（钢铁冶金专业论文）120t复吹转炉吹炼工艺优化水模实验研究.pdf

汹 i ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y co l dm o d e ls t u d y o np r o c e s so p t i m i z a - t i o nf o r1 2 0 tt o p - - b o t t o mc o m b i n e d b l o w nco n v e r t e r b yl i uc h o n g l i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h o n gl i a n g c a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 肿肿l5 川9m 6 m肿-肌7，ii0-洲y 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：刘尝袜 日 期：2 d o q 匀1 闫2 围 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。 ” 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 签字日期： 两年口 导师签名： 签字日期： l 东北大学硕士学位论文 摘要 12 0 t 复吹转炉吹炼工艺优化水模实验研究 摘要 目前，复吹炼钢法已成为世界上的主要炼钢方法，转炉钢占世界钢产 量约7 0 以上。转炉项底复吹技术综合吸收了顶吹转炉反应速度快，底吹 转炉吹炼平稳的优点，克服了项吹转炉易喷溅，底吹转炉不易化渣的缺点。 通过顶底复吹的搅拌作用，加速炉内的冶金反应，达到减少喷溅，提高金 属收得率的作用。本研究是针对1 2 0 t 复吹转炉的操作工艺，特别是对底部 供气元件的支数和布置方式，详细地进行了研究，从而确定了适合12 0 t 复吹转炉的最佳底枪布置和复吹工艺参数。 本研究根据相似原理，在1 ：1 0 的转炉模型上通过水模型实验，研究了 底部供气元件支数和布置方式、氧枪枪位以及顶吹、底吹气体流量对熔池 混匀时间，得出如下结论： ( 1 ) 底部供气元件支数和底部供气元件布置方式对均混时间起着决定 性的影响。底部供气元件支数对均混时间的影响不存在简单的递增和递减 关系，采用不同半径、非对称的区域密集型布置方式，在实验中的均混时 间最短。 ( 2 ) 底枪布置方案b 5 为6 支底部供气元件，分别布置在d l 、d 2 、d 4 三个圆周上，为本实验的最佳底枪布置方案。 ( 3 ) 实验针对b 5 方案中的项吹流量、底吹流量、枪位等参数与均混时 间的关系作了深入的研究。实验结果表明各参数对均混时间的影响不是单 一的，而是相互联系、相互制约的。 ( 4 ) 对于底部供气元件布置方案b 5 ，脱碳枪位应控制在1 2 0 1 4 0 m m 、 化渣枪位控制在16 0 一18 0 m m ，脱磷和后期脱碳以及后搅的底吹流量大于 1 0 5 n m 3 h 。 关键词：复吹转炉；物理模拟；熔池混匀时间；底枪布置；复吹工艺 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c o l dm o d e l s t u d y o np r o c e s so p t i m i z a t i o nf o r12 0 t a bs t r a c t a t p r e s e n t ，t h et o p - b o t t o mc o m b i n e db l o w nc o n v e r t e rt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e m a i ns t e e l m a k i n gp r o c e s si nt h ew o r l d ，a n di t sp r o d u c t i o no c c u p i e s7 0p e r c e n to ft h et o t a ls t e e lo u t p u ti nt h ew h o l ew o r l d t h et e c h n o l o g yc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so ft o p b l o w nc o n v e r t e r sf a s tr e a c t i o na n dt h a to fb o t t o mb l o w nc o n v e r t e r ss t e a d ys m e l t i n g ， a n di to v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so ft o pb l o w nc o