CAS精炼工艺过程的物理模拟优化.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 1 年l O 月 钢铁钒钛 I R O NS 舰E LV A N A D I U MT n A N I U M V 0 1 3 2 N 0 4 0 c t o b e r2 0 1 1 C A S 精炼工艺过程的物理模拟优化 舒志浩，陈远清，颜慧成，仇圣桃 ( 钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要：为了优化2 3 0t C A s 过程工艺，建立了1 ：4 的物理模型进行模拟研究，通过混匀时间测试，优化了底吹位置、 吹气量和浸渍罩浸入深度；通过排渣试验确定了合理的排渣气量。研究结果表明：优化的透气砖位置为8 方案( 1 透气砖距包底中心6 0 0 唧，2 透气砖距包底中心l0 0 0 衄，两透气砖所在半径的夹角为1 0 0 。) ；C A s 混匀过程的最 佳吹气量应控制在6 0 0 一7 0 0N L n l i I l ；浸渍罩下罩深度控制在2 0 0 咖左右；渣层厚度为8 0 、1 2 0 、1 6 0 衄时对应的 排渣气量分别控制在6 0 0 、8 0 0 、l0 0 0N L m i l l 以上。 关键词：C A S ；透气砖位置；混匀时间；排渣 中图分类号：I 盯6 9文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 7 6 3 8 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 4 2 一0 4 O p t i l I l i z a t i 佃o fC A SP r o c e 鹃b yP h y s i c a lM o d e lS t u d y s h uz h i h ，C h e nY u 趴q i I l g ，Y 曲H u i c h e I l g ，Q i us h e I l g t ( N “a lE I l g i n r i I l g 鼬铡啦hC e m e r0 fC 6 n u 埘墙C 酗t i I l gT e c h I I 山g y ，C e 呻试I 删I 蚰dS 魄lR 髓e a r c hI n 8 t i t u t e ， B 蜘i I l gl o 0 0 8 l ，C l l i 眦) A b 蛐啥c t ：h lo f d e rt oo p t i m i z et l l ep r 0 c e 鹊o f a2 3 0tC A Sh d l e ，ap h y s i c B lm o d e lh 鹊b e 衄b u n t 埘t l la s c a l ef 如t o r0 fl ：4 L o c a t i o no fb 砷【0 ml 州n g ，g 髂f 1 0 w 珀t ea I l dd e p t I Io ft l l es n o r k e ll l a v eb e e no p t i I n i d b ym i x i n g i m et e s t ，卸dt l l ea p p r o p r i a t eg 酷丑o wm t ef o rd e s l a 洒I l gh 鹪b e e nd e t e n n i n e di l ld e s l a g g i I l g e x p e r i m e n t T h er e s u l t ss h o wt l l a tp o s i t i o no fp l u g s f - o rb e t t e rm i ) 【i n gc a nb es e 肌i n h e m e8 ( p l u g1 “ 2a r e6 0 0n 瑚锄dl0 0 0 蚴细mt l l ec e r m 琵o f eb o 仕o mr e s p e c d V e l y 舳dt 王l ei n t 啜l e c t i a l l g e Ib 曲嘴阻 t l l e 附op l u 挚i s1 0 0 。) ；t I 坨。