（有色金属冶金专业论文）含钛高炉熔渣吹炼过程及析出相的研究.pdf

东北大学博士学位论文摘要 含钛高炉熔渣吹炼过程及析出相的研究 摘要 随着含钛高炉渣应用研究的深入，其实验已达到吨级半工业规模，与之相应 的基础研究已成为目前重要研究课题。本文系统研究了含钛高炉熔渣氧吹炼体系 中钛的选择性富集和钙钛矿相的长大行为以及熔渣的性质变化特征，确定了各相 关因素的影响规律，优化了含钛高炉渣中钛选择性析出的条件。 从理论和工艺两方面，讨论了含钛高炉渣钛利用过程中最佳钛富集相的选择， 并通过现场实验得出了添加剂、氧化处理对钛选择性富集和长大的影响规律：钢 渣的添加可以促进钛的富集，但超过一定比例可使熔渣黏度显著增加不利于熔渣 的进步氧化和渣中钙钛矿相的长大。吹氧化处理含钛熔渣的同时，钢渣和s j f e 粉适当比例的添加可同时促进钛的富集和钙钛矿晶粒的长大，钛的富集度可达 9 l ，钙钛矿晶粒尺寸大于3 0u m 的为7 8 4 。 利用摄像法对浸入式侧吹气体在熔池中的穿透行为以及底吹条件下熔池的表 面特征进行了实验研究。在实验基础上，通过量纲分析和讨论，得出了气体无量 纲穿透深度与熔池表面突起高度和宽度的经验关系方程式： 导观s 矿f 芷r 口 l 叩 ， 一- 3 0 5 5 q “” 矿= 2 2 l q “勺“ 通过对多孔喷吹渣罐内混合过程的模拟研究，得出了混合时间的关系式： 。7 8 7 e 4 本文得出的以上经验关系式在半工业化实验中都得到了很好的应用，并取得了满 意的效果。 通过对含钛高炉渣氧化过程中温度变化的测定，并结合理论计算，建立了模 拟熔渣氧化过程温度变化的简易模型： d r 脚总e - n - 2 8 4 x 1 0 s t 4 s - 嵩，飞表面汀_ 2 9 啪上嘞翱留_ 2 9 8 风 d t m c v 模型计算氧化过程中的温度变化趋势与实测数值基本一致。由于氧化放热，温度一 东北大学博士学位论文 摘要 时间曲线上出现一个与供氧强度和渣中还原态物质的量有关的氧化特征峰。 通过分析半工业实验条件下，氧化过程熔渣性能的变化特征，发现：相同温 度下氧化渣的黏度低于原渣；温度的升高和黏度的降低可使渣中的大部分金属铁 珠得到沉降、回收，从而使得渣中游离态的金属铁不在是放热的主体；并且由于 氧化作用，沉降铁珠中钒含量高于氧化处理前渣中金属铁珠中的钒含量。 研究了氧化性含钛高炉渣中钙钛矿相等温和非等温条件下的析出和长大行 为，结果表明：吹氧化渣中钙钛矿相的开始析出温度约为1 3 9 0 。 连续冷却过程中，降温速率对于钙钛矿相的析出和长大存在重要影响，越低 的降温速率具有越大的钙钛矿相析出量和晶粒尺寸。钙钛矿相的相对转变分数可 表述为： x = 1 - e x p ( 一舯一= 0 3 5 6 一z 肿e x p 卜卷】 钙钛矿的平均晶粒半径可表述为： 口f 3 一爿( r ) ( 1 + e 一号) ，其中：p = 一0 6 4 5 ，6 。一o 9 8 7 e x p i i i ；：墨】 在非平衡条件下，钙钛矿相的生长是由过饱和浓度和钙钛矿相与基体内界面 自由能共同驱动。等温过程中钙钛矿析出动力学可用经典的j m a k 方程描述。 关键词：钛渣富集钙钛矿氧化模拟动力学转变分数 i n 查些垄兰堕圭壁垒垒圭塑墨 s t u d yo nb l a s t i n gp r o c e s sa n dp h a s ep r e c i p i t a t i o ni n t i t a n i ab e a r i n gm o l t e ns l a g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ho nt h et i t a n i ab e a d n gs l a g ，t h ee x p e r i m e n to f u t i l i z i n gt h i ss l a gh a sr e a c h e ds e m i i n d u s t r ys c a l e ，s ot h eb a s i cr e s e a r c hc o r r e s p o n d i n g w i t ht h i ss c a l eh a sb e e nak e yp r o j e c t s a ta tp r e s e n t t h i sr e s e a r c hw a sf o c u s e do n s e l e c t i v i t yt i e 2 一e n r i c h m e n ta n dt h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ro fp e r o v s k i t ep h a s ei nt i t a n i a b e a n n gs l a go x i d i z e db ya i r a sar e s u l t ，t h ep a t t e r n so fr e l a t e df a c t o r sa n dt h eo p t i m u m c