n v e r t e r ss p l a s he a s i l ya n db o r o m b l o w nc o n v e r t e r sd i f f i c u l ts l a g g i n g t h r o u g ht h ee f f e c to ft o pa n db o t t o mg a ss t i r r i n g ， t h em e t a l l u r g yr e a c t i o nr a t eo ft h ec o n v e r t e ri sf a s t ，t h ea m o u n to fs p l a s hi sd e c r e a s e d ， a n dt h em e t a ly i e l di si n c r e a s e d i nt h i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , t h et o p - b o t t o mc o m b i n e d b l o w np r o c e s sa i m e da t12 0 tc o m b i n e db l o w nc o n v e r t e r , e s p e c i a l l yt h en u m b e ra n d c o n f i g u r a t i o no fb o t t o mt u y e r e s ，w e r es t u d i e di nd e t a i lw i t hc o l dm o d e le x p e r i m e n t s t h e nt h eo p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o no fb o r o mt u y e r e sa n dt o pa n db o t t o mb l o w i n gp a - r a m e t e r sf o r12 0 tc o n v e r t e rw e r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h es i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，a1 ：10c o n v e r t e rm o d e lw a sb u i l tu p r e s e a r c h e s i n c l u d et h a tt h en u m b e ra n dc o n f i g u r a t i o no fb o s o mt u y e r e s ，l a n c eh e i g h ta n d f l o w r a t e so fb o t t o mb l o w i n ga n dt o pb l o w i n g i n f l u e n c e so ft h e s ef a c t o r so nm i x i n g t i m ew e r es t u d i e d c o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e da sf o l l o w s ( 1 ) t h en u m b e ra n dc o n f i g u r a t i o no fb o a o mt u y e r e sh a v ed e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h e b a t hm i x i n gt i m e t h eb a t hm i x i n gt i m ed on o ti n c r e a s eo rd e c r e a s es i m p l yw i t l lt h e n u m b e ro fb o t t o mt u y e r e s w i t ht h ec o n f i g u r a t i o no fb o t t o mt u y e r e sl o c a t e da tc i r c l e s w i t hd i f f e r e n tr a d i u sa n di na s y m m e t r i c a l ，m a s sa r r a n g e m e n tw a y , i nt h ee x p e r i m e n t ，t h e m i x i n gt i m ei st h es h o r t e s t ( 2 )a r r a n g e m e n tb 5i s6b o t t o mt u y e r e s ，a r r a n g e di nt h r e ed1 ，d 2a n dd 4c i r c