（钢铁冶金专业论文）出铁沟内铁水流动的水模实验研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 摘要 高炉出铁沟作为高炉生产的一部分，是铁水从炉内经铁口流向铁水罐的必要 通道，因此出铁沟的使用寿命直接关系到高炉生产能否正常有序的进行。出铁沟 沟衬损坏的原因有很多，其中主要包括沟衬的材质和铁水对铁沟的冲刷。 本文以鞍钢1 0 号高炉出铁沟为原型，建立了1 2 0 有机玻璃模型，用水模拟 铁水对铁沟的冲击和铁水在铁沟内的流动状态。在模拟实验中，根据现代高炉出 铁沟类型，通过调整铁沟坡度，分别对贮铁式、半贮铁式和非贮铁式铁沟进行水 模实验，比较不同出铁沟的不同特点。 通过铁沟内残留铁水量的替换时间研究，得出了出铁过程中不同坡度铁沟内 残留铁水的替换时间，坡度愈小，替换时间愈长，铁沟的温度变化愈小，因温度 变化对铁沟的损坏愈小。 测量了出铁过程中铁水在铁沟上的落点和范围，并对铁沟底部的垂直冲击速 度进行了计算，得出不同类型铁沟被铁水冲击的情况，分析了铁沟内铁水的循环 流对铁沟内衬的冲刷作用。 通过对铁沟内铁水停留时间分布曲线的测定和计算，分析了铁沟内铁水流动 规律，即铁沟内存在活塞流区、死区和循环流区，并计算得出了这些区域各自所 占的体积分数，并与观测到的现象进行对比分析。 关键字；出铁沟，水模实验，替换，冲击，停留时间分布曲线 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t a sap a r to ft h eb l a s tf l l r n a c ep r o d u c t i o n ，t h ei r o nr u n n e ri st h en e c e s s a r y p a s s a g e t h a th o tm e t a lf l o w sf r o mt h ei r o nn o t c ho fb l a s tf i l m a c et oh o tm e t a ll a d l e ，h e n c e e n d u r a n c eo ft h ei r o nr u n n e rh a sd i r e c tr e l a t i o nw i t ht h ew e l l b a l a n t e da n do r d e r e d o p e r a t i o no ft h eb l a s tf n r n a c e t h e r ea r eal o to fc a u s eo fi n n e rl i n i n gd a m a g e m e n to f t h ei r o nr u n n e r , w h i c hm o s t l yc o n s i s to fm a t e r i a l q u a l i t yo fi n n e rl i n i n g a n d u n d e r w a s h i n go f h o tm e t a l t h e1 2 0o r g a n i cg l a s sm o d e li se s t a b l i s h e di nt h ep a p e ra c c o r d i n gt oc r u d em o d e l o ft h ei r o nr u n n e ro fn o 1 0b fi na n s h a no fa n b e n n 他i m p a c to fh o tm e t a la n dt h e f l o w i n gs t a t eo fh o tm e t a li nt h ei r o nr u n n e ra r es i m u l a t e db yw a t e r i ns i m u l a t i o n e x p e r i m e n t , t h eh y d r a u l i cm o d e le x p e r i m e n to ft h ei r o nr u n n e ro fp o o li r o n ，h a l f - p o o l i r o na n dn o n - p o o li r o ni sc o n d u c t e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h eb a t t e ro ft h ei r o nr n n n e r a c c o r d i n g t od i f f e r e n tk i n d so ft h ei r o nr u n n e ra b o u tt h em o d e mb l a s tf u _ r n a c e a n dt h e p a p e rc o m p a r e st h ed i f f e r e n tf e a t u r ea b o u tt h ed i f f e r e n ti r o nr u n n e r i nt h ep a p e r , t h et i m