砸m I 珊g 鸥n o wr a t ef o rm i 】【i I l gs l l 伽l db e6 0 0 7 0 0M I n i n ；出ed e p t l Io f 啪o r k e l i sa b a u t2 0 0 姗f o rb e t t e rm i 】【i 1 1 9 珊l e r et l l et l l i c k n e s so fs k I g1 8 y e ri s8 0 ，1 2 0 ，1 6 0 衄，吐I eg a s f l o 、 ，r a t ef o rd e s l a g g i I l gs h o u l db em o r et l I 肌6 0 0 ，8 0 0 ，lO o oN L I I I i nr e s p e c 6 V e 妙 K e yw o r d s ：C A S ；p l u gk a t i o n ；m 蕊I l gd 瑚屺；d e s k 西I l g O 引言 C A s 精炼工艺是一种行之有效的炉外精炼手 段，它具有设备成本低，操作方便，合金收得率高等 优点。c A s 工艺主要分为两个阶段：第一阶段是钢 包底吹氩气排开渣层，下降浸渍罩；第二阶段是合金 微调处理。前者要求足够大的排渣面积，保证罩内 无渣或少渣，以减少合金流失，后者要求优化透气砖 位置、吹气量及下罩深度以缩短钢水混匀时间。3 3 。 新钢二炼钢由于设备条件的限制，c A S 工艺不 能正常使用，浸渍罩与透气砖的位置不对应，浸渍罩 浸入时难免将顶渣罩入其中，所以目前生产中并未 浸入浸渍罩，从而导致精炼过程中钢液面长时间裸 露。因此，开展了相关的c A S 工艺优化研究，通过 物理模拟试验，在目前设备条件下优化底吹位置以 及排渣气量、混匀过程吹气量和浸渍罩浸入深度等。 收稿日期：2 0 1 1 一0 7 一1 8 作者简介：舒志浩( 1 9 8 7 一) ，男，浙江衢州人，在读硕士，主要从事连铸仿真模拟研究。 万方数据 第4 期舒志浩等：c A S 精炼工艺过程的物理模拟优化 4 3 1 研究方法 1 1 物理模型及试验装置 C A s 钢包内的钢水流动属于气泡驱动下的湍流 流动，根据相似理论【4 J ，在建立物理模型时应满足 几何相似和修正佛劳德准数研7 相等。针对新钢 2 3 0t C A s 钢包，建立l ：4 的物理模型，模型用有机玻 璃制作，用水模拟钢水。由此建立物理模拟试验装 置如图l 所示。 l 一大包模型；2 一浸渍罩模型：3 一电导电极：4 一电导 率仪：5 一计算机采集系统；6 一阀门；7 一气体压力表； 8 一气体流量计 图lC A S 水模型实验装置示意 F i g 1 s c h e 眦t i cd i a g m mo fe x p e r i m e n t 印p a 伯t 1 1 s 五D rC A Sw a t e rm o d e l 1 2 试验参数 根据修正佛劳德准数即相等，可知： 即= 芒= c o n s tj 黼= 凳 ( 1 ) ( p _ 一p i f ) g m 、7 那么：惫= 厚焉 眦甏= 糍= 等厅獗 啦5 需 ( 3 ) 对于模型体系，气体发生等温变化过程，根据气 体状态方程可知： P 0 亿，= ( P 0 + p ，鲈) 矿击 ( 4 ) 对于原型体系，气体经历变压及升温膨胀过程， 根据气体状态方程可知： P b v K | 0 P o + p 。g H 、) v 1k 一= ：- - - 。- - - 一瓦 丁 ( 5 ) 联立公式( 3 ) 、( 4 ) 和( 5 ) ，并代 相关参数值得： 篑_ o 眈 以上各式中的符号意义如下：Q 扪Q 缸分别为常 温常压下的空气及氩气体积流量，m 3 h ；Q 扪Q 分别为吹人大包后的空气及氩气体积流量，m 3 h ； n 扪比h 分别为空气与氢气的流速，m i I l ；r 为钢水 温度，取l8 7 3K ；瓦为环境温度，取2 9 3K ；A L 为长 度相似比，值为O 2 5 ；A 为面积，m 2 ；。