u m f e r e n c e s ，r e s p e c t i v e l y , b e i n gt h i se x p e r i m e n t so p t i m a lb o t t o mt u y e r ea r r a n g e m e n t ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha st o pa n db o t t o mb l o w i n gf l o wr a t e s 1 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n dt o pl a n c eh e i g h t ，e t c ，o nt h em i x i n gt i m ew a si n v e s t i g a t e df o rt h ea r r a n g e m e n tb 5 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h em i x i n g t i m ea r en o ts o l e ，b u ti sm u t u a l ，r e s t r i c t i v ee a c ho t h e r ( 4 ) w i t hc o n f i g u r a t i o nb 5 ，t h el a n c eh e i g h tf o rd e c a r b o n i z a t i o ns h o u l db ec o n - t r o l l e db e t w e e n12 0 14 0 m m ，a n dt h el a n c eh e i g h tf o rs l a g g i n gb e t w e e n16 0 - 18 0 m m b o t t o m b l o w i n gf l o wr a t ef o rd e p h o s p h o r i z a t i o na n dd e c a r b o n i z a t i o nd u r i n gt h el a t e r b l o w i n gp e r i o da n dp u r e - b o t t o mb l o w i n gs h o u l d b el a r g e rt h a n1 0 5 n m 3 h k e yw o r d s ：t o p b o t t o mc o m b i n e db l o w nc o n v e r t e r , p h y s i c a lm o d e l i n g , b a t hm i x i n gt i m e ， b o t t o mt u y e r ec o n f i g u r a t i o n ，t o p - b o t t o mb l o w i n gp r o c e s s i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明。i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 项底复吹转炉冶炼过程简介1 1 2 复吹技术的发展概况及转炉炼钢技术的展望”1 1 2 1 底吹转炉的发展及特点1 1 2 2 项吹转炉的发展及特点2 1 2 3 项底复吹转炉的发展及特点2 1 2 4 目前复吹转炉应用现状3 1 2 5 转炉炼钢技术的展望4 1 3 本研究的目的和内容“5 1 4 研究意义“6 第二章文献综述7 2 1 国内外关于复吹熔池搅拌的研究一7 2 1 1 国外关于复吹熔池搅拌的研究7 2 1 2 国内关于复吹熔池搅拌的研究1 0 2 2 国内外对底部供气元件支数和布置的研究1 1 2 2 1 国外对底部供气元件支数和布置的研究1 2 2 2 2 国内对底部供气元件支数和布置的研究1 4 2 3 前人对顶枪枪头的研究16 2 3 1 国外对顶枪枪头的研究1 6 v 东北大学硕士学位论文目录 2 3 2 国内对顶枪枪头的研究1 7 第三章物理模型的建立1 9 3 1 实验的基本原理1 9 3 1 1 相似理论简介”1 9 3 1 2 近似模型法2 0 3 1 3 冶金过程物理模拟- 2 1 3 1 4 实验的相似条件2 1 3 2 模型参数的确定2 3 3 2 1 模型几何尺寸的确定2 3 3 2 2 模型项部供气参数和底部供气参数的确定2 4 3 2 3 氧枪枪位和熔池深度的确定2 6 3 3 实验设备和装置2 7 第四章实验方法与方案设计2 9 4 1 实验步骤2 9 4 1 1 均混时间测定步骤2 9 4 2 实验方案设计3 0 4 2 1 复吹转炉底部供气元件支数和布置方式的优化实验方案”3 0 4 2 2 复吹转炉的工艺参数的优化实验方案3 3 第五章实验结果与讨论3 5 5 1 实验结果分析3 5 5 1 1 底吹布置方式对熔池均混效果影响的比较3 5 5 1 2 顶吹流量、底吹流量、枪位与均混时间关系4 0 5 1 3 枪位与均混时间的关系4 2 v i 东北大学硕士学位论文 目录 5 1 4 后搅均混时间4 4 5 2 实验结果讨论一4 4 第六章结论4 6 参考文献4 7 致谢5 1 论文包含图、表、公式及文献5 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 顶底复吹转炉冶炼过程简介 在炼钢生产中，顶底复吹转炉已经成为当今铁水炼钢的主流，是目前最高效 的炼钢方法。