eo f w a s t ew a t e rd i s p l a c e di nt h ed i f f e r e n tb a t t e ri r o nr u n n e ri n c o u r s eo f i r o nt a p p i n gi sk n o w nb yt h es t u d yo nt h et i m eo f w a s t ew a t e rd i s p l a c e di nt h e i r o nr u n n e r s m a l l e rt h eb a t t e r , l o n g e rt h ed i s p l a c e dt i m e ，s m a l l e rt h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r eo f t h ei r o nr u n n e r , s m a l l e rt h ed a m a g eo f t h ei r o nr u n n e r n e i m p a c t e ds t a t eo f d i f f e r e n tk i n d so f t h ei r o nr u n n e ra n dt h ea f f e c tt h a tt h ei n n e r l i n i n gi sw a s h e do u tb yc i r c u l a t i o nf l o wo fh o tm e t a li nt h ei r o nr u m l e ri sp o i n t e db y m e a s u r i n gt h ep o i n to ff 酊la n dc i r c l ea b o u th o tm e t a lo nt h ei r o nr u r m e ri nc o u r s eo f i r o nt a p p i n ga n dc o m p u t i n gt h ev e r t i c a li m p a c t e dv e l o c i t ya tt h eb o t t o mo ft h ei r o n r u n n e r 1 1 1 er e s u l t so fm e a s u r i n ga n dc o m p u t i n gt h ec u r v eo ft h er e s i d e n c et i m es h o w st h e f l o w i n gs t a t eo fh o tm e t a li nt h ei r o nr u n n e r t h e r ea r et h ep i s t o nf l o w , d e a da r e aa n d c y c l ea r e ai nt h ei r o nr a f t e r t h ev o l u m ep e r c e n ti nt h e s ea r e ai sc o m p u t e da n d c o n t r a s t e dw i t ht h ei n s p e c t i v ep h e n o m e n o n k e yw o r d s ：i r o nr u n n e r , h y d r a u l i cm o d e le x p e r i m e n t ，r e p l a c e m e n t ，i m p a c t ，t h e r e s i d e n e et i m ed i s t r i b u t i o n i i 独创性声明 本人所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得清华大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：圣生点i l 日期：兰堕 罗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型：兰盘导师签名：缁日期：兰! 坚! ：! 鞍山科技大学硕士论文前言 前言 随着国民经济的迅速发展，市场对钢铁产品的需求量迅速增加。钢材作为一 种经济实用的材料在国民经济建设中起到越来越重要的作用，对钢材的质量和性 能等方面提出了越来越高的要求。因此对铁水的生产提出更高要求，促使高炉炼 铁工艺不断发展。 随着钢铁生产技术的进步，高炉逐渐趋于大型化、高效化和长寿化。高炉生 产的主要特点是连续性，即整个工艺过程都是有序和有节奏的。高炉出铁沟作为 高炉生产的一部分，是铁水从炉内经铁口流向铁罐的必不可少的通道，因此，出 铁沟便成为高炉生产工艺中的一个极为重要的环节。它的使用寿命直接关系着沟 衬的铺垫修补次数和时间，也直接关系着高炉能否顺利生产【i 】。 本论文以鞍钢1 0 号高炉出铁沟为原型，根据相似原理建立相似模型，进行水 模实验。测定出铁沟内残留铁水的替换时间；观测铁水在出铁沟内的流动情况， 分析出铁沟主要受冲击的部位；测定出铁沟停留时间分布曲线，分析死区、活塞 流区和混合区的体积分数。 