为原型尺寸， m ；k 为模型尺寸，m ；p N ，、p p 血分别为包底N 2 、 水、缸的密度，k g m 3 妒。、p 分别为包底钢水、血在 16 0 0 的密度，k g m 。 根据阿陡嘲：【j 柏鞴到馥硷峦髦赣败嚷1 所示。 表l 物理模拟试验参数 T a b I e1E x p e r i m e n 伽p a 聃m e t e I 暑o fp h y s i c a l 如l u l 蚯伽 1 3 试验内容及方法 1 ) 混匀时间的测定 混匀时间的测定采用“刺激一响应”试验方法。 在图1 所示的装置中，各试验参数调整到位后，保持 5 一1 0I n i n ，以便得到稳定的流场，然后在浸渍罩的 上方开口处瞬间加入5 0 0m L 饱和食盐水作为示踪 剂，同时启动电导率采集程序，将熔池内三个测点处 的电导率响应曲线通过数据采集系统存人计算机以 供后续处理，实验中示踪剂开始加入到各点电导率 保持不变并趋于一致的时间定义为混匀时间。 2 ) 排渣面积的测定 实验室采用混合油模拟液渣层，用少量发泡塑 料粒子模拟液渣上方的少许凝固层，排渣面积通过 卷尺直接测量。为保证渣一钢与水一油间在黏性和 万方数据 4 4 钢铁钒钛2 0 1 1 年第3 2 卷 表面张力上的相似性，混合油须满足：p 乍。一p o i l p ，盯盯t2 仃o i l 矿，。 3 ) 试验方案 单透气砖( 1 ) 用于C A S 工艺过程，受现场条件 限制，透气砖与包底中心的距离可在5 0 0 一8 0 0m m 之间选取，在C A S 以外的操作过程，都使用双透气 砖，因此还需要优化2 透气砖位置。据此确定优化 方案如表2 所示。其中方案l 一4 用于单透气砖位 置优化；方案5 一1 6 用于双透气砖位置优化。 表2 透气砖位置优化试验方案( 原型) T a b I e2 b 辨! r h m n t a ls c h 叫地蠡盯o p d m i 翻d 伽o f 脚u gl 蚴鼬“玎0 t o l y p e ) 耋喜姗枷计，篙筹嚣鬻= 注：d l 是l 。透气砖与包底中心的距离，如是2 透气砖与包底中 心的距离。口是两透气砖所在半径夹角。 2 结果及分析 2 1 底吹位置优化 1 ) 单透气砖位置优化 单透气砖操作时，方案l 一方案4 所测的混匀 时间依次为9 1 、6 7 、7 3 、7 18 ，即4 种方案中，方案2 的混匀时间最短，因此单透气砖操作时，透气砖距中 - 亡、距离应控制在6 0 0 衄。 2 ) 双透气砖位置优化 双透气砖位置优化试验中，去掉浸渍罩，两透气 砖气量均为6 0 0N L h ( 原型中为5 0 0N L m i n ) 。试 验结果如图2 所示，8 方案混匀时间最短，因此，最 佳的双透气砖位置参数( 原型) 为：d 。= 6 0 0 衄，如 = 10 0 0m m ，瑾= 1 0 0 0 。 图2 双透气砖位置对混匀时间的影响 F i g 2 E 如c to fd o u b l ep l u g sk a t i o n 吼m i 】【i I l gt i 眦 2 2 混匀过程吹气量优化 吹气量对混匀时间的影响结果如图3 所示。经 回归分析可知混匀时间) ，( s ) 与吹气量善( h ) 存 在如下关系式： ，= 3 E 0 9 菇3 + 9 E 0 5 菇2 一O 2 l l1 茗+ 1 6 9 8 9 R 2 = 0 9 9 68 从图3 可以看出，混匀时间随气量的增加而减小。 当气量在7 0 0 h 以下时，混匀时间随吹气量增加显 著减小；当气量大于7 N V h 时，混匀时间的变化趋 势较平缓；当气量约为l0 N I h 时混匀时间达到极 小值。