它的主要目的是将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素通过氧化的方法 去除。在顶底复吹转炉上方通过氧枪将氧气吹入熔池，同时从转炉底部吹入惰性 气体，加强对熔池的搅拌作用。冶炼开始前，装入废钢和兑入铁水并将炉体摇正。 氧枪下降的同时，由炉口上方的高位料仓加入第一批造渣料，当氧枪降到规定枪 位时，吹炼正式开始。当氧气流与熔池面接触时，碳、硅、锰、磷开始氧化。吹 炼中期脱碳反应激烈，渣中氧化铁降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大，并可能 出现“返干 现象。此时适当提高枪位，并加入第二批造渣料。吹炼末期，金属 含碳量大大降低脱碳反应减弱，最后根据火焰情况、供氧数量和吹炼时间等因素， 按所炼钢种的成分和出钢温度要求，确定吹炼终点，并提枪停止供氧，倒炉、测 温、取样。根据分析结果，决定出钢或补吹。 1 2 复吹技术的发展概况及转炉炼钢技术的展望 1 2 1 底吹转炉的发展及特点 1 8 5 6 年，最早的转炉问世酸性底吹空气转炉( 简称贝塞麦法) ，随后托马 斯发明了碱性底吹空气转炉炼钢法。由于托马斯炼钢法是空气底吹，所以钢液内 溶解的氮较高，易产生时效硬化现象，人们采用了很多减少鼓风氮含量的措施， 用富氧( 0 2 3 0 3 2 ) 鼓风、混合气体( 0 2 5 0 ，c 0 2 5 0 ) 鼓风或氧气中h 2 0 鼓风，不仅可快速冶炼并能有效地降低钢中的氮量。 底吹氧气转炉炼钢法是在底吹空气转炉炼钢法的基础上发展起来的。底吹转 炉使用纯氧存在的主要问题是喷嘴寿命问题。 底吹氧气转炉冶炼反应特点表现为： 由于氧气从底部直接吹入金属熔池，熔池搅拌强度剧烈，其搅动力要高于 项吹法1 0 倍； 氧气直接吹入金属熔池，因而反应过程迅速而均匀，钢一渣间的反应趋于 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 平衡； 由于氧气喷嘴埋在铁水下面，高温和面积较大的反应区在炉底喷嘴出口处 附近。反应产物穿过金属液后才能进入渣层或炉气中。上部渣层对炉内反应的影 响较小； 后吹脱磷。 1 2 2 顶吹转炉的发展及特点 2 0 世纪4 0 年代大型空气分离机的问世，解决了在项吹转炉中大量使用的氧气 的来源，随即于1 9 5 2 年在奥地利的l i n z 和d o n a w i t z 城出现了顶吹氧气转炉炼钢 法，所以称之为l d 法。 由于氧气顶吹转炉反应速度快，热效率高，含氮量也低，还可使用近3 0 的 废钢，很快发展成为世界上生产规模最大的炼钢方法。但是项吹氧气转炉也有不 足，氧气从熔池上进行吹炼，且喷嘴并不进入熔池中，因而与底吹转炉相比较， 最大缺点就是对熔池的搅拌不强，熔池反应的动力学条件不理想。 1 2 3 顶底复吹转炉的发展及特点 由前所述，顶吹氧气转炉与底吹氧气转炉比较，最突出的问题是氧气射流对 熔池搅拌不均匀。氧气转炉顶底复合吹炼的出现，可以说是考察了顶吹转炉和底 吹转炉的特点之后所导致的必然结果。复合吹炼法就是利用底吹气流克服顶吹氧 流对熔池搅拌能力不足( 特别是在碳低时) 的弱点，可使炉内反应接近平衡，铁 损失减少；同时又保留了顶吹法容易控制造渣过程的特点，因而具有比项吹和底 吹更好的技术经济指标( 表1 1 ) 【1 】，复吹技术的特点为： 降低渣中含铁量；提高转炉收得率；改善脱磷和脱硫； 降低石灰添加量；减少锰的氧化；降低含碳量； 降低熔池终点含氧量，节约合金料；延长炉子寿命；避免喷溅。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 顶吹与项底复合吹炼低碳钢的成本比较 t a b1 1t h ec o s tc o m p a r i s o ni nr e f i n i n gl o wc a r b o ns t e e lb e t w e e nt o p - b l o w nc o n v e r t e ra n dt o p a n db o t t o mb l o w nc o n v e r t e r 项目顶吹与顶底复合吹炼之差 铁的收得率( ) 石灰( k 鲈钢) 铁矿石( k g t 钢) 铁合金( k 鱿钢) 纯m n 纯s i m 气体( h m 3 t 钢) 氧 氩 氮 同收气体 + o 5 + o 8 1 6 6 7 0 6 0 1 - 0 0 4 9 0 + o 6 + 0 8 + 0 3 + 0 7 + 2 0 日本是世界上研究复吹最深入、开发复吹技术种类最多、应用复吹技术的厂 家最多的国家。