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1、- 1 -90tLF 炉底吹氩气工艺优化水模实验研究摘 要：采用冷态物理模拟实验，通过测定钢包内流体流动混匀时间和录象观察，确定三明钢厂 90tLF 炉底吹一个透气砖布置在包底 0.52R 上，并且其两相流上升冲破炉渣形成的钢液裸露区与原高位料仓下料落点在同一地点；软吹气体流量为4080NL/min,大于 100 NL/min 为硬吹，深脱硫时的气体流量为 500NL/min；炉门应该设置在临近高位料口附近；钢液裸露区对面包壁附近作为喂线的选择位置。关键词：LF 炉;混匀时间;透气砖;硬吹;软吹;脱硫动力学0 引言合理布置钢包底吹氩气透气砖的位置和供气流量，不仅能够改善 LF 精炼炉深脱硫、均
2、匀成分和温度、合金微调、以及促进夹杂物上浮，同时还可缩短精炼处理时间，为转炉和连铸工艺顺行起着调控作用。 本实验采用物理模拟研究方法, 针对三明钢厂的 LF 炉，优化其底部透气砖的位置和个数；造渣剂和合金加料位置，炉门位置和喂丝位置；深脱硫和去除夹杂物的底吹氩气流量以及软吹和硬吹氩气流量界限，为现场提供合理的工艺参数。1 LF 炉底吹氩气的脱硫动力学原理1.1 LF 炉内钢液混匀时间与脱硫之间关系钢液进入 LF 炉精炼工位时，一般而言钢液中S含量很低，若要进一步脱硫时，可以认为硫在钢液中的传质是限制性环节。那么，此时脱硫速度方程可用下式 1表示。（1）%ms ss sdSSSAKKtVLL式中
3、：dS/dt脱硫反应速度； Kms钢液中硫的传质系数，cm/min；K s脱硫速度常数，min -1；S、(S)钢、渣中的硫的浓度， %；L s硫在渣和钢中的分配比； A钢渣反应界面积，m 2；V钢液体积，m3 。由式(1)可知在钢包尺寸和钢水量一定条件下，脱硫反应速度主要取决于硫在钢液中的传质系数 Kms或者脱硫速度常数 Ks的大小。根据浅井 2提供的脱硫速度常数 Ks和钢包底吹氩气的搅拌能之间有着下列关系：Ks n （2）式中：搅拌能，wt -1； n指数; K s脱硫速度常数， min-1。由式(2)可知，随着底吹氩气搅拌能增加，脱硫速度常数 Ks 增大。这是由于搅拌能增加时， S在钢液
4、中传质系数增大以及渣-钢的接触面积远远大于平静渣金界面的面积。钢液搅拌能与钢包底吹气体流量关系如下式 3表示：（）0516.18ln()148ge gQTThnVP式中：搅拌能，wt -1；Q g气体流量， Nm3/min；T e钢液温度，K；T g氩气温度，K；h 0钢液深度，m；P 0钢液表面压力，Pa; n系数。由式（）可知，随着钢包底吹氩气流量增加，其搅拌能增大。对于 LF 炉精炼工艺，不仅受到转炉炼钢与连铸工艺之间的调控约束，同时还要在短时间里完成深脱硫和去除夹杂物等主要精炼任务。因此要创造良好的动力学条件，即钢包内的钢液混匀时间要短，且渣钢混合充分，才能保证完成深脱硫等任务。钢包的
5、混匀时间与搅拌能大小以及透气砖在包底位置的关系式 如下：- 2 -(1) 对于 LF 炉单个透气砖：（4）122234. 0.59.3DHrrR(0.5)rR式中：混匀时间 ，s；搅拌能 ，wt-1；D、H钢包直径和和钢液深度 ，m；r/R透气砖在包底半径的位置。(2) 对于 LF 炉底多个透气砖：（5）0.3.852N (1,23)N式中：混匀时间 ， ；搅拌能，wt -1； 透气砖个数 。s从式（4） 、 （5）可知，当钢包的钢液深度和直径一定时，钢包内混匀时间不仅取决于其底吹气体对钢液的搅拌能，而且与包底透气砖位置和个数有着重要关系。从上述公式可知，用混匀时间长短来判断钢液在钢包内混匀程
