1-特殊钢-唐钢50t复吹转炉水力模型实验研究

唐钢50t复吹转炉水力模型实验研究曾亚南1李俊国1韩志杰2李守章1吴雨晨1（1．河北理工大学冶金与能源学院，唐山 063009；2．唐山钢铁股份有限公司，唐山 050000）摘要针对唐钢二炼钢50t复吹转炉，采用1:6.35转炉模型进行水力学模型的正交实验，研究不同氧枪枪型、枪位、顶吹流量和底吹流量对熔池混匀时间、穿透深度、冲击面积和喷溅量的影响规律。

研究表明：与四孔氧枪相比，改进后的四孔变角氧枪对熔池的冲击面积增加、穿透深度降低、炉口溅出量明显降低，但混匀时间缩短。

枪位对熔池混匀时间影响最为显著，枪位低于130mm（实际枪位1.3m），更有利于缩短熔池混匀时间，提高冶炼强度。

从缩短熔池混匀时间、减少炉口溅出量的角度看，顶吹流量最好控制在42~44Nm3/h（实际吹氧量13000~14000Nm3/h）。

关键词四孔变角氧枪转炉水力学模型混匀时间喷溅量Cold Model Study on 50t Top and Bottom Combined Blown Converter atTangsteelZeng Yanan1, Li Junguo1, Han Zhijie2, Li Shouzhang1, Wu Yuchen1(1. College of Metallurgy and Energy, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009, China;2. Tangshan Iron and Steel Co., LED, Tangshan 063016, China)Abstract The effects of different oxygen lance nozzles, lance level, top blowing flux and bottom blowing flux on bath stirring, penetrating depth, penetrating area and splashing have been investigated through orthogonal design by cold model, which was made as 1:6.35 model according to 50t top and bottom combined blown converter in Tangsteel. When we utilized the improved variable angle four-hole oxygen lance as air feeding component, the penetrating area increased, the penetrating depth and splashing amount decreased and the mixing time cut down. It was concluded that the improved oxygen lance could increased the intensity of bath stirring. The lance level has smart effect on the mixing time in bath. When the lance level was controlled below 130mm, the mixing time could be shorten and the stirring intensity could be improved. It was suggested that the top blowing flux had significant influence on bath stirring. To shorten the mixing time and reduce the splashing amount, the top blowing flux should better be controlled between 42Nm3/h and 44Nm3/h.Material Index Variable angle four-hole oxygen lance, converter, Cold model, mixing time; splashing amount随着钢铁工业的快速发展，钢铁企业对转炉炼钢的工艺要求越来越高，尤其是在钢液温度、成分及钢水质量的控制方面提出了更高的要求。

目前复合吹炼技术的应用十分广泛，但在实际生产过程中，由于供氧制度不合理也会造成化渣缓慢、脱磷不足、大量金属喷溅的现象[1-4]。

本研究针对唐钢二炼钢50t转炉实际供氧量，在现有四孔氧枪的基础上，设计了四孔变角（将四孔氧枪中相对两喷孔夹角在原有基础上加大1°）和五孔氧枪喷头。

在现有冶炼工艺的基础上，利用水力学模型研究了氧枪枪型、顶吹流量、枪位等工艺条件对熔池的混匀时间、穿透深度、喷溅量等参数的影响，为优化实际应用的氧枪枪型和供氧制度提供合理的改进方向。

1 实验方法1.1 实验装置唐钢二炼钢50t转炉有效容积40.56m3，熔池深度1250mm，熔池直径3178mm。

现有氧枪喷头为4孔氧枪，供氧流量13000~15000Nm3/h，枪位控制在900~2000 mm，吹氧时间12min左右，底吹供气量180~360Nm3/h。

模型炉体、氧枪喷头均按1:6.35比例制作，实验装置如图1所示。

图1 冶炼效果水力学模拟实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of equipment utilized in cold model test1.2 实验测定方法在炼钢过程中，控制熔池的搅拌强度是有效控制转炉炼钢过程熔池反应热力学及动力学的关键之一。

本研究采用测试熔池混匀时间、穿透深度、冲击面积、炉口溅出量等参数，来表达水力学模型的冶炼效果。

各参数的测定方法如下[5]：1）熔池混匀时间的测定：将一电导电极固定在转炉熔池底部某一位置，实验时向电极相对的另一侧熔池液面加入30ml质量百分比浓度为8%的KCl溶液，向熔池吹气过程中采用实验室开发数据采集和记录装置对熔池内溶液的电导率进行测定，熔池混匀时间根据电导电极输出的电位差变化达到稳定的时间来确定，每组实验进行3次取其平均值，同时在每次实验结束后都要对溶液进行更换并清洗，以防止上次的残留溶液影响电位差计的测量精度。