我国复吹转炉自在8 0 年代初从日本引进技术开始发展，至今已经 有2 0 多年，期间经过主要的“六五”、“七五”及“八五攻关，我国的钢铁科研 人员做了大量的细致的研究工作，使我国的复吹转炉技术取得了长足的进步。1 9 9 5 年，我国有转炉的钢厂开始研究和应用溅渣护炉技术，随着炉龄的大幅度提高， 复吹率却大幅度降低，供气元件的一次性使用寿命仅为1 0 0 0 3 5 0 0 炉，远远低于 转炉炉龄。因此，如何解决供气元件的侵蚀问题，保证供气元件的畅通性以保持 高的复吹率成为我国炼钢界技术攻关重点。 1 2 4 目前复吹转炉应用现状 提高钢洁净度。即努力降低吹炼终点时的夹杂物含量。 提高钢化学成份及温度规定限度的命中精度；减少补吹炉次数；降低吨钢 耐材消耗。 美国、法国、德国、英国等国在耐材寿命及消耗方面具有同样趋势，只是具 体指标略高些。日本有在转炉炼钢中直接使用锰矿的趋势。 铁水预处理对改进转炉操作指标、提高钢质量有着举足轻重的作用。美国及 3 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 西欧各国铁水预处理只限于脱磷，而日本铁水预处理则包括脱硫、脱硅及脱磷。 日本正在开发复合吹炼条件下调控冶炼过程用的新方法及新设备。此外还进 行预测及预防喷溅方面的研究，主要方法是连续收集炉子所排烟气成份信息加以 分析，作为对策依据。 表1 2 【2 】给出了项吹转炉、底吹转炉和项底复吹转炉冶金特点的比较。从表1 2 可以看出，复吹转炉结合了顶吹、底吹转炉的优点，避免了二者的缺点。 表1 2 氧气转炉吹炼方式的冶金特点技术比较 t a b l e2 1t e c h n i c a lc o m p a r i s o no fd i f f e r e n to x y g e nc o n v e n e rp r o c e s s e s 1 2 5 转炉炼钢技术的展望 2 1 世纪钢铁工业如何发展，这是全世界钢铁工作者共同关心的问题。比较认 同的看法是，尽管钢铁产品受到“钢铁替代材料 越来越严峻的挑战，但钢材以 其独特的物理化学性质，优良的综合性能和较低的价格满足不同使用者的需求， 仍为各行各业的首选材料。 因此，从高炉开始直至最终成材工序内的一系列钢铁生产技术面临加速创新 的新任务，以使钢铁生产技术在制造领域始终处于领先地位，使优质廉价的钢材 在材料生产领域始终具有竞争力。就转炉炼钢技术而言，已经形成了包括短期在 内的技术创新计划。 短期项目有：开发快速准确的炉气分析技术；控制冶金过程和烟气净化技术； 熔池搅拌技术，提高炉役期内冶金行为的稳定性；防止钢渣流入钢包的更有效的 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 保护措施；最新的计算机人工智能、专家系统，提高过程稳定性；开发具有反馈 功能的并联控制系统，提高对碳和温度的控制，精确测量氧枪吹炼及探测喷溅的 发生；开发夹杂物控制技术，去除和降低不变形残余夹杂物；减少转炉废气、废 渣的排放，进一步改善环境；开发经济、环保型的脱磷方法及其他有生命力的炉 渣利用技术。 中期的项目有：延长炉体寿命，开发冷却系统防止炉体变形；开发供氧新系 统及可长时间保持射流特征的新型氧枪及二次燃烧氧枪；降低能耗( 如二次燃烧) ， 提高废气回收率；转炉冶炼和炉渣形成过程的检测( 如射线波测量) 。 长期项目有：开发用铁水流程处理铁水实现连续炼钢的技术。需要指出的是， 日本钢铁界初步形成的“铁水三脱+ 少渣精炼+ 多功能二次精炼的新的生产体 制，将在2 1 世纪加速发展，其技术的主要特点和内容有：利用转炉进行全量铁水 “三脱”；采用转炉“双联工艺，进行少渣精炼；锰、铬矿的熔融还原；实现转 炉高效化；减少转炉总渣量5 0 ，对环保做出新贡献。 1 3 本f 究的目的和内容 蓐 众所周知，氧气转炉是通过向熔池铁水供氧来去除铁水中杂质元素的，从底 部向熔池中吹入惰性气体强化搅拌，从而实现快速炼钢的目的。在气体或气粉射 流的作用下，金属液发生循环运动。如果循环和混合较快，可使反应速度加快， 也加速熔池内部的成分和温度的均匀化，加快反应产物的排除等，因此，金属液 的循环是一个非常重要的问题。均匀混合时间是用来表示熔池内混合特性的一个 重要参数。由于设备自身特性及搅拌条件的不同，各种设备都有其特定的均匀混 合时间。在转炉炼钢中，顶吹供氧和底吹供气是转炉冶炼的两种主要工艺方式。 顶吹氧流与熔池的相互作用是产生转炉炼钢过程中各种复杂现象的首要的、决定 性的环节，而底吹气体则主要发挥搅拌熔池的功能。在生产条件下，进行这方面 的研究有很大的困难，因此这种研究课题一般是根据相似理论，并考虑其主要作 用力和准数，进行冷态模拟实验。