90tLF爐底吹氬氣工藝優(yōu)化水模實驗研究

1、90tlf爐底吹氬氣工藝優(yōu)化水模實驗研究摘 要：采用冷態(tài)物理模擬實驗，通過測定鋼包內(nèi)流體流動混勻時間和錄象觀察，確定三明鋼廠90tlf爐底吹一個透氣磚布置在包底上，并且其兩相流上升沖破爐渣形成的鋼液裸露區(qū)與原高位料倉下料落點在同一地點；軟吹氣體流量為4080nl/min,大于100 nl/min為硬吹，深脫硫時的氣體流量為500nl/min；爐門應該設(shè)置在臨近高位料口附近；鋼液裸露區(qū)對面包壁附近作為喂線的選擇位置。關(guān)鍵詞：lf爐;混勻時間;透氣磚;硬吹;軟吹;脫硫動力學0 引言合理布置鋼包底吹氬氣透氣磚的位置和供氣流量，不僅能夠改善lf精煉爐深脫硫、均勻成分和溫度、合金微調(diào)、以及促進夾雜物上浮

2、，同時還可縮短精煉處理時間，為轉(zhuǎn)爐和連鑄工藝順行起著調(diào)控作用。 本實驗采用物理模擬研究方法, 針對三明鋼廠的lf爐，優(yōu)化其底部透氣磚的位置和個數(shù)；造渣劑和合金加料位置，爐門位置和喂絲位置；深脫硫和去除夾雜物的底吹氬氣流量以及軟吹和硬吹氬氣流量界限，為現(xiàn)場提供合理的工藝參數(shù)。1 lf爐底吹氬氣的脫硫動力學原理 lf爐內(nèi)鋼液混勻時間與脫硫之間關(guān)系鋼液進入lf爐精煉工位時，一般而言鋼液中s含量很低，若要進一步脫硫時，可以認為硫在鋼液中的傳質(zhì)是限制性環(huán)節(jié)。那么，此時脫硫速度方程可用下式1表示。 （1）式中：ds/dt脫硫反應速度；kms鋼液中硫的傳質(zhì)系數(shù)，cm/min；ks脫硫速度常數(shù)，min-1；s

3、、(s)鋼、渣中的硫的濃度，%；ls硫在渣和鋼中的分配比；a鋼渣反應界面積，m2；v鋼液體積，m3 。由式(1)可知在鋼包尺寸和鋼水量一定條件下，脫硫反應速度主要取決于硫在鋼液中的傳質(zhì)系數(shù)kms或者脫硫速度常數(shù)ks的大小。根據(jù)淺井2提供的脫硫速度常數(shù)ks和鋼包底吹氬氣的攪拌能之間有著下列關(guān)系： ksn （2）式中：攪拌能，wt-1； n指數(shù); ks脫硫速度常數(shù)，min-1。由式(2)可知，隨著底吹氬氣攪拌能增加，脫硫速度常數(shù)ks增大。這是由于攪拌能增加時，s在鋼液中傳質(zhì)系數(shù)增大以及渣-鋼的接觸面積遠遠大于平靜渣金界面的面積。鋼液攪拌能與鋼包底吹氣體流量關(guān)系如下式3表示： （）式中：攪拌能，wt

4、-1；qg氣體流量，nm3/min；te鋼液溫度，k；tg氬氣溫度，k；h0鋼液深度，m；p0鋼液表面壓力，pa; n系數(shù)。由式（）可知，隨著鋼包底吹氬氣流量增加，其攪拌能增大。對于lf爐精煉工藝，不僅受到轉(zhuǎn)爐煉鋼與連鑄工藝之間的調(diào)控約束，同時還要在短時間里完成深脫硫和去除夾雜物等主要精煉任務。因此要創(chuàng)造良好的動力學條件，即鋼包內(nèi)的鋼液混勻時間要短，且渣鋼混合充分，才能保證完成深脫硫等任務。鋼包的混勻時間與攪拌能大小以及透氣磚在包底位置的關(guān)系式如下：(1) 對于lf爐單個透氣磚： （4）式中：混勻時間，s；攪拌能，wt-1；d、h鋼包直徑和和鋼液深度，m；r/r透氣磚在包底半徑的位置。(2)