o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d t h es e l e c t i o no ft h eb e s tt i t a n i ae n r i c h m e n tp h a s ei nt i t a n i ab e a r i n gs l a gb a s e do n t h es e l e c t i v es e p a r a t i o nt e c h n i q u ew a sd i s c u s s e df r o mb o t ht h e o r ya n dt e c h n o l o g y a s p e c t s b a s e do nt h er e s u l t sg o tf r o ms e m i - i n d u s t r ye x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c e so f a d d i t i v e sa n do x i d a t i o no nt h es e l e c t i v ee n r i c h m e n ta n dg r o w t ho ft ic o m p o n e n th a v e b e e ng o t t h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n go fs t e e ls l a gd o e sw e l lt ot i t a n i ae n r i c h m e n t ， h o w e v e r , i tc a l lc a u s et h ev i s c o s i t yo fs l a gi n c r e a s er e m a r k a b l yw h i l et h ec o n t e n t b e y o n dac e r t a i ne x t e n s i o n ，s oi ti s n tu s e f u lf o rt h eo x i d i z i n gf a r t h e ra n dt h eg r o w t ho f t h ep e r o v s k i t ep h a s e s t e e ls l a ga n ds i - f ep o w d e ra d d e da ta na p p r o p r i a t ep r o p o r t i o n d u r i n go x i d i z i n gc a np r o m o t et i t a n i ae n r i c h m e n ta n dp e r o v s k i t ep h a s eg r o wu pa tt h e s a i i l et i m e ，t h ee n r i c h m e n td e g r e eo ft i t a n i ac a nr e a c h9 1 a n dt h ea r e ap e r c e n to f p e r o v s k i t ep h a s e w h o s eg r a i n sa r eb e y o n d3 0 ，u mi s7 8 4 。 a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ep e n e t r a t i o nd e p t ho fi m m e r s e ds i d e - - b l o w ng a sj e t a n dt h es p o u tc h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e ns l a gf r e es u r f a c ei nab o t t o mb l o w i n g s l a gl a d l i e m o d e lh a v eb e e nm a d ew i t hap h o t o g r a p h i ct e c h n i q u e b a s e do nt h er e s u l t sa n dt h e d i m e n s i o n a la n a l y s i sa sw e l la sd i s c u s s i o n ，t h ee m p i r i c a l e q u a t i o n so ft h ed i m e n s i o n l e s s p e n e t r a t i o nd e p t h ，s p o u th e i g h ta n ds p o u tw i d t ho fm o l t e ns l a gf r e es u r f a c ew e r e e s t 曲f i s h e d ： 矿( 竽) 0 1 9 舢e 槲= 等2 h 。