匀时间总体趋于先减小后增加的趋势。底吹气体流量低于300 NL/min时，熔池混匀时间随底吹气量增加而降低，在300 NL/min底吹气量时混匀时间达到最小值；之后，随底吹气体流量的增加，熔池混匀时间略有增加。熔池混匀时间的增加可能与高气量条件下，一部分能量消耗于液面隆起和翻滚，随着气-液界面交换能量而损失有关，用于液体环流的能量增加不多，混匀时间变化不明显。此外，大气量也会导致钢液面裸露面积增大、不利于夹杂物上浮。由图4(b)还可以看出，当底吹中心距为0.642 5R时，底吹夹角对熔池混匀时间具有一定的影响。其中，当底吹夹角60°时，熔池混匀时间最长，底吹夹角为180°时，熔池混匀时间最短，当底吹夹角150°时，熔池混匀时间居中。由此可见，当底吹中心距为0.642 5R时，底吹夹角为180°时，提高对熔池的搅拌能力。

图4(a)和图4(b)可以看出，对比60°底吹夹角，当底吹中心距0.6R时的混匀时间与0.642 5R时的混匀时间相差不大，但略低于0.642 5R的混匀时间。对比180°底吹夹角，当底吹中心距0.6R的混匀时间与0.642 5R的混匀时间相差不大，但略低于0.642 5R的混匀时间。而对于底吹夹角为150°来说，底吹中心距0.6R的混匀时间则明显高于0.642 5R的混匀时间。如前所述，由于底吹夹角不同，两底吹喷孔间距有所变化，0.6R时的喷孔间距略小，造成混匀时间延长。综合来看，从熔池混匀能力来看，两喷孔对角布置(180°)、中心距0.6R时混匀时间最短，两喷孔150°布置、中心距为0.6R时混匀时间最长。

4 结论

(1)在相同底吹流量条件下，随着底吹夹角的增加，混匀时间呈现先增加后降低的趋势，底吹夹角90°时熔池混匀时间最长，当喷孔夹角为60°和150°、30°和180°时对熔池的搅拌能力相近，当底吹夹角为180°时熔池混匀时间最短。

(2)底吹夹角对混匀时间的影响基本呈现先升高后降低的趋势。

(3)随着底吹气体流量的增加，混匀时间总体趋于先减小，在300 NL/min底吹气量时混匀时间达到最小值；之后，随底吹气体流量的增加，混匀时间略有增加的趋势。

(4)考虑到65t钢包实际操作的底吹流量基本处在50～100 NL/min，底吹喷孔夹角应以180°中心距为0.6R时最优，此时熔池混匀时间最短，底吹搅拌能力最强。

[1] 张卫强. 昆钢LF炉精炼渣的组成及冶金性能的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2005.

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[4] 黄宗泽, 顾文兵. 宝钢二次精炼工艺的发展优化及今后的工作[C]. 北京:中国冶金, 2003,(7).

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Effect of Bottom Blowing Parameters on Mixing Time in 65t Steel Ladle

GUO Lei, YANG Zhao-jun, LI Jun-guo, ZENG Ya-nan

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

bottom blowing; simulation; flow field

The simulation focuses on the impact of center distance and plug location angle and gas flow rate on liquid steel mixing time were simulated. The results show that when the center of bottom blowing is 0.5R , the mixing time is shortest, when the center distance of bottom blowing is 0.7R , the mixing time is the longest, when the center distance of bottom blowing is 0.6425R, the mixing time is the middle. From mixing capability, when the two injection holes is 180 °and the center distance is 0.6R, the mixing time is the shortest.

2095-2716(2017)01-0029-05

TF769.2

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