5、對于lf爐底多個透氣磚： （5）式中：混勻時間，；攪拌能，wt-1；透氣磚個數(shù)。從式（4）、（5）可知，當鋼包的鋼液深度和直徑一定時，鋼包內(nèi)混勻時間不僅取決于其底吹氣體對鋼液的攪拌能，而且與包底透氣磚位置和個數(shù)有著重要關(guān)系。 從上述公式可知，用混勻時間長短來判斷鋼液在鋼包內(nèi)混勻程度，通過在包底布置合理的透氣磚個數(shù)和位置，供給合適的氬氣流量，在鋼包內(nèi)給鋼液創(chuàng)造混勻時間極短的動力學條件，使渣-鋼充分混合，以完成深脫硫等主要精煉任務。12 lf爐底吹氬氣鋼液流動規(guī)律底吹氬氣的鋼包內(nèi)鋼液流動規(guī)律，對鋼包內(nèi)冶金熱力學及精煉操作工藝有著重要的影響。如圖1所示，底吹氬氣上升攪拌鋼液流動形成的循環(huán)流，一般分為

6、a、b、c、d四個區(qū)域。a區(qū)：氣液混合兩相上升流區(qū)。鋼包底吹氬氣的氣泡浮力上升帶動周圍鋼液一起上升，形成氣液兩相流，并以“v”型螺旋上浮至頂部，沖破爐渣形成鋼液裸露區(qū)，其半徑大小主要依據(jù)鋼包底吹氬氣流量有關(guān)，如圖1中a所示。該鋼液裸露區(qū)形成，為合金直接加入鋼液中去，石灰等脫硫造渣材料快速熔化造渣脫硫和合金化等起著重要的作用。另外，a區(qū)氣液兩相上升流沖破渣層后，使鋼液沿液面產(chǎn)生水平流動，與鋼液面上的液態(tài)渣形成較大的速度差，在鋼液剪切力的作用下，將爐渣剪切成渣滴并將其代入到鋼液中。從模擬實驗觀察可知爐渣形成大小不一的渣滴進入鋼包內(nèi)液體的中部或底部。 圖1 底吹氬氣鋼包內(nèi)形成的循環(huán)流示意圖b區(qū):鋼包

7、上部鋼液和爐渣沿著水平方向流動區(qū)，如圖1中b所示。氣液兩相流會迫使爐渣和鋼液以放射型向四周水平流動。水平流動的厚度是指渣層厚度和與渣層接觸的鋼液側(cè)的一定厚度之和，一般為鋼液深度的10%20%，水平流動速度大小和厚度主要取決于鋼包底吹氬氣的流量。爐渣層和與爐渣接觸的鋼液側(cè)一定厚度的水平流動速度都不一樣，即鋼液側(cè)水平流動速度大于爐渣層。由于二者之間水平流動速度不一樣而產(chǎn)生相對運動，為渣鋼界面不斷進行表面更新，提高冶金反應效果起著積極作用。c區(qū):下降流區(qū)。爐渣和鋼液的水平流動至包壁受阻后，轉(zhuǎn)向沿著包壁向下流動，如圖1中c所示。由于鋼液沿著包壁向下流動，為喂絲位置確定提供操作場所。 d區(qū)：抽引流區(qū)。下

8、降流沿著包壁下降到不同深度的鋼液和爐渣滴在a區(qū)氣液兩相流的抽引作用下，由四周不同深度沿著水平方向向a區(qū)中心流動。從模擬實驗錄像觀察可知，當?shù)状禋怏w流量增加到一定程度時，被卷入的約10mm以下的小渣滴沿著包底水平方向流向a區(qū)。渣滴直徑小，分散程度大，在鋼液里停留時間長，為深脫硫創(chuàng)造了良好的動力學條件。以上由a、b、c、d流動區(qū)構(gòu)成鋼包底吹氬氣的整個循環(huán)流。鋼液或者渣滴在鋼包內(nèi)鋼液循環(huán)一周所需要的時間長短，決定鋼包內(nèi)冶金反應速度的快慢；同時也對去除大顆粒夾雜物有著重要的作用。2 實驗方案 實驗方法 根據(jù)相似原理，采用1:幾何相似比模擬90tlf精煉鋼包。為了便于觀察錄像，用有機玻璃制作成鋼包模型。

9、采用水模擬鋼液，氮氣模擬氬氣，其模擬實驗裝置如圖2所示。圖2 物理模擬實驗裝置示意圖引起鋼包內(nèi)流體流動的動力主要是底吹氣體上升時浮力，因此采用修正弗魯?shù)聹蕯?shù)作為主要相似準數(shù)。即fr1=fr2 （6）式中，g1、g2分別為模型與原型氣體的密度，kg/m3；l1、l2分別為模型與原型液體的密度，kg/m3；l1、l2分別為模型與原型的特征尺寸，m；u1、u2模型與原型的氣體流速，m/s。實驗采用各種介質(zhì)的物性如表1所示，由表1和式（6）計算模型流量如表2所示。鋼包內(nèi)混勻時間的測定，是采用兩個探頭固定在鋼包內(nèi)壁上不同高度。每個透氣磚的底吹流量分別采用流量計控制。測定前模型鋼包內(nèi)流動穩(wěn)定5 min，然