本课题是通过测定不同底部供气元件支数和布 置方式的复吹转炉模型的熔池均匀混合时间，并对测定结果进行分析，从而确定 复吹转炉的最佳工艺参数。 在缩小的转炉模型中，用水模拟钢水，用压缩空气模拟氧气和底吹气体。根 据相似原理确定项吹气体流量和底吹气体流量。通过加入示踪剂，测定示踪剂在 熔池中某一位置的浓度随时间的变化，确定不同吹炼工艺条件下，熔池的均混时 - 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 间，据此判断底部供气元件安排的优化位置。 本文研究的内容如下： 以1 2 0 t 复吹转炉为研究对象，对其复吹工艺进行水模型优化研究，其研究内 容主要包括： ( 1 ) 通过文献对顶枪枪头、底部供气元件支数和布置方式进行选择； ( 2 ) 考查顶枪枪位、顶吹流量、底吹流量对均混时间的影响 ( 3 ) 对测定结果进行分析，从而确定1 2 0 t 复吹转炉的最佳操作工艺参数。 1 4 研究意义 顶底复吹工艺优化研究对于改善复吹转炉熔池搅拌效果，满足不同吹炼阶段 对冶金反应动力学条件的要求，达到吹炼平稳，缩短冶炼时间，提高脱磷、脱碳 效果，降低终点钢液含氧量和炉渣氧化铁量，降低炼钢成本，具有重要的意义。 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义陬练逊 转炉项底复合吹炼技术目前在许多国家得到了广泛的应用。实践证明，项底 复合吹炼技术充分发挥了项吹和底吹的优点，克服了它们的缺点，已经成为当今 转炉炼钢的主流。通过项吹氧气和底吹惰性气体强化熔池搅拌，促进金属与炉渣 以及金属与气体间的平衡，加快冶金反应的进行。底吹对熔池的搅拌起着决定性 的作用，底枪的支数和布置方式直接影响底吹的效果。 2 1 国内外关于复吹熔池搅拌的研究 随着氧气项吹转炉规模的大型化，人们开始认识到炉内的熔体并没有充分混 合，搅拌力不足是大型转炉的致命弱点。因此，研究混合对冶金反应有重要意义。 冶金范畴中关于熔体混合程度，提出了“混合均匀时间”和“搅拌能 的概念【3 1 。 2 1 1 国外关于复吹熔池搅拌的研究 1 9 7 5 年，中西等人【3 1 在分析不同精炼设备的混合均匀时间与搅拌能关系的基 础上，进行数学处理，得到钢液混匀时间o ) 与搅拌能( ) 的定量关系： f = 8 0 0 e 加4 ( 2 1 ) 这使冶金工程技术人员可以方便地定量分析精炼容器中气体喷吹的冶金效 率。但是他们在搅拌能密度( ) 的计算中忽略了容器几何尺寸的影响，并且在计算 气流在液柱上浮而向周围液体介质释放的能量时，将气体膨胀功计算了两次。其 后，森一美及鞭崴等人不仅从理论上，而且也从试验中证明，t 不仪取决于，而 且还与设备大小有关4 1 。1 9 7 9 年，赫莱进一步通过量纲分析法，求得混匀时间的 计算公式5 】： 删川8 9 1 6 1 6 ( 等卜y 。0 。2 分0 2 5 亿2 ， 式中： d 熔池直径，m ； 且熔池深度，m ； y 动力粘度，m 2 s ； 伊表面张力，n m ； p - 钢液密度，k g m 3 ； 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 印钢液粘度，p a s ； s 搅拌能量密度，w m 3 。 1 9 8 0 年，中西等人【6 】通过冷模试验，将底吹法和顶吹法的熔池混合均匀时间、 钢渣之间的传质速度作了对比，发现底吹法的熔池混匀时间最短，钢渣间的传递 速度快。进而对底部供气元件的支数、配置、熔池深度和气体流量的影响进行了 研究。试验指出t 和底部供气元件支数的1 3 次方成比例地增大，当熔池的深度比 较浅时，由于有吹透现象，所以吹入气体所具有的能量便不能充分地向熔池传质。 并且，中西等人还导出了评价顶吹气体运动的能量关系式，从而指出顶吹气体所 具有的能量用于搅拌混合的利用率和底吹法的利用率相同。因此，可把t 和的关 系式扩大应用到顶底复合吹法和项吹法。但是，作者认为，把t 和的关系式应用 于顶吹法还有一些问题。 1 9 8 2 年，k y o j in a k a n i s h i 等7 】通过冷模实验进一步指出： f ：8 0 0 ( 5 7 q 占瓦虬一3 w ) l g ( 1 + h 1 4 8 ) + ( 0 0 9 0 6 q ，d 以2c o s 2o n ，加8 3 3 w h ) m 4 0 ( 2 3 ) 式中： 幽，q r 分别为底吹和项吹气体流量，n m 3 h ； ，蜥分别为底部供气元件支数和顶吹氧枪喷孔数目5 死熔池温度，k ； 肛钢水重量，t ； 出氧枪喷孔直径，m ； 办一氧枪枪位，m ； “气体在喷孔出口处的速度，m 2 s ： 良氧枪喷孔夹角，o 。 1 9 8 3 年，甲斐斡等人【4 8 】通过冷模试验，得到顶吹和底吹气体投入熔池产生单 位体积的能量密度如式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 所示。进而对项底复合吹炼法的搅拌混合特 性进行了研究，得到其混匀时间表达式如式( 2 7 ) ，认为复吹法的搅拌混合特性主 要取决于底吹气量，而喷溅量主要取决于顶吹条件。 