6、度，通过在包底布置合理的透气砖个数和位置，供给合适的氩气流量，在钢包内给钢液创造混匀时间极短的动力学条件，使渣-钢充分混合，以完成深脱硫等主要精炼任务。12 LF 炉底吹氩气钢液流动规律底吹氩气的钢包内钢液流动规律，对钢包内冶金热力学及精炼操作工艺有着重要的影响。如图 1 所示，底吹氩气上升搅拌钢液流动形成的循环流，一般分为 A、B、C、D 四个区域。A 区：气液混合两相上升流区。钢包底吹氩气的气泡浮力上升带动周围钢液一起上升，形成气液两相流，并以“V”型螺旋上浮至顶部，冲破炉渣形成钢液裸露区，其半径大小主要依据钢包底吹氩气流量有关，如图 1 中 A 所示。该钢液裸露区形成，为合金直接加入钢液
7、中去，石灰等脱硫造渣材料快速熔化造渣脱硫和合金化等起着重要的作用。另外，A 区气液两相上升流冲破渣层后，使钢液沿液面产生水平流动，与钢液面上的液态渣形成较大的速度差，在钢液剪切力的作用下，将炉渣剪切成渣滴并将其代入到钢液中。从模拟实验观察可知炉渣形成大小不一的渣滴进入钢包内液体的中部或底部。 图 1 底吹氩气钢包内形成的循环流示意图B 区:钢包上部钢液和炉渣沿着水平方向流动区，如图 1 中 B 所示。气液两相流会迫使炉渣和钢液以放射型向四周水平流动。水平流动的厚度是指渣层厚度和与渣层接触的钢液侧的一定厚度之和，一般为钢液深度的 10%20%，水平流动速度大小和厚度主要取决于钢包底吹氩气的流量。
8、炉渣层和与炉渣- 3 -接触的钢液侧一定厚度的水平流动速度都不一样，即钢液侧水平流动速度大于炉渣层。由于二者之间水平流动速度不一样而产生相对运动，为渣钢界面不断进行表面更新，提高冶金反应效果起着积极作用。C 区:下降流区。炉渣和钢液的水平流动至包壁受阻后，转向沿着包壁向下流动，如图 1 中 C 所示。由于钢液沿着包壁向下流动，为喂丝位置确定提供操作场所。 D 区：抽引流区。下降流沿着包壁下降到不同深度的钢液和炉渣滴在 A 区气液两相流的抽引作用下，由四周不同深度沿着水平方向向 A 区中心流动。从模拟实验录像观察可知，当底吹气体流量增加到一定程度时，被卷入的约 10mm 以下的小渣滴沿着包底水平
9、方向流向 A 区。渣滴直径小，分散程度大，在钢液里停留时间长，为深脱硫创造了良好的动力学条件。以上由 A、B、C、D 流动区构成钢包底吹氩气的整个循环流。钢液或者渣滴在钢包内钢液循环一周所需要的时间长短，决定钢包内冶金反应速度的快慢；同时也对去除大颗粒夹杂物有着重要的作用。2 实验方案2.1 实验方法 根据相似原理，采用 1:2.5 几何相似比模拟 90tLF 精炼钢包。为了便于观察录像，用有机玻璃制作成钢包模型。采用水模拟钢液，氮气模拟氩气，其模拟实验装置如图 2 所示。图 2 物理模拟实验装置示意图引起钢包内流体流动的动力主要是底吹气体上升时浮力，因此采用修正弗鲁德准数作为主要相似准数。即
10、Fr1=Fr2（6）22112 glgluu式中， g1、g2 分别为模型与原型气体的密度 ，kg/m3；l1、l2 分别为模型与原型液体的密度，kg/m 3；L 1、L2分别为模型与原型的特征尺寸，m ；u 1、u 2模型与原型的气体流速，m/s。实验采用各种介质的物性如表 1 所示，由表 1 和式（6）计算模型流量如表 2 所示。钢包内混匀时间的测定，是采用两个探头固定在钢包内壁上不同高度。每个透气砖的底吹流量分别采用流量计控制。测定前模型钢包内流动稳定 5 min，然后采用饱和 NaCl 水溶液 800ml 的示踪剂，从钢包液面上一次加入，并同时计时。采用电导率仪和电导函数记录仪以及计算