10、后采用飽和nacl水溶液800ml的示蹤劑，從鋼包液面上一次加入，并同時計時。采用電導率儀和電導函數(shù)記錄儀以及計算機記錄，直至曲線出現(xiàn)平衡穩(wěn)定后延續(xù)40 s左右停止。上述測定內(nèi)容重復23次，采用平均值確定一組實驗結(jié)果數(shù)據(jù)。表 1 模擬實驗介質(zhì)的物性液體密度/kgm-3氣體密度/kgm-3原型鋼水103ar模型水103n2表2 原型與模型底吹氣體流量原型（nl/min）600500400300200100605040模型（nl/min） 鋼包底吹透氣磚布置方案 目前國內(nèi)鋼廠鋼包底吹透氣磚絕大多數(shù)采用一個或者兩個，容量大的采用兩個，容量比較小的采用一個。采用兩個或者一個透氣磚的原則，主要是以鋼包內(nèi)

11、鋼液混勻時間短為依據(jù)，并且還要適應現(xiàn)場加料、喂線等操作工藝的需要。采用對比實驗方法，在鋼包底部設(shè)計12個透氣磚位置，它們分別布置在、上(r為鋼包底部半徑)，其分布位置如圖3所示。其中單透氣磚優(yōu)化實驗8組；雙透氣磚組合優(yōu)化實驗14組。透氣磚在包底不同組合方案和示蹤劑加入位置如表3所示。表3 鋼包底透氣磚分布及液面不同位置加入示蹤劑鋼包雙底透氣磚鋼包單底透氣轉(zhuǎn)方案序號透氣磚位置示蹤劑加入位置方案序號透氣磚位置示蹤劑加入位置12#、3#a110#a26#、8#a210#b31#、2#a310#d46#、10#a43#a56#、10#d58#a64#、10#a611#a74#、8#a79#a84#、8

12、#d810#c92#、10#a102#、10#d112#、3#d124#、8#b134#、10#e144#、10#f圖3 透氣轉(zhuǎn)在包底分布位置示意圖(-透氣磚、-加示蹤劑位置、-電極位置)23 軟吹與硬吹鑒別界限把液體石蠟染成淺紅色模擬爐渣，厚度 60mm。采用小底吹氣體流量、min（40、60、80、100l/min）進行模擬軟吹狀態(tài)，以液態(tài)石蠟不被卷入到鋼液中為原則，并且鋼包液面的石蠟恰好要被吹開又未吹開的氣體流量作為軟吹和硬吹的界限。3 實驗結(jié)果與分析3 1雙透氣磚底吹混勻時間圖4 鋼包雙透氣磚底吹混勻時間鋼包雙透氣磚組合的底吹混勻時間測定結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，隨著鋼包雙底吹氣體流

13、量增加，鋼包內(nèi)流體混勻時間呈現(xiàn)下降趨勢。從底吹min（相當于現(xiàn)場40 nl/min）流量增加到 nl/min（相當于現(xiàn)場100200 nl/min）流量范圍時，鋼包內(nèi)流體混勻時間下降幅度大，然后氣體流量增至 nl/min（相當于現(xiàn)場400500 nl/min）流量范圍時，混勻時間下降幅度逐漸減小。在鋼包雙底吹方案中4#、10#和6#、10#透氣磚組合的雙底吹，a點位置加入示蹤劑底吹氣量為 nl/min（相當于現(xiàn)場500 nl/min）時，鋼包內(nèi)流體混勻時間短，為56s和65s。而原方案鋼包2#、3#透氣磚組合的雙底吹在上述條件下，鋼包內(nèi)流體混勻時間是72s。優(yōu)化的4#、10#和6#、10#透氣

14、磚組合的雙底吹的鋼包流體混勻時間比原方案2#、3#透氣磚組合的雙底吹分別縮短了22%和10%。若底吹 nl/min、 nl/min（相當于現(xiàn)場6080 nl/min）小氣體流量時， 6#、10#透氣磚組合的雙底吹的鋼包流體混勻時間比原方案2#、3#透氣磚組合的雙底吹縮短了17%程度，而4#、10#組合的透氣磚的混勻時間與原2#、3#透氣磚組合的混勻時間相近。32鋼包單透氣磚底吹混勻時間圖5 鋼包單透氣磚底吹混云時間鋼包單透氣磚底吹混勻時間測定結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，隨著鋼包單底吹透氣磚底吹氣體流量增加，鋼包流體混勻時間與圖4鋼包雙透氣磚底吹混勻時間變化規(guī)律相同。其中10#透氣磚單底吹，a、