s ，：! ：丝兰! 坚c0 0 s 掣 ( 2 4 ) s r = 一c 2 一一 二t ， l v l nr ：d3 h 铲6 邶等 2 3 l g 半+ 旧 亿5 ， 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 r 。= 5 4 0 8 。0 = 5 4 0 ( 占占+ o 1 占7 ) 。0 5 ( 2 6 ) 当应用于实际转炉时，需要进行修正： f ，= ( p ，p 。，) “3 ( 协d , ，) l 嗍( h ，h 。) 0 。6 7 4 f ， ( 2 7 ) 式中： 圪一熔池液体体积，m 3 ； 肛顶吹气体体分子量； 尸d - 大气压，p a ； 死一底吹气体初始温度，k ； 风，飓分别为模型和实型中的熔池深度，m ； p w ，p s - 分别为模型与实型中的熔池液体密度，k g , m 3 ； d w ，仇一分别为模型与实型中的熔池直径，m 。 1 9 8 6 年，sp a u l 与dng h o s h 【9 】通过水模试验对顶、底吹转炉混合和传质过程 的研究得出： f = 5 9 ( q 口n 曰) m 4 9 ( 2 8 ) 19 8 8 年，dng h o s h 与rps i n g , h e l 0 1 通过水模试验研究进一步得出： ：o 0 2 8 5 垒五l n f l + 旦 + 型3 1 0 ，( 2 9 ) 形 f1 0 3 4 ) 2 w g 式中： 底部供气元件出口的总截面积，t i l l 2 。 水的重量，t ； 以气体密度，g e r n 3 。 19 9 6 年，sk a j m a n i 与ac h a t t e r j e e 】通过水模研究得出了复吹转炉熔池搅拌 能和混匀时间的关系式： f = 1 0 6 4 占- 0 7 2 陀1 0 ) 2 0 0 2 年，o c t a v i oo l i v a r e s 等 1 2 , 1 3 通过物理模拟和数学模拟得出了顶吹、底吹 和复吹转炉混匀时间的表达式： 喊铲警 ( 2 1 1 ) 底吹= 箐 ( 2 1 2 ) 复吹孝h 舞n 鲁 亿 u o u 4 p 口h h口u 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 2 1 2 国内关于复吹熔池搅拌的研究 国内学者对于复吹转炉的熔池搅拌的研究主要集中在复吹转炉在我国推广的 初期，也就是8 0 年代，可能是国外学者形成的理论已比较成熟，所以国内相对进 行的较少，但也取得了一定的成绩。 1 9 8 2 年，郝宝升等人【1 4 】通过水力模型试验，对新抚钢6 t 转炉进行研究，指出： 虽然混匀时间受炉底底部供气元件的数量和装配位置的影响，但主要决定于底吹 气体流量，并得出了混匀时间与项吹、底吹气体流量的定量关系式： f = 2 2 3 4 1 6 ( q b e t ) 扎4 3 6 1 ( 2 1 4 ) 1 9 8 3 年，北京钢铁研究总院的张荣生等【1 5 1 通过对项吹、底吹和顶底复吹熔池 搅拌的水力学模拟研究，采用混合指数r v d 来表达混匀时间与其它因素的关系， 其结果与不同规模工业试验结果符合。研究中发现，熔池混合均匀时间主要和随 气体输入的搅拌功率有关。根据实验中所用模型放大，并经处理，对于单支底部 供气元件非对称排列情况，得到如下各种吨位转炉和各种情况下的经验公式： 6 5 t 转炉：旦d = 1 5 8 ( r e , f r ) 0 2 6 ( 2 1 5 ) 1 2 0 t 和2 0 0 t 转炉：虽= 2 5 1 l ( f r ) 0 。4 1 6( 2 1 6 ) 式中： v 底部供气元件出口处气体速度，c n l 2 s ； d 熔池直径，c m ； 月p ，肛分别为雷诺数和修正弗鲁德准数。 1 9 8 7 年，李远洲等人【1 6 , 1 7 , 1 8 】对不同条件下的顶吹、底吹和复吹转炉熔池的搅 拌强度进行了水模型研究，从而提出了项底复吹转炉熔池搅拌混匀时间的半经验 公式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) ，并用来计算0 0 5 t 和6 5 t 转炉的混匀时间，与实测值基本相符。 ( 1 ) 当q t 较大，l t 较低时，r o c = 4 1 3 4 t z ? 7 础5 ( 2 1 7 ) ( 2 ) 当q t 较小，l t 较高时，r o c = 1 3 1 5 t 品1 3 础7 8 ( 2 1 8 ) 式中： c ，而7 ，死矿分别为复吹、项吹、底吹的搅拌混匀时间准数。 任敦长等人【1 9 】研究指出，项吹和复合吹炼的混匀时间与底部送气量的关系服 从于负指数函数的规律： f = 0 9 8 e 一锄f o ( 2 1 9 ) 1o 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 式中： 珩纯顶吹转炉熔池混匀时间，s 。 