鞍山科技大学硕士论文第一章文献综速 1 1 高炉出铁沟简述 第一章文献综述 高炉炼铁是获得生铁的主要手段，它以铁矿石为原料，焦碳、煤粉、重油、 天然气等为原料和还原剂，以石灰石等为熔剂，在高炉内通过燃料燃烧、氧化物 中铁元素的还原以及非铁氧化物造渣等一系列复杂的物理化学过程获得生铁。由 于高炉冶炼中有大量高温液态的生铁和炉渣由高炉下部的铁口和渣口放出，因此， 及时、合理地处理好这些生铁和炉渣是保证正常生产的重要环节。为了搞好这项 工作，必需有完好的出铁、出渣设施及足够的运输能力。选定这些设备时应做到： 既注意不断提高劳动生产率，为高炉进一步强化创造条件，又要关心工人健康， 改进操作，用机械化自动化代替繁重的体力劳动1 2 】。 1 1 1 风口平台结构 在高炉下部，沿高炉炉缸四周风口前设置的工作平台为风口平台。这里的操 作人员要通过风口观察炉况，更换风口，放渣，维护渣口、渣沟，检查冷却设备， 操作阀门等。 在铁口两侧布置着铁沟和下渣沟的炉前平台，也叫出铁场。由于铁口、渣口 标高不同，出铁场一般比风口平台低约1 5 m 。出铁场的面积大小，取决于渣铁沟 的布置和炉前操作的需要。根据炉前工作的特点，出铁场在主沟区域应保持平坦， 其余部分可做成有中心两侧和有铁口向端部随渣铁沟走向一致的坡度。 风口平台和出铁场的的结构有两种：一种是实心的，两侧用石块砌筑挡土墙， 中间填充卵石和砂子，以渗透表面积水， 象，这种结构常用于炉前铸块的小高炉； 防止铁水流到潮湿地面上，造成放炮现 另一种是架空的，它是支持在钢筋混凝 土柱子上的预制钢筋混凝土板或直接捣制成的钢筋混凝土平台。其下面可以做仓 库和存放沟泥、炮泥，其上面填充1 o 1 5 m 厚的砂子。渣铁沟底面与楼板之间， 为了绝热和防止渣铁沟下沉，一般要砌耐火砖和红砖基础层，最上面的地坪立砌 一层红砖或废耐火砖。 在风口平台上布置着上渣沟，出铁场上布置着下渣沟和铁沟。渣沟一般是生 铁铸成的铁槽，其壁厚为4 0 5 0 c m ，沟内铺以沟泥。铁沟一般用1 0 e m 的钢板焊成， 内砌三层耐火砖，在砖的上面铺上沟泥【2 j 。 鞍山科技大学硕士论文 第一章文献综述 1 1 2 铁口结构和作用 铁口为一长方形直孔，有铁口框架、保护版，砖套、铁口通道等构成。开炉 烘炉前由炉前工在铁口区构筑泥套，泥包，在生产中起导入炮泥和保护砌体的作 用。开炉后，铁口区炉墙被渣铁冲刷侵蚀，至炉役中、后期大约只剩3 0 0 5 0 0 m m 厚，完全靠出铁后堵泥新形成的泥包层和渣皮维持。出铁出净时，炉缸内铁口区 无液态渣、铁，此时打入的炮泥被炉内焦碳挡住而紧密附着于旧的泥包和炉墙上， 利于维持或增长铁口深度。出铁未净时，打入的炮泥可能漂浮或被液态渣、铁冲 刷而消失，不利于维持铁口深度。接连出铁不净，铁口越来越浅。铁口过浅不能 出净渣、铁，且易发生渣、铁溢流泛滥，或更严重的事故。解决长期铁口过浅问 题，除加强出渣、出铁工作外，还应改进炮泥质量：将铁口邻近的风口直径减小 或改用长风口，或者堵死不用。必要时降低高炉冶炼强度f 2 】。 保持适宜的铁口角度，使炉缸具有适当的死铁层，可以保护炉底，同时渣铁 较易出净，铁口泥包比较坚固，易于维持一定的铁口深度，有利于铁口维护。保 持正常的铁口深度，是按时出净渣铁，保护铁口，保证安全生产的关键【3 】o 1 1 3 砂口结构和作用 砂口有砂坝、砂闸、大闸、流铁通道、小井、残铁孔和流铁沟头组成。砂口 中部为砂口大闸，起撇渣作用。砂口前部为砂坝和砂闸，起排渣作用。大闸的下 部为流铁通道，其出口为小井，与铁沟沟头表面相连。小井底部有一残铁孔，砂 口修理时从此处放出砂口内的积铁。砂口整体结构为四周钢板槽焊成，内砌耐火 砖，用捣打料或浇注料制成永久衬和工作衬。 一般中小高炉，只有一个铁口，相应布置一个砂口，其修理在两次铁间进行。 当高炉强化后，出铁次数增加，筑衬时间紧，作业环境差，经常延误出铁时间， 往往修补一次砂口，丢一次铁，严重影响高炉生产。因此常采用通过提高耐材的 品质，改善筑衬方法，加强砂口冷却，在计划休风时进行砂口的修补等措施【4 】。 在有l 2 个铁口大中型高炉上为解决砂口筑衬问题，常在一个铁口主沟布置 两个砂口，轮换使用和修补，基本上可满足生产要求。一种方式为分叉式双砂口， 布置在铁水罐一侧的称为主砂口，布置在下渣线一侧的称为副砂口。为了便于放 下渣和维修砂口，主砂口位置靠近铁口，而副砂口靠后。 现代大型高炉、多铁口、容铁式主沟、浇注料的使用，使砂口的寿命大幅度 提高，一次可通铁8 1 0 万吨以上。砂口修补成为限制炉前操作的环节已不复存 在。 鞍山科技大学硕士论文 第一章文献综述 砂口维护的工作有： 1 、确保砂口各部尺寸适宜，固定非贮铁式主沟为设计坡度，砂闸底部高于沟 头表面5 0 m m ，砂坝底部高于砂闸底2 0 0 2 5 0 m m 。 2 、为确保砂口的正常工作，依其砂口的不同结构形式及使用内衬材质( 捣打 料或浇注料) 情况，定期进行检查和修补，根据检查的结果确定修补方案。 3 、捣打或浇注砂口时，底部和周围残铁、残渣及变质层必须清净。 4 、捣打或浇注衬体底料层厚度要大于2 5 0 m m 。 5 、新砂口使用前应用煤气火焰烘干。 6 、新捣制砂口第一次出铁后要放净积存铁水，第二次出铁后闷铁水1 4 1 。 