15、b、d三個位置加入示蹤劑，底吹氣體流量為 nl/min（相當于現(xiàn)場500 nl/min）時，鋼包內(nèi)流體混勻時間最短，分別為50s、41s、48s。比原方案雙透氣磚底吹的混勻時間分別縮短約31%、43%、33%。若a點加示蹤劑，底吹min、 nl/min、 nl/min（相當于現(xiàn)場40、60、80 nl/min）時的氣體流量，10#單透氣磚底吹鋼包流體混勻時間比原方案縮短了%程度。從上述結(jié)果比較，三明鋼廠90tlf爐底10#透氣磚，底吹氣體流量為500 nl/min，a點位置加示蹤劑為最佳優(yōu)化方案。a點位置恰是高位料倉下落落點，底吹氣體上升沖破爐渣形成鋼液裸露區(qū)。正因為是鋼液裸露區(qū)，從高位料倉下

16、來的石灰或者合金等能夠直接加入到鋼液中去，有利于石灰和合金快速熔化，有利于快速造渣脫硫和提高合金收得率等優(yōu)點。爐門設(shè)置也臨近高位料倉下料口附近，b點位置恰是如前面原理所敘述過的鋼包循環(huán)流的下降流區(qū)域，可作為喂線位置的選擇。 硬吹與軟吹的界限判斷當鋼包底吹min（相當于現(xiàn)場40nl/min）流量時，渣鋼界面分明。盡管氣液兩相流上升，偶爾沖開渣層出現(xiàn)直徑約30mm的裸露區(qū)，但是很快就被爐渣封閉起來。爐渣表面很平靜，沒有渣滴被卷入液體中去。當鋼包底吹 nl/min （相當于現(xiàn)場60nl/min）流量時，渣鋼界面仍然分明。但是氣液兩相流上升，有時沖破渣層出現(xiàn)直徑為5080mm裸露液面，但也很快地被爐渣

17、覆蓋起來。偶爾發(fā)現(xiàn)極少量的小顆粒（約5mm直徑）的渣滴離開頂渣層進入液體內(nèi)1020mm深處，然后很快返回到頂渣去，爐渣表面仍然平靜。當鋼包底吹 nl/min（相當于現(xiàn)場80nl/min）流量時，渣鋼界面還是分明。但是氣液兩相流上升沖破渣層，常出現(xiàn)約100mm左右直徑的裸露區(qū)。并且也常有少量的510mm直徑的渣滴被卷入液體，深度可達50100mm，但很快又返回爐渣中，爐渣表面也出現(xiàn)了小的波紋。上述情況出現(xiàn)，可以認為此時底吹氣體流量為軟吹上限流量。根據(jù)上述實驗觀察鋼包的氣液兩相上升流沖破爐渣面積大小，以及渣鋼界面狀況或渣滴下降深度程度，三明鋼廠90tlf爐軟吹的底吹氬氣流量不應超過80nl/min

18、，大于或等于100 nl/min的底吹氣體流量屬于硬吹。90tlf爐軟吹底吹氬氣流量可以控制在4080 nl/min之間，根據(jù)鋼種對夾雜物尺寸要求和生產(chǎn)節(jié)奏安排，可以分別采用上限或下限的氣體流量。隨著鋼包底吹氣體流量增加，被氣液兩相上升流沖開爐渣，形成的裸露區(qū)增大，爐渣表面不僅波動，而且向四周流動速度增大，特別是被卷入液體中去的渣滴的直徑變大，數(shù)量增加，下降的深度增加。本實驗底吹min（相當于現(xiàn)場250nl/min）流量時，從實驗觀察，直徑約10mm以上的渣滴下降到液體深度約1/3位置；而110mm直徑的渣滴下降到液體深度2/3位置。當?shù)状祄in（相當于現(xiàn)場500nl/min）流量時，直徑約10mm以上的渣滴下降到液體深度約2/3的位置；而110mm直徑的渣滴下降壓入到鋼包底部。從實驗觀察看，在本實驗做過的底吹氣體流量中，惟有底吹氣體500nl/min的模擬流量時，渣鋼混合好。這一點與前面鋼包內(nèi)液體混勻時間測定結(jié)果很好吻合起來。4 結(jié)論（1）a點（高位料倉下料口落點）加示蹤劑，底吹氣體為500nl/min的硬吹流量時， 10#單透氣磚， 4#、10#和6#、10#雙透氣磚，原方案的2#、3#雙透氣磚的鋼包流體混勻時間分別為50s、56s、65s、72s。前三者比原方案分