一3 0 5 5 q “5 ” w 一2 2 1 a o “o ”5 p h y s i c a lm o d e l i n gh a sb e e nc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h em i x i n gi na i r - s t i r r e ds l a gl a d l e w i t hap o r o u sp l u g a ne m p i r i c a lc o r r e l a t i o nf o rm i x i n gt i m ec o n c e r n i n gt h ev i s c o s i t y i v 查苎垄兰堡主兰堡垒墨 w a sp r o p o s e d ： 摘要 百。皇7 8 7 e o6 9 叩1 嘴 a l lt h ee m p i r i c a lc o r r e l a t i o na b o v eh a v eb e e na p p l i e dt ot h es e m i i n d u s t r ye x p e r i m e n t a n dg o tas a t i s f a c t o r ye f f e c t b ym e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ec h a n g eo fa c t u a l t i t a n i ab e a r i n gs l a gd u r i n g o x i d i z a t i o n ，am a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i b i n gt h et e m p e r a t u r ec h a n g ei nt h eo x i d i z a t i o n p r o c e s sh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r yo fh e a tc o n s e r v a t i o n t h ee q u a t i o ni s 西y e na s 塑：竺：二：竺：! ：兰：量蔓：! ：型：竺兰：竺：! ：竺兰： d t 川e t h ec o m p a r i s o no fr e s u l t ss h o w st h a tt h ec a l c u l a t e dt r e n do fs l a gt e m p e r a t u r ei s r e a s o n a b l yc o n s i s t e n tw i t ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s h e a tr e l e a s i n gb ys l a go x i d a t i o n r e s u l t e di nau n i q u ep e a ko nt h et e m p e r a t u r ec u r v e ，t h eh e i g h ta n dw i d t ho fw h i c hw e r e r e l a t e dt ot h ea m o u n to fo x y g e ns u p p l i e da n dt h ec o n t e n to fd e o x i d i z e dm a t t e ri ns l a g b ya n a l y z i n gt h ep r o p e r t yc h a n g eo f m o l t e ns l a gu n d e rt h es e m ii n d u s t r yc o n d i t i o n ， i tw a sf o u n dt h a tt h ev i s c o s i t yo fo x i d i z e ds l a gi sl o w e rt h a nt h ed e o x i d i z e ds l a ga tt h e s a m et e m p e r a t u r e ；t h ee f f e c to fr i s i n gt e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s i n gv i s c o s i t yt o g e t h e rc a n m a k ei r o nd r o p l e t ss e t t l ea n db es e p a r a t e df r o mt h es l a gb yt h i ss e p a r a t i o nt e c h n i q u e w h i c hm a k i n gi r o no x i d i z a t i o ni sn ot h ec h i e fm a t t e ro fh e a tr e l e a s i n g b a s e do nt h e a n a l y z i n go fi