但是从现场试验观察，当气量大于或等于 8 4 0N L 埘，气柱稳定性较差，大量气泡偏出浸渍罩， 导致罩外液面波动翻腾，浸渍罩的寿命也受影响。鉴 于以匕情况，C A s 混匀过程的最佳吹气量范围应控制 在伽一8 4 0 h ( 劂中为6 0 0 7 0 0 疵) 。 图3 吹气量对混匀时间的影响 F i g 3 E 丑- e c to f g 鹊丑o wm eo nm i 】d n gd m e 万方数据 第4 期舒志浩等：C A S 精炼工艺过程的物理模拟优化 4 5 2 3 浸渍罩浸入深度优化 浸渍罩浸入深度试验结果如图4 所示。从图4 可以看出，混匀时间随浸入深度的增加而增加，从混 匀时间考虑，浸入越浅越好，但考虑到浸入深度浅容 易造成气泡从罩内逸出，故需要保持一定的浸入深 度。从图4 还可以看出，在1 0 一5 0m m 范围内混匀 时间变化缓慢，可以取该范围的上限作为最佳浸入 深度，即浸入深度应控制在5 0 衄( 原型中为 2 0 0 姗) 左右。 图4 浸渍罩浸入深度对混匀时间的影响 F i g 4 E 艉c to f 锄) r k e ld e p t l I 帆m i 】【i l l gt i I I l e 2 4 排渣过程优化 排渣过程优化结果如图5 所示。从图5 可以看 出，排渣面积随吹气量的增加而增加，而气量大于 9 6 0N L n l i n 时排渣面积基本保持不变；渣层越厚， 排渣面积越小。为保证浸渍罩在下降过程中与渣层 参考文献 无接触，排渣面直径须大于浸渍罩的外径l7 0 0 咖 ( 在模型中为4 2 5 衄) 。对于原型，当渣层厚度为 8 0 、1 2 0 、1 6 0m m 时，对应的排渣气量分别在6 0 0 、 8 0 0 、lO o oN L m i l l 以上。 图5 渣层厚度及吹气量对排渣面积的影响 5 E 饪to fs l a gt l l i c k n e s s 肌dn o wr a t e d e 8 l a g g i n ga r e a 3 结论 1 ) l 。透气砖距包底中心6 0 0m m ，2 。透气砖距包 底中心l0 0 0m m ，两透气砖所在半径夹角为1 0 0 0 时，混匀时间最短。 2 ) 混匀过程吹气量控制在6 0 0 7 0 0N L m i n 。 3 ) 浸渍罩的浸入深度应控制在2 0 0 姗左右。 4 ) 渣层厚度为8 0 、1 2 0 、1 6 0 蚴时，对应的排渣 气量分别在6 0 0 、8 0 0 、l0 0 0N L I I l i n 以上。 1 z h o uM e n g ，H eP i l l g I n l p m 咖枷t 毗【i l l ge 匝e c ti nh - i 眦l I s i 哆缸血g 螂f o rC A Sl a d l eb yd o u b l e n l e 8b o t 【o m b l o w i l l gt e c h r 池) g ) r J 1 姗s t e e lv 舡I a d i 咖T i t a I I i 啪，2 0 l l ，3 2 ( 1 ) ：3 4 一柏 ( 周萌，何平双底吹对C A S 钢包弱搅拌区混匀效果的改善 J 钢铁钒钛，2 0 1 1 ，3 2 ( 1 ) ：3 4 4 0 ) 2 m L 崎眦，B Y 锄p 堍，Y F e l l g W a t e rm d e l8 刚y 晌沁d 鹏i na 2 1 0t1 8 m ei n C A sp 嘟s J l m 出I l g ， 2 0 c r 7 ，2 3 ( 6 ) ：3 6 3 9 ( 金林友，包燕平，岳峰2 1 0 t 钢包C A s 精炼混匀时间的水模型试验研究 J 炼钢。2 0 0 7 ，2 3 ( 6 ) ：3 6 3 9 ) 3 Y K e 】【i a n g ，动伽Y 衄，HJ i e n w6 e l d 肌d 岫i f o r mm i I i l l g 血地i I lc A S - 0 BL a d l e J 胁m l a l0 f I