glLurF290t 复吹转炉底吹工艺优化实验研究摘 要: 针对三钢 90t复吹转炉，在实验室按照几何相似比 1:8.5建立了转炉模型，在模拟实验中，保证原型转炉与模型转炉的修正弗鲁德准数 Fr’相等，保持原型与模型的动力相似研究了不同的底枪布置、顶吹气体流量、底吹气体流量、顶枪枪位对溶池混匀时间的影响优化得到了适合于三钢 90t复吹转炉的底枪布置和复吹工艺关键词：90t 复吹转炉;底枪布置;底吹工艺;物理模拟;优化研究0 引言复 吹 转 炉 炼 钢 是 当 今 世 界 上 主 要 的 炼 钢 方 法 ， 虽 然 复 吹 转 炉 从 1978 年 诞生 至 今 已 有 28 年 的 历 史 ， 但 是 就 其 底 吹 工 艺 和 底 枪 布 置 而 言 ， 仍 然 还 有 不 少问 题 和 不 同 观 点 ， 尤 其 是 溅 渣 护 炉 以 后 ， 因 底 枪 透 气 不 畅 或 受 堵 ， 底 枪 支 数 及其 在 炉 底 上 的 布 置 方 式 差 别 很 大 复 吹 转 炉 诞 生 在 欧 洲 ， 底 枪 布 置 和 支 数 受 到纯 底 吹 氧 气 转 炉 的 影 响 ， 多 采 用 多 支 对 称 布 置 。
随 着 复 吹 转 炉 技 术 由 欧 洲 向 东方 传 播 ， 在 日 本 和 中 国 等 国 家 ， 复 吹 转 炉 的 底 枪 逐 渐 由 多 支 变 到 少 支 布 置 ， 并且 研 究 得 出 复 吹 转 炉 底 枪 支 数 和 布 置 与 溶 池 混 匀 时 间 等 一 系 列 的 经 典 理 论 至今 为 止 ， 关 于 复 吹 转 炉 底 枪 支 数 ， 形 成 了 两 种 观 点 ， 以 欧 洲 为 代 表 主 张 复 吹 转炉 布 置 多 支 底 枪 ； 以 中 、 日 为 代 表 主 张 复 吹 转 炉 布 置 少 支 底 枪 近 年 来 从 西 方引 进 的 底 吹 技 术 ， 如 武 钢 三 炼 钢 、 沙 钢 、 梅 钢 、 南 钢 等 钢 厂 的 底 枪 支 数 趋 向 于多 支 ， 如 八 支 、 十 支 、 十 六 支 不 仅 如 此 ， 在 转 炉 底 枪 布 置 上 ， 欧 洲 派 主 张 均匀 对 称 布 置 在 炉 底 ， 东 方 派 主 张 沿 耳 轴 方 向 集 中 布 置 东 北 大 学 经 过 近 年 来 的研 究 [1-2]， 不 仅 主 张 复 吹 转 炉 底 枪 应 根 据 炉 子 容 量 采 用 合 适 的 底 枪 支 数 ， 沿 耳轴 方 向 布 置 ， 而 且 主 张 底 枪 非 对 称 布 置 ， 以 有 利 于 缩 短 熔 池 混 匀 时 间 。
本 研 究 针 对 三 明 钢 厂 90t 复 吹 转 炉 现 有 的 底 枪 支 数 和 布 置 以 及 操 作 工 艺 参数 ， 采 取 物 理 模 拟 试 验 ， 确 定 最 佳 的 复 吹 转 炉 底 枪 支 数 和 布 置 ， 为 现 场 复 吹 转炉 优 化 操 作 工 艺 提 供 依 据 1 实 验 方 法根 据 相 似 理 论 ， 在 进 行 复 吹 转 炉 物 理 模 拟 实 验 时 ， 要 保 证 原 型 与 模 型 的 几何 相 似 和 动 力 相 似 影 响 复 吹 转 炉 熔 池 流 体 运 动 的 力 主 要 有 顶 吹 气 体 的 惯 性 力 、底 吹 气 体 的 浮 力 以 及 流 体 的 粘 性 力 由 这 三 个 力 构 成 的 相 似 准 数 为 雷 诺 数 Re和 修 正 弗 鲁 德 数 Fr’ 在 湍 流 流 动 中 ， 可 以 忽 略 流 体 粘 性 力 的 影 响 因 此 ，对 于 复 吹 转 炉 的 物 理 模 拟 实 验 ， 在 几 何 相 似 的 前 提 下 ， 保 证 原 型 与 模 型 间 的 修正 弗 鲁 德 准 数 相 等 ， 就 可 保 证 原 型 和 模 型 间 的 流 动 相 似 [3-4]。