r o nd r o p l e t s ，i tw a sa l s of o u n dt h a tt h ev a n a d i u mc o n t e n ti nt h e s ei r o n d r o p l e t si sh i g h e rt h a nt h ec o n t e n to fi r o nd r o p l e t si nd e o x i d i z e ds t a g , t h er e a s o nm a y b e c a u s e db yo x i d i z a t i o n k i n e t i c so fi s o t h e r m a la n dn o n i s o t h e r m a lp r e c i p i t a f i o np r o c e s sa n dg r o w t ho f p e r o v s k i t ep h a s ei nt i t a n i ab e a r i n gs l a go x i d i z e db ya i rw e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e c i p i t a t i o nt e m p e r a t u r eo fp e r o v s k i t ep h a s ei nt h i ss l a gi sa b o u t 1 3 9 0 c o o l i n gr a t eh a si m p o r t a n te f f e c to np r e c i p i t a t ea n dg r o w t ho fp e r o v s k i t ep h a s e ； l o w e rc o o l i n gr a t ei si nf a v o ro fp r e c i p i t a t eo fp e r o v s k i t ep h a s ea n dm a k et h ec r y s t a l s i z ei n c r e a s eb yt h eg r o w t ho fl a r g e rp r e c i p i t a t e sa tt h ee x p e n s eo fs m a l l e ro n e s t h e r e l a t i v ev o l u m ef r a c t i o no fp e r o v s k i t ep h a s ec a nb ed e s c r i b e db yf o l l o w i n ge q u a t i o n ： x = i - 唧( 一号) ，w h c r en - 0 3 5 6 , c - 2 _ 0 7c x p 【一石丽1 0 7 面2 j _ a v e r a g ec r y s t a ls i z er a d i u sc a nb ea p p r o x i m a t e l yd e s c r i b e db yf o l l o w i n ge q u a t i o n ： v 东北大学博士学位论文 摘要 矿= 一口x 1 + e - ；) ，w h c r ep l - o 6 4 5 ，6 j - o _ 9 8 7 e x p 【赢罴】 t h e r ea r et w of a c t o r st h a ti n f l u e n c et h em e a ng r o w t hr a t eo fp e r o v s k i t ep h a s ei n i l o n e q u i l i b r i u mc o n d i t i o n ，o n ei st h es u p e r s a t u r a t i o nc o n c e n t r a t i o no fp e r o v s l d t e a n d t h eo t h e ri st h ei n t e f f a c i a lf r e ee n e r g yb e t w e e np e r o v s k i t ep h a s ea n dt h eb a s a ls y s t e m t h ep r e c i p i t a t i o nk i n e t i c sd u r i n gi s o t h e r m a lp r o c e s sc a nb er e p r e s e n t e db yt h ec l a s s i c a l j m a k e q u a t i o n k e yw o r d s ：t i t a n i ab e a r i n gs l a g , e n r i c h m e n t ，p e r o v s k i t e ，o x i d a t i o n ，s i m u l a t i o n ， k i n e t i c , t r a n s f o r m e df r a c t i o n v l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弓饽郴， 日期：、一r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：钔扣 日期： 例r i 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 全世界钒钛磁铁矿的总储量大致为2 1 0 ”t ，而我国四川攀西一带的储量就有 1 1 0 ”t ，约占全球此类矿的1 2 1 “。