1 9 9 0 年，段丽等人1 8 1 通过水模型实验研究了复吹转炉中顶吹、底吹及熔池中 c o 气流对熔池的搅拌作用。采用正交设计法，由实验得出了吹炼中期和后期影响 熔池内传质的主要因素及合适的项吹、底吹气量。根据水模型实验结果，回归整 理出混匀时间的表达式： 模型转炉：f 。= 5 7 0 6 m 7 1 ( i b o 9 4 9 8 )( 2 2 0 ) 实际转炉：f ；= 5 5 5 6 4 占吨7 1 ( 2 2 1 ) 1 9 9 1 年，文光华等人【1 9 】针对底吹氧气和天然气的复吹转炉，建立了适合该气 源的熔池搅拌能的计算式： ( 1 ) 底吹0 2 和c h 4 ： 铲品 2 r 0 2 + 2 5 a - 1 + 4 ( r 0 2 + 1 5 a ! ) n ( + 羔) 亿2 2 ， ( 2 ) 顶吹熔池搅拌能： 勺= 0 0 4 5 3 q 础2c o s 20 例办+ 2 6 7 圪瓦l g 警( 2 2 3 ) ( 3 ) 顶底复吹熔池搅拌能： 占= 占b + s r( 2 2 4 ) 式中： ，一底吹氧脱碳利用率； 瓦c o 气泡上升平均深度，m ； 月气体常数，8 314 j k m o l ； 反底吹天然气与氧气量之比； 圪脱碳速度，r a i n 。 2 0 0 3 年，杨文远等人【2 0 】通过对宝钢3 0 0 t 转炉多孔喷头射流与熔池的作用研究 指出：顶枪高度的增加，熔池的混匀时间延长；复吹混匀时间比项吹少1 1 - 2 6 ； 喷孔数目由五孔增加到六孔，熔池混匀时间延长约1 7 。 2 2 国内外对底部供气元件支数和布置的研究 在项底复吹转炉的冶炼过程中，熔池搅拌的好坏影响到去除铁水中杂质元素 的速度，既影响冶炼时间。衡量l b e 炼钢转炉内熔池搅拌混合程度的一个重要且 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 直观的参数为混合均匀时间，简称均混时间。显而易见，降低均混时间可以有效 地缩短冶炼周期，因此，国内外对此作了大量的研究。 在顶底复吹转炉冶炼过程中，其基本形式是项吹氧+ 底吹气体，底吹对熔池的 搅拌起着决定性的作用，底枪的支数和布置方式对熔池搅拌的影响不可忽视。 2 2 1 国外对底部供气元件支数和布置的研究 1 9 8 2 年，中西等人【6 】通过冷模拟试验指出，如果供气量一定，底部供气元件 数目越多，则均混时间越长。在其它因素不变时，均混时间与底部供气元件数目 的1 3 次方成正比。 加藤嘉英等人【2 1 】认为，底部供气元件不能距顶吹喷枪一次反应区过远，如果 顶吹氧与底吹气体的作用区不相关联，则达不到强化搅拌的作用。他们提出，底 部供气元件与炉底中心距的最大值应小于或等于顶吹产生的火点区( 凹坑) 最外 缘与炉底中心线的水平距离x 的1 3 倍，x 可由下式确定 x ：h 1 9 f 只+ 导1 ( 2 2 5 ) 二 式中： 卜顶枪喷孔至钢液面的距离，即顶枪的高度； p 厂一项枪喷孔倾角； 臼广顶枪氧气流股的扩张角。 甲斐斡等人4 】通过冷模拟试验，对底吹法中的与中心点对称的1 3 种底部供气 元件布置方式进行了研究，认为当底部供气元件的支数为4 或6 时，底部供气元 件的布置稍有不同，则均混时间便有很大变化。通过对2 0 支底部供气元件的底部 供气元件布置( 沿耳轴两侧平行布置、在整个炉底上完全分散布置、集中于炉底 中心布置) 、炉底形状、吹入气体流量等对均混时间的影响所进行的研究，认为这 三种布置由于均是对称性的，其均混时间差别不大。最后通过对6 支底部供气元 件的顶底复吹的研究指出，顶底复吹中底部供气元件布置对均混时间的影响比底 吹法时小，可以认为顶底吹法的均混时间基本上取决于底吹气体流量。 s h u z oi t o 等人【2 2 1 在2 4 0 t 复吹转炉上使用s a 喷嘴吹n 2 、舡，底气流量在 0 0 1 - 4 ) 1 0 n m 3 m i n 范围内时，对三种底部供气元件布置方式的冶金效果作了比较。 a 型两底部供气元件相距较远，在项吹氧气流股冲击区之外；b 型两底部供气元件 相距较近，在项吹氧流冲击区之内：c 型是a 、b 两型的结合。研究结果表明，c 型的底部供气元件布置在这三种布置中是最佳的。 一12 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 日本学者【2 从模拟试验中得出了炉底安装2 支和4 支底部供气元件对熔池均 混时间的影响。他们认为二者相差很小，两支底部供气元件的布置和均混时间的 关系如表2 1 所示。从表2 1 可以看出，如果底部供气元件向炉壁方向移动，则均 混时间缩短，在顶吹射流火点区边缘下的底部供气元件布置方案c 均混时间最短。 表2 1 两支底部供气元件的布置方案与均混时间的关系 t a b l e2 1 r e l a t i o n s h i pl a y o u to fb e t w e e nt w ob