1 1 4 出铁沟结构和作用 流铁水的沟槽以砂口为界分为两个部分。从铁口泥套到砂口区间称为铁水主 沟，砂口以下称为铁水沟。出铁作业时铁水和熔渣从铁口出来，首先经主沟流向 砂口，渣铁按比重差别进行分离。铁流速度正常为3 8 t m i n ，与铁口深度，口径 和炉内压力有关。主沟长约7 1 9 m ，炉容越大，主沟相应增长，以满足渣、铁流 量和彼此分离的要求。 主沟易受渣铁侵蚀和冲刷，而渣铁冲击区沟衬损坏最为严重，主沟衬需用优 质的不定形耐火材料捣打或浇注施i t 4 1 。 主沟的结构形式可以分为贮铁式、半贮铁式和非贮铁式三种，如图1 1 、图 l 一2 和图1 3 所示【”。 图1 1 贮铁式出铁沟 图1 2 半贮铁式出铁沟 4 鞍山科技大学硕士论文第一章文献综述 图1 - - 3 非贮铁式出铁沟 1 、贮铁式的主沟坡度为0 5 一1 5 ，沟内积存有一定的铁水。内衬被铁水覆 盖，温度波动减少，耐急热急冷增强，体积稳定性改善，因而沟衬寿命提高。 2 、半贮铁式的主沟坡度为3 ，铁水冲击区约有1 0 0 - - 2 0 0 m m 铁水层。因贮 铁量少，主沟前部内衬暴露在空气中，易遭受渣铁冲刷和空气氧化，要求铁沟料 耐磨性和耐氧化性增强。一般在中型高炉采用。 3 、非贮铁式的主沟坡度为4 6 ，出铁后沟内贮铁量很少，只在砂口内存 有少量铁水。主沟内衬大部分暴露在空气中，温度变化很大，耐急冷急热性和耐 氧化性下降，主沟寿命降低，所以只有在小型高炉上采用d , 6 1 。 大型高炉主沟构筑为：底部为钢板槽，其上依次为隔热砖、黏土砖和高铝碳 化硅砖，最上部为浇注料( 永久衬和工作衬) ，如图 4 1 1 4 所示。 图1 - - 4 宝钢高炉主沟结构图 1 一隔热砖；2 一粘土砖；3 一高铝碳化硅砖；4 一浇注料 其中工作层的作用为： 1 、能有效的实现渣铁分离； 2 、能减少铁水机械冲刷沟底，延长其使用寿命； 3 、保持铁沟具有较高的温度，防止铁沟温度大幅度波动破坏铁沟 4 、适当的主铁沟倾斜坡度可以有效地排尽残铁，利于检修。 鞍山科技大学硕士论文 第一章文献综述 永久层的主要作用为防止浇注料与钢槽分离。作为基本要求，高炉必须持续不 断地生产熔融铁水。熔融铁水从高炉出铁口流出进入出铁场的主出铁沟，其主出铁 沟的功能是将铁水从渣中分离。沟中的撇渣器隔板便渣从顶部进入出渣沟，铁水从 撇渣器底部流过，从而使铁和渣分离。而铁沟料就是用来垫制出铁沟内衬的耐火材 料，铁沟料使用寿命的高低直接决定出铁沟的使用寿命，从而决定高炉的生产能力 及效率的高低。因此高炉铁沟料是影响高炉生产的关键耐火材料之一1 2 j 。 1 1 5 出铁沟出铁情况 可利用下列经验公式计算每昼夜最低出铁次数 n ：型：堡：! ，次( 1 - 1 ) 强 k 子d ：h - 式中： 尸一高炉昼夜出铁量，t ； 瑶一每次出铁量波动系数，一般为1 、2 ； 疋一炉缸安全容铁量，t ； 足一炉缸容铁系数，经验值为o 5 5 0 6 0 ； h 一铁口中心线至渣口中心线； 一铁水密度，取7 0 t m 3 d 一炉缸直径，m 。 通常根据以下原则计算确定出铁次数： l 、最大出铁量不超过炉缸安全容铁量乃。 2 、确保及时出净渣铁，以利于顺行和铁口维护。铁次过多，上渣不好放，下 渣量多，对铁口不利。铁次太少，炉缸经常贮存较多的铁水，对高炉顺行与炉缸 炉底维护不利，并容易引起渣口破损。 3 、兼顾出铁准备工作时间和便于渣、铁罐运输调度，与有关高炉统一安排。 出铁过程中应注意： l 、注意观察流量大小，如铁口被焦碳阻塞以致流量变小或断流，应用圆钢透 入铁口引流，以利在规定时间内出净渣、铁； 2 、铁口深度过浅时应注意出铁中突然喷发，须及时适当放风或堵口，以免引 起后续事故； 3 、见下渣后，推开撇渣器第一渣坝，溢出下渣： 6 鞍山科技大学硕士论文第一章文献综述 4 、注意铁沟包括撇渣器中的沟泥衬料有无损坏脱落漂浮，如损坏严重须及时 堵口停止出铁，然后修补。以防止阻塞撇渣器挡板下过道而致渣、铁泛滥； 5 、严寒地区的冬季，凡接近铁水的工具都须事先烤热干燥，防止发生爆炸。 泥炮在堵口前也应转到主沟附近烘烤炮嘴； 6 、按照规定取铁样、渣样及测温【2 ，3 1 。 1 1 6 出铁沟出渣情况 上次出铁完毕堵铁口后，炉缸中的渣、 升至渣口时，应及时的打开渣口出渣。 上次出铁后至打开渣口出渣的时间间隔 出铁后的装料批数来确定。 铁液面即开始不断的升高，当渣液面 根据经验按上次出铁出净的程度和 渣口小套前端内径4 0 6 0 m m ，过大易喷出焦炭。一个渣口的出渣速度为1 3 1 8 t r a i n ，与渣口小套内径、炉内压力、渣流动性和渣1 ：3 是否通畅有关。渣量大， 一个渣口出渣而炉内渣面仍继续上升时，应及时打开第二个渣口，用两个渣口出 渣。 考核出渣工作，争取多出上渣，一般以每次铁的上、下渣比作为指标。 上随匕= 罐 “_ 2 ) 设每次铁的总渣量= 爿珞 上渣量= 爿飞一下渣量 ( 1 - - 3 ) 下渣量= ( o 6 序一罢卜训 “叫， 上、下渣比：。! 蔓。一一1 ( 1 5 ) ( o 6 黔岷4 渣1 ：3 小套前端内径4 0 - - 6 0 m m ，过大易喷出焦碳。