按其中含t i 0 2 1 3 2 6 【2 】估算，蕴藏于攀西原 矿中的t i 0 2 资源就多达1 3 2 6 x1 0 9 t ，占我国钛资源的9 0 以上。 攀西钒钛磁铁矿是一种以f e 、t i 、v 为主并伴生少量c r 、n i 、c o 等多种金属 的复合矿。在选矿过程中，除赋存于钛辉石内的钛在选后进入尾矿外，其中大部 分f e 、t i 因紧密共生而进入铁精矿，它经烧结、高炉冶炼与铁分离后，全部迸入 高炉渣，使渣中t i 0 2 的含量高达2 0 2 2 。目前，全国高炉渣堆存已超过5 0 0 0 万 吨，并以每年3 0 0 万吨的速度递增。 在国外，高炉冶炼使用的钒钛磁铁矿中，钛含量较低，t i 0 2 含量一般不超过3 4 ，商炉渣中的t i 0 2 量也都低于1 0 。日本、前苏联和西欧等国家和地区对含钛 高炉渣水泥性能进行了大量的研究，结果表明：t i 0 2 含量低于1 0 时对水泥强度 影响不大，高于1 0 时随t i 0 2 含量增加水泥强度急剧降低。因此，日本、德国和 前苏联等国家允许水泥中含有少量高炉渣。美国1 9 7 9 年修订了a s t m 标准，允许 i s 水泥中含7 0 高炉渣，i s m 水泥中含2 5 高炉渣。总之，国外含钛高炉渣性质 类似普通高炉渣，综合利用的难度不大。我国攀钢产出的高炉渣，t i 0 2 的含量高 达2 0 - 2 2 ，由于熔渣中各种含钛矿物的熔点高、结晶能力强，使钛渣不能像普通 高炉渣那样大量用于生产矿渣水泥，因而造成炉渣大量堆积，既污染环境，又浪 费钛资源。 为利用含钛高炉渣这一独特资源，从6 0 年代起我国就开展了含钛高炉渣综合 利用的研究工作，以寻求利用它的合理途径和技术。目前具有代表性的研究有【3 _ 5 】： ( 1 ) 水泥混合材料、高炉渣成型制品的开发；( 2 ) 由含钛高炉渣提取 r i 0 2 、s c 2 0 3 ； ( 3 ) 含钛高炉渣制取 r i c h ；( 4 ) 用含钛高炉渣制取硅钛复合合金。近来有研究者 怕疑出用硫酸法处理含钛高炉渣制取钛白并回收铝镁的工艺，但该方法用酸量大， 对于像含钛高炉渣这样大宗的废渣，很难大规模的工业化实施。还有研究者【7 】采用 高炉渣炭化及低温氯化工艺回收钛，工艺流程为：高炉渣+ 碳一电炉还原一硫化床 粗t i 0 2 一钒钛分离，该工艺最终得到了成品，但该法生产的能耗大、成本高。 综上所述，对于含钛高炉渣的综合利用，国家已经投入了许多的人力和物力 查苎垄芏堡主茎竺堕墨墨二兰竺堕 进行研究，也取得了一定的成就，可这些方法尽管在技术上可行，最终也得到相 应的产品，但是种种原因使得这些方法在工业规模推广使用还十分有限，至今钛 的利用率只有4 6 ，分析其原因虽不尽相同，但有些共同点：规模小，处理量 少：钛回收率低，经济效益较差。显然，综合利用含钛高炉渣必须要做到：( 1 ) 处理量要大；( 2 ) 合理利用钛资源；( 3 ) 具有明显的经济效益。 针对这种情况，一种适合于处理含有有价元素复合矿冶金炉渣的技术一“选择 性析出”技术被提了出来【”。众所周知，处理大宗炉渣最有效的分离方法是“选” 一选矿分离，它技术成熟，效率高，成本低，采用选矿方法从渣中分离钛应是首 选技术。前人也作过类似的尝试，但未成功。其原因是含钛高炉渣属人造矿，渣 中含钛矿物“分散”和“细小”。分散是指渣中钛至少分散在五种矿物相中( 钙钛 矿、富钛透辉石、攀钛透辉石、尖晶石和碳氮化钛) 。细小指这些含钛矿物相晶粒 度非常细小，平均在1 吮m 左右，这种人造矿，属极难处理矿，只用单一的选矿方 法不能把渣中钛有效地分离出来。“选择性析出”技术就是针对含钛高炉渣的矿物 特点而提出的，其原理是：创造一定的条件，使高炉渣中含钛组分通过“选择性 富集、选择性长大、选择性分离”成为可利用的资源。 1 2 含钛高炉渣中钛选择性析出的前期研究成果与待解决问 题 在含钛高炉渣中钛选择性析出的前期研究中，傅念新【9 , 1 0 】等初步探讨了含钛高 炉渣中钙钛矿相适宜的析出温度区间以及炉渣化学成分对渣中钙钛矿相结晶量和 晶体形貌的影响；李玉海、娄太平【1 1 , 1 2 1 研究了化学组成、添加剂、热处理条件以及 预氧化处理对含钛高炉渣中钙钛矿相析出、长大及晶体形貌的影响；李辽沙【1 3 】针 对含钛高炉渣体系研究了c a o m g o s i 0 2 t i o 。