修 正 的 弗 鲁 德 准数 为 ：（1） 式中， u—气体流 速， ； —气体的密度， ; —液体的密度, smg 3mkl;3mkgL—特征尺寸, ;g—重力加速度， 由模型与原型的修正弗鲁德准数相等,得：2s （2）''pmFr式中，下标m表示模型，下标p表示原型将（1）代入（2） ，并利用流量Q与流速和流通面积的关系，得模型气体流量计算式：（3）pgmlpgmppmLQ212125 式中， Lm/Lp为几何相似比在本实验中，根据原型转炉尺寸和实验室条件，选定几何相似比为 1:8.5原型转炉和模型转炉的内型尺寸如图1所示，原型转炉内型尺寸为考虑炉役中期炉衬被侵蚀200mm后的尺寸原型转炉采用六支底枪，在炉底的布置位置如图2所示，模型转炉在原型转炉的六支底枪的基础上，在0.4 D和0.6 D的圆周上各安装了六支底枪，与0.47 D圆周上的六支底枪和0.24 D圆周上的两支底枪组合，分别构成不同底枪支数和布置的底吹实验方案模拟实验的设备如图3所示，本实验用水模拟钢液，用压缩空气模拟氧气和底吹气体，通过测定熔池的混匀时间来研究不同的复吹工艺和地区布置对熔池搅拌的影响。
实验时，向溶池中加入20mL浓度为200g/L的NaCl溶液示踪剂，通过安放在炉壁上的三支电极，用电导率仪和函数记录仪以及计算机记录熔池电导率随时间的变化的曲线上述测定内容重复2～3次，取平均值确定熔池的混匀时间实验采用的工艺参数见表1～表3a）原型转炉 （b）模型转炉图 1 原型与模型转炉内型尺寸 原型转炉底枪布置（1 #方案） 模型转炉底枪位置图 2 原型转炉底枪布置与模型底枪开孔位置1-转炉；2-氧枪；3-玻璃管；4-底部供气元件；5-水；6-电导电极；7-流量计；8-稳压罐；9-空压机；10-储气罐；11-电导率仪；12-函数记录仪图 3 复吹转炉 物 理 模拟实验装置表1 原型 与模型转炉顶吹气体流量 QT参数 顶吹气体流量/ Nm3•h-1原型 18000 20000 22000 24000模型 33.5 37.2 41.0 44.7表2 原型 与模型转炉的底吹气体流量 QB参数 底吹 后搅原型供气强度qB/Nm3•min-1•t-1 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12原型流量Qp/Nm3•h-1 216 324 432 540 648模型流量Qm/Nm3•h-1 0.24 0.35 0.47 0.59 0.71表3 原型 与模型转炉的氧枪枪位 hL和溶池深度参数 氧枪枪位/ mm 溶池深度/ mm原型 1000 1200 1400 1600 1256模型 118 141 165 188 1482 实验结果与讨论原底枪布置的底吹供气强度对复吹转炉溶池混匀时间影响如图 4所示。
从图 4可知，原底枪布置复吹转炉的溶池混匀时间随底吹供气强度增加而减少，但是变化幅度很小，这是原底枪布置的底吹对溶池搅拌效果差造成的0.40.50.60.70.820530540505605/sqB /Nm3in-1t-1hL/m 1.0 .2 1.4 .6图 4 原底枪布置复吹转炉的混匀时间2#方案 3 #方案 4 #方案图 5 四支底枪或六支底枪轴对称布置四支底枪或六支底枪轴对称布置在 0.47D或在 0.6D圆周上如图 5所示，这三种底枪布置方式和原六支底枪布置（1 #方案）对所有实验的枪位和底吹气体流量的复吹条件下得到的混匀时间取平均值，得到如图 6所示的转炉熔池的平均混匀时间与顶吹气体流量的关系由图可知，随顶吹气体流量的增加，四种底枪布置方案的混匀时间有所下降，四支底枪对称布置在 0.47D圆周上的混匀时间要小于其它三种底枪布置但总的来看，这四种底枪布置的复吹转炉熔池的混匀时间还是较大，在 45-61秒之间在研究中还对三支（5 #方案）、四支（6 #方案）、五支（7 #方案）和六支（8 #方案）底枪非对称布置的复吹条件下的熔池混匀时间进行了测定，这四种方案的底枪均分别布置在 0.4D、0.47 D和 0.6D的圆周上。