一个渣口的出渣速度应为 1 3 1 8 t r a i n ，与渣口小套内径和渣i ：3 是否畅通有关。渣量大，一个渣口出渣而炉 内渣仍继续上升时，应及时打开第二个渣口，用两个渣1 ：3 出渣。 根据高炉大小及炉壁厚度，渣口有4 6 个水套串接而成，渣口小套前段裸露 于炉缸内，依次向外为_ - - 套，二套及大套。二套及大套砌砖保护。沿小套后端用 炮泥做成泥套，与二套和大套上铺垫的沟泥相连。 套泥是熔渣流出的通道，并保护三套，二套和大套。渣沟的坡度，主沟约为 鞍山科技大学硕士论文第一章文献练述 1 0 1 5 ，支沟不小于6 ，第一道分流闸前及各流嘴前均应有沉铁坑，以免渣中 带的铁流走，或冲渣时发生爆炸。出渣后回收沉淀在铁坑中沉淀的铁水。 出渣是应注意观察渣流及渣口的情况，如渣流小，应勤透渣口。如渣中带铁 多或渣口喷射严重，应堵上片刻后再放出，以避免烧坏小套。 渣中带铁多的征象如下： 1 、炉温偏低时，渣流表面迸出很多细小火星： 2 、炉温较高时，从小套随同渣流往外喷火花； 3 、渣沟流嘴处可见渣流下面有小注铁流及铁火花； 4 、用铁钎插入沉铁坑试探，因渣，铁密度不同，可感觉是否有铁； 5 、试堵上渣口，渣断流后凹处存有铁水【2 】o 1 2 高炉出铁沟的主要损坏原因 1 2 1 高炉出铁沟的损坏原因 高炉出铁沟沟衬损坏的原因有很多，其中最主要的有两个方面：第一个是出 铁沟沟衬的材质；第二个是出铁沟的结构。就材质来说，低水泥刚玉浇注料比水 泥高铝矾土质的好；水泥高铝矾土质的和高铝碳化硅一碳质的捣打料差不多； 高铝碳化硅碳质的捣打料又比焦粉一粘土一沥青配置的捣打料好。就结构来 说，铁沟可以分为三种类型：贮铁式、半贮铁式和非贮铁式。高炉出铁沟最容易 损坏和损坏最严重的部位是主铁沟，并且，三种类型铁沟的沟衬各部分损坏速度 是不一样的。贮铁式的沟底损坏小于沟壁，半贮铁式的沟底和沟壁损坏速度几乎 是一样的，非贮铁式的沟底损坏大于沟壁f l 】。 1 2 2 近年来出铁沟沟质方面的研究情况 高炉出铁沟材质的性能在很大程度上对沟衬的寿命起着决定作用。因此，在 开发新的出铁沟沟泥时，必须充分考虑材质的性能。 国内外已经对高炉出铁沟材质进行了大量的研究。国外采用的出铁沟材质种 类繁多，有蜡石质，高铝质，高铝一石墨质，电熔氧化铝质，电熔氧化铝一碳化 硅质，碳化硅质以及碳化硅，氮化硅质等。所用的结合剂包括有机无机结合剂或化 学结合剂。8 0 年代后期，国内先后开发了不同档次的a 1 2 0 3 一s i c c 质铁沟捣打 料，使沟衬寿命显著提高【6 】。 1 9 9 4 年宣钢就在高炉出铁沟上进行了钢纤维浇注料的试验研究，分析了钢纤 维浇注料延长铁沟寿命的机理。取得了良好的效果，能够消除铁沟裂纹、剥落现 鞍山科技大学硕士论文 第一章文献综述 象，延长了铁沟使用寿命，降低了耐火材料的消耗和工人的劳动强度吼在a 1 2 0 3 一s i c c 质铁沟捣打料的基础上，1 9 9 5 年洛阳耐火材料研究院根据出铁沟使用材 料的损毁情况( 主要是由热冲击引起的龟裂、剥落和渣铁的冲刷蚀损造成的) 。通 过对外加剂系统的研究，调整a 1 2 0 3 一s i c c 的组成比例，控制s i 和c 的相对组 成，并引入其它外加剂等措施以改善组织结构，提高了抗热震性和增强耐渣铁侵 蚀能力【”。 随着高炉大型化以及精料、高压操作和高风温的采用，高炉冶炼不断强化， 铁水温度不断升高，出铁量增加，铁水流速提高，对出铁沟衬的要求更加苛刻。 1 9 9 7 年鞍钢通过对现场浇注料和使用铁沟浇注料预制件的优缺点比较，根据1 0 号 高炉4 个铁口的实际情况，采用了现场浇注铁沟料，取得了较好的结果【9 】。武钢在 1 9 9 8 年之前使用振动式浇注料，浇注料的耐用性受到人为施工质量的影响。自从 采用了自流浇注料( 自流浇注料是依靠自重流动密实而不需要振动施工) ，高炉出 铁沟沟衬的使用寿命得到了显著提高。并且通过调整粒度组成，加入微粉及复合 分散剂等使浇注料达到自流的目的，从而开发了具有低水分、高强度、耐侵蚀性 好的出铁沟浇注料【。 近年来，出铁沟浇注料技术不断更新换代，其使用寿命比原先有了很大程度 的提高，但在渣铁交界处的局部过度熔损仍无法解决，并直接影响了其周期通铁 量。宜兴市宝宜耐火材料厂根据宝钢进口的法国拉法吉公司主沟喷补料体现出的 延长主沟使用寿命，开展了高炉出铁沟喷补料的研制工作，经过一年多的工业性 使用结果表明，采用与出铁沟浇注料相近的a 1 2 0 3 一s i c c 材质研制的出铁沟喷 补料适应冷热态喷补作业，附着率高、耐用性好、使出铁沟的耐火材料消耗进一 步下降【1 l 】。 随着钢铁工业的技术进步，高炉朝着大型化、高效化和长寿化方向发展。高 炉出铁沟浇注料也由过去比较单一的品种向自流浇注料、快干浇注料、捣打料及 免烘烤捣打料的方向转变1 12 1 。2 0 0 2 年上海宝湘耐火材料有限公司为适应大型高炉 的生产能力，开发出了以刚玉为主要原料的低水泥a 1 2 0 3 一s i c c 铁沟浇注料。 利用硅微粉能改善浇注料的流动性，以白刚玉、高铝刚玉、棕刚玉为主原料，选 择合适及适量的硅微粉、炭素材料、口一a 1 2 0 3 微粉生产的低水泥a 1 2 0 3 一s i c c 出铁沟浇注料，在大型高炉上的使用效果良好【13 1 。