a i 2 0 3 五元渣中钛选择性富集的热 力学和动力学行为，得出了各相关因素对钛组分选择性富集的影响规律；张力【1 4 1 研究了含钛高炉熔渣动态氧化过程对钙钛矿相长大的影响；马俊伟【1 5 j 则通过重选 和浮选相结合的方法，研究了改性含钛高炉渣中钙钛矿相的选矿行为，为钙钛矿 的选择性分离探索出了一种较好的路线；王明华i l6 j 采用硫酸法用改性含钛高炉渣 精矿这种特有的人造资源制备富钛料，并提出了相应的工艺流程：刘晓华 1 2 1 8 1 贝0 在此基础上采用硫酸研究了含钛高炉渣的酸解动力学以及含钛炉渣的加压酸解过 程，为开发利用废稀酸提取含钛高炉渣中的钛资源提供了一定的依据；夏玉虎h 9 j 应用计算机图像分析和处理技术，建立了钙钛矿结晶形貌的图像分析系统及含钛 熔渣的凝固过程的有限元模型，并应用模型对反应器的传热特性进行了模拟。前 2 东北大学博士学位论文 第一章绪论 述大量的、卓有成效的工作，基本确立了含钛高炉渣中钛组分选择性析出的技术 路线：即选择钙钛矿为钛富集相通过相应的改性处理和适当的保温措施，使渣中 钙钛矿粒度达到可选要求，然后再经过选矿分离，酸性处理得到富钛料。虽然该 技术的流程路线，即选择性富集、选择性长大和选择性分离的流程路线已得到广 泛的认可，但选择谁作为最佳的钛富集相还存在着别的观点。如文献 2 0 1 ，是用热 处理的方式促进渣中黑钛石( t i 面2 0 5 ) 相的结晶长大，以便选矿分离。结果表明， 当其在初晶温度区间内( 1 3 0 0 1 4 0 0 ) 保温处理4 0 小时，析出黑钛石的粒度 仅为4 0 m 左右，如此保温长的时间现场难以实现。李慧等1 2 l j 则将t i ( c 、n ) 作 为钛富集相，通过用氮等离子体对高钛渣进行碳化处理，来促使t i ( c ，n ) 的长 大。实验在1 7 0 0 高温下保持1 h ，才可使钛的碳化率到达9 0 。且要在纯氮气 气氛下，才能生成n ( c 、n ) ，显然这样做工程上也难以实现。冯成建等【2 2 l 则将 t i c 作为钛富集相，在1 6 0 0 条件下对含钛高炉渣进行还原碳化处理，但形成的 t i c 平均晶粒只有2p m 左右，一般的磨矿方法无法使矿物达到有效的单体分离。 虽然本课题组选择钙钛矿作为钛富集相到目前为止获得了很大成功，但是却没有 详细全面的阐述真正选择钙钛矿作为最佳钛富集相的原因，而且扩大化实验条件 下，选择钙钛矿相作为钛富集相是否在工艺上合理可性，也需要实际的验证，因 此本文也对这部分内容迸行了探讨。 含钛高炉渣中钛组分的析出过程不仅要求理论上的合理与实验上的可行，而 且还要求工业化的可操作性。所有前期研究工作的对象含钛高炉熔渣，都是通过 现场冷凝渣的重新融化得到，在一定程度上影响结论的准确度。此外，随着对含 钛高炉渣中钛组分析出过程研究的深入，提钛实验已进入到现场半工业化的规模， 所以对有关于实际熔渣的选择性析出条件进行深入而系统的研究，弄清内在的机 理是必要。其中包括：熔渣氧化过程中气体的喷吹行为及影响因素：熔渣氧化过 程中，温度变化行为的事前预知；氧化渣中钛富集相析出与长大行为的规律等。 所有这些可为含钛高炉渣的真正工业化应用提供理论科学依据，也可优化选择性 析出工艺的工艺条件。 1 3 国内外相关文献的综述 选择性析出技术在含钛高炉渣的应用是一个涉及多学科的理论应用过程。为 掌握该技术在实际运用过程中的内在规律，为其合理有效的工业化创造最适宜的 条件，在相关的研究中要涉及到与冶金过程相关的包括传热、相变、流体等多方 面的知识。为此，将与本文内容有关前人研究工作和内容综述如下： 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 1 喷射冶金的基础研究 喷射冶金技术早期主要应用在钢铁冶炼过程中，从5 0 年代顶吹转炉到7 0 年 代喷吹粉体脱碳、脱硫技术，以及近年来钢的精炼过程中喷射冶金的应用，使其 已成为炼钢过程中不可分割的部分；7 0 年代开始喷射冶金技术在有色冶炼中，也 开始得到应用。 1 3 1 1 气体穿透行为的研究 国外关于顶吹气流在液体表面的穿透行为的研究起步较早，其解析模型有驻 点压力平衡法、能量平衡法等，这些方法都是针对氧气射流冲击铁水表面而研究 的。其中能量平衡法应用较广：对于一定密度的液体来说，假定在凹坑底部所有 势能转化为动能，而且不考虑化学反应及温度变化的影响，则在冲击点处的滞止 压力等于液体静压力与表面张力之和，即 i 1 以k 2 = p , g n + 詈 ( 1 - 1 ) 其中，仃- 表面张力；r 一驻点上凹坑曲率半径；h - 穿透深度；以气体密度；p j 。 钢液密度：v 喷嘴出口处气体速度。 许多研究【2 3 】曾针对考虑表面张力和忽略表面张力进行了对比研究，结果发现： 忽略表面张力的影响对于模拟计算式的影响不大。忽略表面张力的影响并将单股 射流中心线上的速度带入可得下述经典的理论关系式： 一h1 1 + 旦1 ；兰氅( 1 - 2 ) 峨凰 2 n ：p t h ； 式中矾一喷嘴离液面的距离；肘气体动量通量。 由于各研究者所采用的介质和气体等各因素的不同，得出的关于顶吹气体穿 透深度的计算式存在着很大的差别。韩旭阻1 将其简单的进行了总结见表1 1 。 从表1 1 可以看出，由于研究体系等的不同，所得出的结论也存在很大的差别， 这说明顶吹气体的穿透行为很难用统一的公式或关系式来描述，只能根据具体使 用对象和研究背景的不同进行具体分析。 