2）穿透深度和冲击面积的测定：当气流量达到稳定后，采用目测法利用标尺测定出穿透深度和冲击凹坑的直径（作为冲击面积），并进行记录；3）炉口溅出量的测定：利用滤纸对转炉炉口的溅出量进行测量，测定前先测量所选滤纸的质量，然后将滤纸放置在沿转炉炉口布置的水平平板上，喷吹3min后取下带水滤纸，并测量滤纸与飞溅到滤纸上水的总质量，通过差减法即可得到单位时间内的炉口溅出量，每组实验进行3次取其平均值。

1.3 实验参数的确定水模型实验在保证几何相似的同时，需要保证修正的弗鲁德准数Fr´相等，即[6]：(Fr´)m=(Fr´)o（1）式中，(Fr´)m、(Fr´)m分别为模型和原型的修正的弗鲁德准数，Fr´=ρu2/[(ρl-ρg)gl]，因此：)()(22gologooogmlmgmmmgdugduρρρρρρ−×=−×（2）由此可得到模型气、液参数与原型气、液参数间的关系：212125⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=gologmlmgmgoomomddQQρρρρρρ（3）式中，Q m、Q o分别为模型与原型的气体流量，Nm3/h；d m、d o分别为模型与原型氧枪喉口直径，mm；ρgm、ρgo分别为模型与原型的气体密度，kg/m3；ρlm、ρlo分别为模型与原型的液体密度，kg/m3。

实际生产中，氧枪出口气体流速为超音速，而水力学实验过程中，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，对熔池的冲击面积和穿透深度也就有所不同。

以亚音速射流模拟实际的超音速气体射流时，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池接触面积偏大、射流中心流速偏低的现象。

因此在实验过程中对模型喷枪枪位进行了修正[7]，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。

水力学模型按1:6.35制作，模型和原型参数对应值如表1和表2所示。

在二炼钢现有转炉操作工艺参数的基础上，本实验采用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转炉冶炼效果的影响，正交实验各因素水平见表3所示。

2 实验结果与讨论正交实验结果如表4所示，根据正交实验结果，可分析各因素对熔池混匀时间、穿透深度、冲击面积和炉口溅出量的影响规律，为进一步优化现有冶炼工艺提供实验基础。

表1几何相似参数Table 1 Geometry similarity parameters类别熔池直径/mm熔池深度/mm氧枪喉口直径（四孔/四孔变角/五孔）/mm氧枪出口直径（四孔/四变变角/五孔）/mm氧枪枪位/mm原型3178 1250 26/27/25.5 35.5/35.5/33 900~1600 模型500 197 4.1/4.25/4.0 5.6/5.6/5.2 70~190表2 动力相似参数Table 2 Dynamic similarity parameters吹入 方式 熔池 液体 顶吹 气体 顶吹气体密度/kg·m -3底吹 气体 底吹气体 密度/kg·m -3液体密度/kg·m -3顶枪流量 Nm 3·h -1底吹流量Nm 3·h -1原型 钢液 氧气 1.43 氮气 1.25 7000 13000~15000 180~360 模型水空气1.29空气1.29 1000 40~48 0.70~1.41表3 正交实验各因素水平Table 3 Levels of 5 factors used in orthogonal design枪型 四孔四孔四孔变角四孔五孔枪位，mm 70 100 130 160 190 熔池深度，mm 157 165 173 181 197 顶吹流量，Nm 3·h -140 424446 48底吹流量，Nm 3·h -10.70 0.88 1.06 1.23 1.41表4 正交实验结果Table 4 Results in orthogonal design experiment实验号 混匀时间/s 穿透深度/mm 冲击面积(D)/mm炉口溅出量g/s1 49 77 106 0.0352 39 77 175 0.3013 39 88 170 0.6774 48 96 160 0.7265 56 87 160 0.500 6 36 101 185 0.206 7 41 107 160 0.6248 33 93 188 1.189 63 60 140 0.170 10 72 73 160 0.345 11 24 100 190 0.124 12 46 83 160 0.018 13 50 51 160 0.088 14 48 47 170 0.157 15 50 57 190 0.115 16 40 87 165 0.036 17 37 82 170 0.047 18 36 85 180 0.130 19 57 73 200 0.183 20 58 41 165 0.036 21 25 125 170 1.211 22 32 126 179 1.526 23 39 96 120 1.000 24 51 91 150 0.802 25 45 851551.023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，从而分析各吹炼工艺参数对熔池混匀时间、穿透深度、冲击面积和炉口溅出量的显著性影响。