同年，洛阳耐火材料集团有限责 任公司研究了在a 1 2 0 3 - - s i c - - c 质铁沟浇注料中用m g a i o n 合成原料替代s i c 和 部分刚玉对浇注料性能的影响。得出在a 1 2 0 3 一s i c c 质铁沟浇注料中用适量的 m g a i o n 合成原料代替其中的s i c ，所得制品的显气孔率、耐压强度、抗折强度以 及抗渣性能都有所改善【l ”。 9 鞍山科技大学硬士论文第一章文献综述 到2 0 0 3 年为止，国内大型高炉出铁沟多采用a 1 2 0 3 - - s i c c 质超低水泥浇注 料，虽然效果不错，但耐火材料消耗与国外厂家比较仍然较高，成本增加，工人 的劳动强度较大。武钢根据这种情况，对铁沟浇注料进行了研究，开发了两种新 型浇注料，效果显著。其中快于浇注料使用效果非常理想【1 2 1 。2 0 0 3 年北京科技大 学材料科学与工程学院利用s i 3 n 4 与渣和铁均不能完全润湿、抗侵蚀性能好、氧化 产物能阻碍氧的扩散、起自我保护作用等优点。在高炉出铁沟使用的a 1 2 0 3 - - s i c c 质耐火浇注料中加入了一定量的s i 3 n 4 - - f e ，由于金属塑性相f e 的作用改善了 材料的物理性能，提高了材料的抗氧化性和力学性能【”】。同时，常玉国等针对国 内大中型高炉出铁沟的使用条件，对传统的铁沟浇注料的结构与性能进行了优化。 重点研究了碳化硅超微粉、减水剂和中温烧结剂对浇注料性能的影响【i “。 马钢根据国内中小型高炉较多，并且9 0 以上的中小高炉都是单出铁口或双 出铁口，沟料档次较低，主要使用普通耐火捣打料。又由于生产时需加水搅拌， 为了排除出铁沟料中的结合水和游离水，施工后需要数小时烘烤，才能出铁，而 且此种捣打料使用寿命较短，修沟频繁，因此不能满足单出铁口中小高炉的生产 的需要，劳动强度也较大。开发研制了a 1 2 0 3 - - s i c - - c 质高炉出铁沟用免烘烤捣 打料，施工后无需烘烤就可直接出铁，它能提高出铁沟的使用效率，保证炼铁生 产的正常进行，降低耐材单耗，提高沟衬寿命，降低工人劳动强度，提高高炉炼 铁效率和效益【1 7 】。 国外在高炉出铁沟材质方面也进行了多方面研究，大多采用a 1 2 0 3 一s i c c 质 浇注料和a 1 2 0 3 - - s i 0 2 一s i c c 质浇注料，并且e v r o z l 1 l 【o v 等对a 1 2 0 3 - - s 1 0 2 一 s i c c 质浇注料进行了进一步研究，分别采用口- - a 1 2 0 3 和p - - a 1 2 0 3 代替a 1 2 0 3 进 行实验，得到了很好的效果f ls 】。 随着高炉出铁沟沟衬材质的不断更新换代，高炉出铁沟用浇注料、捣打料、 喷补料性能的不断研究，高炉出铁沟的寿命得到极大提高，成本大量降低，劳动 强度急剧下降。 1 2 3 近年来出铁沟结构方面的研究情况 首钢总公司根据浇注主沟工作衬的损坏特点，把它分为三个区：1 、氧化脱碳 区一耐材内衬在出铁过程中，暴露在空气中的部分；2 、渣蚀区一被炉渣覆盖的部 分；3 、铁水冲刷区一被铁水覆盖的部分。在使用中发现在出铁时，铁水落点直接 冲击主沟底部，加剧了主沟的破损，形成冲击坑，如果不进行及时修补，造成此 处大量存铁影响主沟寿命，严重时烧穿主沟，此坑扩大后，易烧坏炮头，影响堵 鞍山科技大学硕士论文第一章文献综述 1 ：3 ；此外，由于铁沟储铁量小( 仅存l o t ) ，原主沟氧化脱碳区较大，加剧了主沟侵 蚀，又增加工人的劳动强度。 针对这种情况，1 9 9 7 年首钢对1 号高炉出铁沟进行了改造，根据场地的实际状 况，将原出铁沟形式改为贮铁式出铁沟。出铁沟的改造，采用原主体结构，只对 钢结构外增力n s o o m m 的永久挡墙，同时将结构压沿变窄，避免浇注料热胀变形： 加宽了主沟，铁水熔渣的流速大大减慢，使铁水的冲刷减少，同时有利于渣铁分 离，在主沟主冲击区铁水的冲击力被贮存的渣铁水消耗，使这一部位的侵蚀变得 均匀、缓慢；加宽加大了小井，使铁流稳定，易拔模和清除积渣铁操作；增大了 过眼流通面积，使过眼内铁水的流速减慢，贮铁量增加，相应蓄热量增加，有利 于延长出铁时间。 通过改造。铁水的冲击落点在铁水液面上，主沟的损坏得到减缓，中间不需 进行捣打料修补与维护，储铁沟存铁2 5 t ，不使用保温剂，两次铁的间隔时间可达 至1 1 2 h 以上，主沟的使用寿命得到了延长【1 9 1 。 鞍钢l o 号高炉原主铁沟长1 3 米，前后宽度一样。由于距离铁口近的部位直接 接触带有压力的渣铁流，渣铁在沟子前端回旋，对沟壁冲刷相对后面剧烈，侵蚀 速度快。每次堵铁口后，要在泥炮身上打水冷却，冷水流进沟子前端，又造成上 部耐火材料经常性的急冷急热，容易生产裂缝。水与沟子料接触频繁，产生化学 反应，加速了沟料氧化破损速度。经过对这种现象的不断研究，1 0 号高炉采用了 改进出铁沟形状的措施，在前端6 米内两侧分别加宽2 0 0 r a m ，去除耐火砖，充填浇 注料作永久层【2 0 1 。使出铁沟前后使用周期趋于接近，延长了整条出铁沟的使用周 期。 