彭- ) l l 等根据力学平衡原理，并且考虑了壁面效应，建立了悬挂式顶吹气 体射流无量纲穿透深度的理论计算公式： h 一1 n f r 4 ( 1 - 3 ) 东北大学博士学位论文第一章绪论 ，2 式中h 为无量纲穿透深度；修正弗鲁德数f r 一三奠竺； ，为无量纲枪位；m 为常 n g d 数等于2 1 ；，l 为考虑壁面效应的修正系数，范围为o 9 1 ；t ，为无量纲温度。实 验所采用的气体为氮气和氩气，金属熔池为低熔点的铅锡铋合金液。由于研究者 在数据处理过程中作了许多的假设，其中有：( 1 ) 上升气体和金属液喷溅不影响 气体射流的扩散；( 2 ) 忽略金属液的表面张力和凹坑壁上的切应力的影响。所以 建立的关系式不能准确的描述气流量较大和较小时的情况。 表1 1 项吹气流穿透深度的计算公式 t a b l e1 1f o r m u l a r yo ft o pa i rs t r e a mp e n e t r a t ed e p t h 韩旭等f 2 6 】采用摄像法研究了浸入式气流在不同液体中的穿透深度，并通过量 纲分析方法得出了气体穿透深度的经验式。实验采用的液体介质为铅铋合金、水 和甘油；气体为氩气和氮气：喷嘴为铜制。气体在铅铋合金中穿透行为的测量是 通过将铅铋合金放置到1 1 0 1 2 的甘油中使其完全融化后进行的。通过对甘油加热改 变其黏度，测量了液体黏性对气流穿透深度的影响，得出了液体黏度对气流穿透 东北大学博士学位论文第一辛绪论 深度影响不大的结论。整个实验过程喷嘴紧贴玻璃面，而其分析过程中忽略了壁 面的影响，所以气流较小时其结果将很难应用：而甘油通过加热的方式改变其黏 度，其变化范围较小o 0 1p a s 1p a s ，当黏度很大时其结果的适用性还需要斟酌。 关于浸入式侧吹气流在熔池中的穿透深度的研究较多，现简单分述如下： 塞姆里斯和舍克里t 2 7 】1 9 6 9 年通过实验和理论推导的方式建立了浸入式水平射 流中心线的轨迹方程式。他们在此方程中应用了质量和动量守恒来说明浮力的影 响和液体的卷吸，并假设射流中气体的体积分率和射流膨胀与离嘴的水平距离有 关，通过他们建立的轨迹方程可以推算出穿透距离。图1 1 是建立方程时所采用的 射流模型。 图1 1 水平浸没射流的轨迹 f i g 1 1 t h et r a c ko fi m m e r s i o nl e v e lg a sf l o w 作一些简化假设他们通过建立水平和数值方向的动量平衡，获得了下述射流 中心线轨迹的微分方程：磐4 f r - 1 t a n 2 d x ； 冬2 ) 【1 + ( 薏卜b 式帆秕为射 i 眠j 流轨迹离开锥角原点的垂直和水平无因次距离，以喷嘴直径为特征尺寸求得；眭为 射流通过原点的张角；d o 和d 分别为射流在喷嘴出口处的水平距离处的直径；c 为水平距离t 处的射流体中气体体积分率，它可由质量平衡求出，整理后可得： ，1 ； c 。粤l c + 旦( 1 一c ) i 。当眭。2 0 。时，该微分方程可以很好的描述空气一水体系中 4 【 以 j 的射流轨迹，因此引起了很高的重视。但h o e f c l e 【2 叼等则认为当气体射流吹入金属 熔池时，射流扩张角以；1 5 f f o 1 5 5 0 ，而不是2 0 0 。韩旭【2 9 3 0 】等认为应该用射流气 6 东北大学博士学位论文 第一章绪论 相分率沿射流轴线变化的关系来计算射流轴线轨迹，给出表达式为 f c + ( 1 一c ) 盟】” c = - 下垒一。虽然他们得出的射流轴线轨迹微分方程与塞姆里斯 z t a n c 钟j 1 + ( 薏灿， 的存在差别，但对于空气在水体系中射流轨迹的计算却差别不是很大。 韩旭 3 1 】等利用摄像法研究了氩气和氮气在1 1 0 。c 的铅铋合金中的浸入式侧吹 气流的穿透行为。在实验基础上通过量纲分析得出了气体无量纲水平和垂直穿透 深度的经验表达式：挚= 3 7 6 5 ( f r c o s 0 ) “”：孚= 2 1 3 ( f r7 s i n 0 ) “8 + 2 6 2 口0口0 式中。和v 分别为气体水平和垂直穿透深度；d 。为喷嘴直径；0 为喷嘴倾角。从 上面两式可以看出无论是水平还是气体的垂直穿透深度都与修正弗鲁德数有关， 当修正弗鲁德数和喷嘴倾角一定时，随着喷嘴直径的增大，气体水平和垂直穿透 深度增大；当喷嘴直径和喷嘴倾角一定时，气体水平和垂直穿透深度均随修正弗 鲁德数的增大而增大。 蔡志鹏等1 3 2 】通过水模拟的方式研究了侧吹熔池炼铜反应器中的气流穿透深 度。通过实验数据得出了气体的搅拌范围，而搅拌范围是选择适宜枪距的依据， 事实上搅拌范围应等于最佳枪距。其得到的搅拌范围经验关系式如下： 三。1 5 5 2 f r , 0 , 1 2 7 f 堕r “( 1 - 4 ) h? h 式中s 为搅拌范围；h 为喷嘴安于液相的高度；d o 为喷嘴直径。 1 3 1 2 溶液混均行为的研究 气体喷吹在冶金中应用的目的之一就是使温度和添加物均匀化，而混均时间 则是表示喷吹效果的一个熏要指标。