测定结果如图 7所示由图可知，非对称布置的底枪，熔池的混匀时间均低于方案 1#～4 #四种底枪布置的混匀时间，特别是四支和五支底枪非对称布置的方案，在18000～22000Nm 3/h的顶吹流量范围，混匀时间比图 6中的混匀时间降低了30%～40%在实验中发现，不论底枪是对称布置还是非对称布置，当顶吹气体流量达到 22000Nm3/h时，转炉熔池开始出现震荡摆动，顶吹气体流量升高到24000Nm3/h时，这种震荡摆动现象更严重由于熔池的这种震荡摆动，使得 5#和 6#方案的底枪布置在大的顶吹流量范围下，熔池混匀时间升高180190202102023024020530540505605 /sQT/Nm3h-11#方 案 2方 案 3#方 案4方 案图 6 1#至 4#底枪轴对称布置方案复吹下熔池混匀时间18019020210202302402053054050560 /sQT/Nm3h-1 5#方 案6方 案 7#方 案8方 案图 7 5#至 8#底枪非对称布置方案的复吹下熔池混匀时间四支底枪非对称布置（6 #方案）的复吹条件下混匀时间随底吹气体强度的变化如图 8所示，由图可知，随底吹供气强度的提高，混匀时间明显下降；在小的底吹强度时，低枪位有利于降低熔池的混匀时间；在大的底吹供气强度下（>0.06Nm 3•min-1•t-1），枪位对混匀时间的影响减弱。
0.40.50.60.70.82053054050560 /sqB/Nm3in-1t-hL/m 1.0 .2 1.4 .6图 8 6#底枪布置方案复吹下熔池混匀时间0.80.90.10.10.120.132304050607080 /sQB/Nm3in-t-1#方 案2方 案 3#方 案4方 案 5#方 案6方 案 7#方 案8方 案图 9 不同底枪布置方案纯底吹后搅时熔池混匀时间考虑到复吹转炉冶炼到终点后为了使渣金两相趋于平衡，一般进行纯底吹后搅图 9 为不同底枪布置方案纯底吹后搅时熔池混匀时间，由图可知，原底枪布置方案的后搅混匀时间最长，为 77～79s，并且随底吹强度增加，变化不大，说明这种底枪布置方式极不合理，底吹气体流量增加对熔池的搅拌不起作用对于其它底枪布置方案，随底吹强度增加，熔池混匀时间下降，而且在所研究的底吹强度范围，除 4#方案在底吹强度小于 0.1 Nm3/(min•t)外，熔池混匀时间都远远低于原底枪布置的混匀时间， 而 6#、 7#和 8#底枪布置方案的混匀时间较短，只有 1#原底枪布置方案混匀时间的 30%～50%3 结论(1) 原底枪布置方式的复吹转炉，其纯底吹的熔池混匀时间长，在 77～79s之间，且随底吹强度增加变化不大，熔池搅拌效果差；其复吹条件下的熔池搅拌效果也不好，混匀时间为 50～65s 之间。
2)采用四支或六支底枪轴对称布置在 0.47D 或 0.6D 的圆周上，其纯底吹的熔池混匀时间得到降低，在 35～55s 之间，且随底吹强度增加而明显下降；在复吹条件下，熔池的混匀时间依然长，在 45～58s 之间底枪轴对称布置不利于复吹转炉熔池搅拌3)采用四支、五支或六支底枪非对称布置在 0.4D、0.47D 和 0.6D 的圆周上，纯底吹熔池的混匀时间短，为 26～42s，比原底枪布置方案平均降低了 56%；复吹条件下的熔池搅拌效果好，混匀时间在 35～45s 之间，比原底枪布置方案平均降低了 30%。