鞍山科技大学硕士论文 第二章实验内容和方法 2 1 水模实验方法 2 1 1 水模实验简介 第二章实验内容和方法 水模实验的基本方法是：根据相似原理建立一个与原型相似的实验模型，并 以水来模拟原型里的流体，来研究流体在模型中的动力学特征。通过在实验室内 研究模型的动力学特征及相关参数，来研究原型相关参数。 冶金反应大多数在高温下进行，对高温下冶金过程流体的流动，混合、传质、 颗粒和气泡的运动等进行测量，往往遇到某些困难【2 ”。由于这种原因，人们经常 采用冷态模化法，即根据相似原理建立模型在室温条件下作模拟实验，对认识高 温下冶金过程的动力学现象和原理有很大帮助。其中水模实验是一种应用很广泛 的实验方法，因其具有实验强度低，经济有效等优点，在冶金实验方面已经得到 了普遍的应用。 2 1 2 水模实验在冶金上的应用 水模实验应用十分广泛，在冶金方面更是得到了广泛的应用。1 9 9 5 年，天铁 炼钢分厂对溅渣护炉进行了水模实验，主要考察顶吹气体射流对熔渣的冲击作用， 根据相似原理，满足原型和模型的几何尺寸形似和动力学条件相似。确立了该厂 溅渣护炉的工艺参数，并指导实际生产，取得了良好的效果【2 2 1 。1 9 9 6 年周俐等以 马钢三钢厂7 0 吨钢包为原型根据相似理论，对吹气搅拌的l f 炉，除做到模型和 原型的几何相似外，还保证了修正佛鲁德准数( f r ) 相等，即： f ，+ ： 旦! ! ： ( 2 1 ) g d ( p 2 一卢1 ) 式中： “一特征速度； d 一特征尺寸； p ，一液体的密度； 以一气体的密度。 通过定量注入饱和k c l 溶液，用d j s 一1 电导电报，v d s 1 1 a 电导率仪记 录模型中水的电导率的变化，并用函数记录仪记录其变化曲线，然后计算混匀时 间，找出了最佳的供气位置【2 3 1 。1 9 9 7 年又进行了向中间包内吹入惰性气体的水模 鞍山科技大学硕士论文第二章实验内容和方法 实验研究，根据相似原理，采用近似模化的方法，用水模拟钢液，在模型与原型 几何相似的情况下，保证模型与原型的佛鲁德( f r ) 准数相等。提出了净化钢液的 吹气工艺及设备参数，为进一步进行工业性试验提供了理论依据【2 4 1 。1 9 9 8 年以武 钢一炼钢厂的m y f 型方坯连铸机使用四流中间包为原型，根据几何相似与动力相 似的准则，按原型的l ：2 比例制作了有机玻璃的中间包水模装置。采用了染色法、 粒子示踪测速法、停留时间分布曲线( r t d ) 测量法和粒子捕集法对流场进行测 试，为现场提供了中间包控流得依据和方案【2 ”。 2 0 0 2 年张立等通过水模实验，研究了湍流控制器对连铸中间包流体流动的影 响。将原型中间包按l ：3 的比例缩小，保持原型和模型几何相似，保证原型和模 型的f r 数相等。模型中间包用有机玻璃制成，用水作为模拟钢水的介质。通过测 定中间包流体流动的停留时间分布曲线，研究中间包采用湍流控制器对中间包流 体流动特性的影响。在实验过程中保持钢包和中间包液面恒定，使流动处于稳定 态。开始实验测定时，从钢包长水口向注流加入2 0 0 m l 的k c i 溶液作为示踪剂。 利用放在中间包水口处的d j s 1 型铂黑电极测定从中间包水口流出的流体的电导 率随时间的变化，得到中间包流体流动停留时间分布曲线。 根据停留时间分布曲线的测定，得到了从加入示踪剂到示踪剂流至中间包水 口时的最小停留时间和示踪剂浓度达到最大时的峰值时间。通过对停留时间分布 曲线积分，得到各流体微元在中间包的实际平均停留时间，从而得到分散活塞流 体积、死区体积和完全混合流体积各自占中间包流体体积的百分率【2 6 】。 2 0 0 3 年职建军等对对宝钢连铸一分厂6 0 t 中间包进行了l ：3 水模实验。该实 验将中间包内注入一定量的清水，然后加入饱和盐溶液，并使之与中间包内的清 水混匀，然后打开钢包长水口阀与中间包水口阀，同时打开记录仪，按实验预定 要求调节阀门开度直至中间包液位稳定。中间包内的浓度信号是通过安装在其一 流的水口中的两根探针检测。探针检出的信号送入电导率仪，其上的电压信号再 输出到电压讯号记录仪，进行浓度信号的采集及浓度曲线的记录。研究了不同的 中间包钢水量在不同的拉速情况下的中间包内钢水混合行为1 2 ”。 2 0 0 3 年刘爱华等以优化l b e 转炉吹炼工艺为目的，根据相似原理，加入4 0 m l 饱和的n a c l 水溶液作为示踪剂，测定示踪剂在水中的浓度随时间的变化，从而得 到不同吹炼工艺条件下熔池的混匀时间。研究了影响熔池搅拌的各工艺参数，主 要包括顶枪枪位、底吹位置布置方案、底吹气体流量、顶吹气体流量与混匀时间 的关系【2 引。 在国外，水模实验也得到了极其广泛的应用。j m h a r m a n 和a w c r a m b 通过 水模实验研究了在高速连铸机中形核过程。根据几何相似原理和动力学相似原理， 鞍山科技大学硬士论文第二章实验内窖和方法 分别采用水玻璃和水模拟渣和铁，实验装置如图2 1 所示。 运五超萄磊i 越碗 根据此实验，得出了影响形核开始的关键环节是深度和密度。得到了一系列 的参数，对连铸生产质量提出了一个关键性问题”。 通过上述水模实验研究，可以看出水模实验在冶金方面有好的应用，可以通 过在室温条件下研究高温情况下流体的流动状态及相关参数。 