近二十年来，针对溶液的混合过程，国内外 学术和工程界做了大量的工作，其目的是希望找出一种简单的数学表达式来直接 定量计算喷吹状态下的混合时间。迄今，这一努力只获得了初步成功，许多影响 因素难以合理的综合处理，现将国外可借鉴、有代表性的混合模型简单归纳如表 1 2 所述。 从表1 2 中可以看出，不同的研究者得出的混均时间的数学表达式存在着很大 的差别，也就是说针对具体的情况需要具体的进行实验研究才不致与实际情况出 现较大的差别。 7 东北大学博士学位论文 第一章绪论 表1 2 混均时间的计算模型 t a b l e1 2t h en u m e r i c a lm o d e lo fm i x i n gt i m e 编号作者计算公式各注 1n a k a n i s h i k l 1 s l k8 0 0 e 9 0 4 最早考虑到了搅拌能密度与混均时 间的关系：实验过程的气流量为 0 0 1 5 0 0 6m a ( m i n t ) 2s i n h a u p 9 “ f 。t 6 9 2 e ：。m 实验过程的气流量为0 0 2 0 4 m 3 ( r a i n t ) ，混均程度为9 7 7 3 m i e t z 瞄1 一c q 一“ 式中系数c 和一是与示踪剂加入位 置有关的常数，实验采用的混均程度 为9 5 。m 叫0 0 【皋”茎雾掌燃瑚撇抓韵程 5 s t a p u r e w i z1 4 ” m1 6 4 e ? a g l o 。 混均程度为9 5 6m a z u m d a rd 9 ” = 3 7 ? 3 3 l - 1 r 1 “ 混均程度为9 5 7 m n y o k a ” 百。- 1 0 8 q “0 5 缈0 3 5 实验过程的气流量为0 0 1 0 0 0 1 8 m 3 s 备注：。一搅拌能密度：一混均时间；d 一容器的直径；l 一容器中熔池深度；r 一 容器的半径；一溶液质量。 国内关于熔池内混合过程的研究以萧泽强的全浮力模型【蚰】最为典型。全浮力 模型认为引起吹气搅拌体系内流体流动的动力主要是气泡浮力而不是湍流的黏性 力。这种全浮力模型提出后，受到国内许多从事喷射冶金研究者的注意和认可。 利用全浮力模型也可估算出混合时间：吒= l l n ( 二) ，式中t 为循环周期；k 为混 均时间；o r 是要求混均的程度( ) ，根据朱苗勇的研究【4 1 】溶液的混均程度取为9 5 最为恰当。全浮力模型的数学表达式为： k ；1 9 ( z + h 。) l l l ”0 + 意孵) “”1 ( 1 5 ) 如果已知溶液质量时，循环周期可以根据上式计算出来：k = 7 l x 6 0 ( s e e ) ，其中 7 h 肼 k 为z = h 下的最大提升液体量，将h 的数值带入到全浮力模型的数学表达式中 可得。通过全浮力模型计算出的混均时间与许多研究者的数据存在差异 4 2 1 ，在选 用时应该注意运用的条件。 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 1 3 熔池表面突起特性的研究 熔池表面的突起高度和宽度是设备设计以及设备内自由空间的重要决定参 数，在这方面的研究虽然也取得了一定进展，但远没有溶液的混均行为及熔池中 的气流穿透行为研究的深入。现将相关的研究分述如下： d g u o 等1 4 3 j 通过摄像法研究了较大气流范围内钢包水模型中熔池的表面突起 特性。实验采用的是5 0 0 x 5 0 0 x 4 0 0 m m 的方形容器；气体的喷嘴采用了两种类型： 一种是直径为1 5 r a m 的单口喷嘴：另一种是半径为2 5 m m 的多孔玻璃喷嘴。单孔 喷嘴的气体流量范围为1 4 5i _ m i n ，多孔喷嘴的气体流量范围为1 1 0l _ m i n 。通 过对实验结果的分析发现，熔池表面的突起高度与宽度都服从高斯分布的形状。 通过对所测实验数据的回归，得出了熔池表面最大突起高度和宽度的数学表达式： 厅。；( 0 6 3 0 0 2 2 ) x q o “2 ( 1 - 6 ) 哌。( 4 0 2 , - o 1 5 ) q “”“7 ( 1 - 7 ) 2 式中o 为气体流量( l m i n ) ；厅一为熔池表面的最大突起高度( 锄) ；哌为熔池表面 i 的最大突起宽度( 锄) ，需要说明的是此文所定义的突起宽度指的是最大突起高度一 半处突起宽度。d g u o 等通过摄像法研究的熔池表面突起特性，突破了以往通过 导电回路方式研究的缺陷，为此类问题的研究提供了一种新的方法，具有较高的 参考价值。 姜茂发等 4 4 , 4 5 】研究了电弧炉水模型底吹条件对熔池表面突起高度的影响。通 过实验回归的方式得出了液体表面突起高度与气体搅拌功率以及溶池深度间的关 系：幽= 0 。8 1 5 w “ 一9 ，是搅拌功率，w ；h 溶液深度，m ；j l 为液面突起 高度，m 。实验采用中心喷 吹的方式，以水作为模拟条 件下的介质。实验过程采用 的是传统的导电回路方式， 如图1 2 。其原理是通过导 电的k c l 水溶液与滑动的铜 片接触，形成回路，并通过 知识灯的变化来确定突起 高度。此种方法每测一个数 值需要多次移动铜片位置 进行试探性测