11、机记录，直至曲线出现平衡稳定后延续 40 s 左右停止。上述测定内容重复 23 次，采用平均值确定一组实验结果数据。表 1 模拟实验介质的物性液体密度 /kgm-3 气体密度/kgm -3- 4 -原型 钢水 7.0103 Ar 1.78模型 水 1.0103 N2 1.14表 2 原型与模型底吹气体流量原型（NL/min） 600 500 400 300 200 100 60 50 40模型（NL/min） 28.66 23.89 19.11 14.33 9.55 4.78 2.87 2.39 1.912.2 钢包底吹透气砖布置方案目前国内钢厂钢包底吹透气砖绝大多数采用一个或者两个，容量大的
12、采用两个，容量比较小的采用一个。采用两个或者一个透气砖的原则，主要是以钢包内钢液混匀时间短为依据，并且还要适应现场加料、喂线等操作工艺的需要。采用对比实验方法，在钢包底部设计 12 个透气砖位置，它们分别布置在0.52R、0.61 R、0.71 R 上( R 为钢包底部半径)，其分布位置如图 3 所示。其中单透气砖优化实验 8 组；双透气砖组合优化实验 14 组。透气砖在包底不同组合方案和示踪剂加入位置如表 3 所示。表 3 钢包底透气砖分布及液面不同位置加入示踪剂钢包双底透气砖 钢包单底透气转方案序号 透气砖位置 示踪剂加入位置方案序号 透气砖位置 示踪剂加入位置1 2#、3# A 1 10
13、# A2 6#、8# A 2 10# B3 1#、2# A 3 10# D4 6#、10# A 4 3# A5 6#、10# D 5 8# A6 4#、10# A 6 11# A7 4#、8# A 7 9# A8 4#、8# D 8 10# C9 2#、10# A10 2#、10# D11 2#、3# D12 4#、8# B13 4#、10# E14 4#、10# F- 5 -图 3 透气转在包底分布位置示意图(-透气砖、-加示踪剂位置、-电极位置)23 软吹与硬吹鉴别界限把液体石蜡染成浅红色模拟炉渣，厚度 60mm。采用小底吹气体流量1.91、2.87、3.82、4.78NL/min（40、
14、60、80、100L/min）进行模拟软吹状态，以液态石蜡不被卷入到钢液中为原则，并且钢包液面的石蜡恰好要被吹开又未吹开的气体流量作为软吹和硬吹的界限。3 实验结果与分析3 1 双透气砖底吹混匀时间0 510152025460801012014016018020 混 匀 时 间(s）底 吹 气 体 流 量 (NL/min）布 置 方 式1原 方 案23原 方 案4567891012314图 4 钢包双透气砖底吹混匀时间钢包双透气砖组合的底吹混匀时间测定结果如图 4 所示。从图 4 可知，随着钢包双底吹气体流量增加，钢包内流体混匀时间呈现下降趋势。从底吹 1.91NL/min（相当于现场 40
15、NL/min）流量增加到4.789.55 NL/min（相当于现场 100200 NL/min）流量范围时，钢包内流体混匀时间下降幅度大，然后气体流量增至 19.1123.89 NL/min（相当于现场 400500 NL/min）流量范围时，混匀时间下降幅度- 6 -逐渐减小。在钢包双底吹方案中 4#、10 #和 6#、10 #透气砖组合的双底吹，A 点位置加入示踪剂底吹气量为23.89 NL/min（相当于现场 500 NL/min）时，钢包内流体混匀时间短，为 56s 和 65s。而原方案钢包2#、3 #透气砖组合的双底吹在上述条件下，钢包内流体混匀时间是 72s。优化的 4#、10 #和 6#、10 #透气砖组合的双底吹的钢包流体混匀时间比原方案 2#、3 #透气砖组合的双底吹分别缩短了 22%和 10%。若底吹2.87 NL/min、3.82 NL/min（相当于现场 6080 NL/min）小气体流量时， 6#、10 #透气砖组合的双底吹的钢包流体混匀时间比原方案 2#、3 #透气砖组合的双底吹缩短了 17%程度，而 4#、10 #组合的透气砖的混匀时间与原 2#、3 #透气砖组合的混匀时间相近。32 钢包单透气砖底吹混匀时