2 2 实验目的和原理 2 2 1 实验目的 利用水模模型实验对鞍钢1 0 号高炉出铁沟内铁水流动情况进行模拟。分析铁 沟内铁水的流动状态。研究不同类型铁沟残留铁水的替换时间以及铁水对不同类 型铁沟的冲剧情况，并且根据铁水在铁沟内的停留时间分布曲线研究在铁沟内进 行化学反应的情况。 2 2 2 实验原理 2 2 2 1 相似原理邯3 5 1 相似第l 定理： 彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准数。不可压缩粘性流体的不稳定 等温流动的四个相似准数： 均时性准数：凡= 兰= 不变量 鞍山科技大学硕士论文第二章实验内容和方法 雷诺准数：r e ：旦丝：不变量 佛雷德准数：乃：墨拿：不变量 “一 欧拉准数：e u ：罢：不变量 棚 其中： 均时准数h o 表示速度场随时间改变的快慢。 佛雷德准数( f r o u d e ) 表示重力与惯性力的比值。 欧拉准数e u 表示流体的压强与惯性力的比值。 雷诺( r e y o n d ) 准数表示流体流动的惯性力和粘滞力的比值。 相似第2 定理： 米哈依洛夫的说法为相似第二定理确定了应用由微分方程所导出的相似准则 的函数形式，来表示积分结果的可能性。 基尔皮乔夫的说法为对相似现象群，在形式上相同的方程组可以转变为相似 准则、简单数群以及包含在单值条件内的常数之间的关系方程式，且对整个现象 群这种方程组在数值上也是相同的。 相似二定理认为：凡同一种类的现象，若单值条件相似，而且由单值条件的 物理量所组成的相似准数在数值上相等，则这些现象必定相似。 相似条件1 ：由于彼此相似的现象是服从于同一自然规律的现象，故都用完全 相同的基本方程组来描述。因此相似的第一个必要条件是描述现象的基本方程组 完全相同。 相似条件2 ：单值条件相似是现象相似的第二个必要条件。 相似条件3 ：有单值条件的物理量所组成的相似准数在数值上相等是现象相似 的第三个条件。 相似第3 定理： 描述某种现象的各种量之间的关系可表示成相似准数牙。，万：万。之间的函数 关系。 由相似三定理可以分析出： 相似第一定理指明，实验时，必须测量出各相似准数所包含的一切的量。 相似第二定理指明，实验时，为了保证模型与实物现象相似，必须使单值条 件相似，而且有单值条件组成的定性准数在数值上要相等。 相似第三定理指明，必须把实验结果整理成准数方程。它是在实验条件下得 鞍山科技大学硕士论文 第二章实验内容和方法 到描述该现象的基本微分方程的一个特解，并可以推广应用到于模型相似的一切 现象中去。 2 2 2 2 满皋流动相似的充分必要条件2 1 3 0 3 1 1 根据相似第二定律，满足流动相似的充分必要条件： 1 、模型中的流动与实物中的流动应被同一完整的方程组所描述。只有当模型 内与原型内的流动介质属于同类时，才能实现。否则它们的物理特性与温度的函 数关系就不会相同； 2 、模型与实物流体通道的内轮廓几何相似； 3 、模型与实物中对应截面或对应点上流体的物性( pv ) 相似； 4 、模型与实物入口，出口截面处的速度分布相似； 5 、模型流动与原型流动的初始条件相似； 6 、模型与实物定性准数的数值相等。 由于粘性流体在流动时具有“稳定性”和“自模化性”，就使得模型研究不必严格 遵守相似第二定理提出的相似条件。 1 、稳定性。大量实验表明，粘性流体在管道中流动时，不管入口处速度分布 如何，流经一段距离后，流体速度的分布形状就固定下来。粘性流体在复杂形状 的通道中流动也具有稳定性特征。所以，在进行模型实验时，只要在模型入口前 有一段几何相似的稳定段，就能保证进口速度分布相似。同样，出口速度分布的 相似也不用专门考虑，只要保证出口通道几何相似即可。 2 、自模化性。决定流体流动状态的是r e 数。当r e 数小于某一定值时( 称为 “第一临界值”) ，流动呈层流状态，其速度分布彼此相似，与r e 数值的大小无关。 这种特性称为“自模化性”。当r e 数大于第一临界值，流动处于由层流到湍流的过 渡阶段。流动进入湍流状态后，若r e 数继续增加，它对湍流程度及速度分布的影 响逐渐减小。当达到某一定值( 称为“第二临界值”) 以后，流动又一次进入自模化 状态，即不管r c 数多大，流动状态与速度分布不再变化，都彼此相似。通常将 r e 数小于第一临界值的范围叫“第一自模化区”，而将r e 数大于第二临界值的范围 叫“第二自模化区”。 2 2 2 3 近似模化法f 2 1 , 3 1 实际上，要完全满足上述条件也是很困难的，有时甚至是办不到的。对于不 可压缩粘性流体的等温流动，要同时保证模型与实物中的r e 数和f r 数相等，对 1 6 鞍山科技大学硕士论文第二章实验内容和方法 模型设计是有矛盾的。当模型与实物的几何尺寸的比例不是1 ：l 时，是很难实现的。 因此为使模型研究得以进行，就必须采用近似模型研究的方法。所谓近似模化法， 就是在考虑模型研究时，分析在相似条件中哪些对过程是主要的，起决定作用的； 哪些是次要的，不起决定作用的。对前者要尽量加以保证，而对后者只作近似的 保证，甚至忽略不计。 2 2 2 4 近似模化法在冶金中的应用【2 1 ，3 1 】 冶金问题所涉及的相似准数很多，研究不