210t钢包底吹气过程传输现象的水模型研究_单庆林.pdf

基金项目：河北省自然科学基金资助项目（）；河北省省级科技计划资助项目（）通信作者：陈威（），男，博士，讲师；：；收稿日期：钢包底吹气过程传输现象的水模型研究单庆林，孙宇，段豪剑，李中华，贾宁，陈威（唐山钢铁集团有限责任公司 技术中心，河北 唐山 ；河北省高品质钢连铸工程技术研究中心，河北 唐山 ；北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 ；燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 ）摘要：通过建立 水模型对某厂 钢包底吹过程流场、混匀时间和渣眼分布进行了研究，讨论对比了不同钢包底部吹气流量、吹气位置和吹气孔夹角的影响。结果表明，吹气孔径向位置越靠近壁面，钢包内流体流动速度越大。混匀时间整体上随着吹气流量的增大而减小，并且在小吹气流量情况下混匀时间下降幅度较大，而在大吹气流量情况下混匀时间下降幅度较小；吹气孔间夹角不变时，混匀时间随着吹气位置离钢包中心的距离增加而减小；大吹气流量下吹气孔间的夹角的变化对钢包内流体混匀时间影响较小；通过不同吹气孔径向位置及夹角流场 测量及混匀时间试验得出的最佳吹气分布位置为（，）。相较于吹气孔位置的影响，吹气流量是决定渣眼面积大小的关键因素。渣眼面积随着吹气流量的增大而增大，但当吹气流量大于 后，渣眼面积的变化趋于平缓。关键词：混匀时间；吹气夹角；吹气位置；吹气流量；钢包水模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，（，），年月第 卷 第期炼钢 ：；钢包吹氩可以促使夹杂物上浮去除、均匀钢液温度和成分以及促进钢渣反应强度等，因此被广泛应用于炉外精炼过程。不同吹气参数如吹气孔数量、吹气孔位置及夹角、吹气流量以及钢包结构尺寸等对吹氩精炼效果有直接影响，所以对钢包吹氩精炼过程吹气参数进行优化研究对提高钢液洁净度及缩短精炼周期有重要意义。由于钢包精炼过程的高温、高压特性以及测量手段的局限性，数值模拟及物理水模型模拟成为研究钢包吹气搅拌过程的主要方法。物理模拟过程可以通过直接观察和测量研究钢包吹氩过程流场分布及混匀情况等，也可以为数值模拟提供验证结果，因此被广泛用于钢包吹氩精炼过程参数优化。时朋召等人对 钢包建立 水模型发现底吹位置不同时混匀时间存在明显差异。周同军通过 的钢包底吹氩水模型发现钢包混匀时间随双透气砖与包底中心距离的增加而缩短，随吹气流量的增大而逐渐减少。赵根安等人则研究了不同双孔底吹气钢包水模型比例对混匀时间测量误差的影响 以及单吹气孔直径对流动 的影响。不同钢包尺寸和结构下最优参数也不尽相同 ，如董鹏莉等人 的研究表明底部两个吹气孔夹角为 时最优，张真铭 和 等人的研究表明底部两个吹气孔夹角为 时最优，而宿立伟 和朱苗勇 等人的研究表明底部两个吹气孔夹角为 时最优。因此，为了得到不同吹气流量、位置和夹角等底吹参数对某厂 钢包内钢液速度、混匀时间和渣眼面积的影响，本研究首先建立 钢包吹氩水模型，随后通过 测速仪、电导率仪和高速摄像机定量研究了以上吹气参数对流场、混匀时间以及渣眼面积的影响，并得到了优化后的参数组合。混匀时间水模型试验方法 水模型尺寸本研究以唐钢新区 钢包为原型，根据相似原理构建相似比为 的有机玻璃钢包水模型，通过底部双吹气孔吹入压缩的空气来模拟在实际生产中通过透气砖吹入氩气进行搅拌的底吹环节，讨论了不同吹气流量、吹气孔夹角和位置对钢包混匀时间分布的影响。钢包及吹气孔分布如图所示，钢包的原型和水模型尺寸见表。钢包底部吹 气 孔 分 别 布 置 在 半 径 为 、三个位置处，同时试验时设置双底吹孔夹角为 、和 ，具体如图右侧中标号 及个角度所示。图钢包及吹气孔分布示意图 炼钢第 卷表钢包尺寸及水模型尺寸 参数原型尺寸水模型尺寸钢包顶部直径 钢包底部直径 液位高度 吹气孔直径 水模型模拟根据几何相似和动力学相似原理来确保与原型在相似指数上达到统一。由于原型和水模型中的流体流动状态都是湍流，因此可以忽略雷诺数相似产生的影响。只需要考虑两者修正后的弗劳德准数相等，即可确定原型与水模拟流体流动现象之间的一致性，即：（）（）（）（）式中：下标、分别表示水模型、原型参数；下标、分别表示液相、气相；为密度，；为速度，；为特征长度，；为黏度，；为弗劳德准数；为几何相似比。对于水模型和原型的吹气流量，应满足公式（）。.（）式中：为 气 体 在 模 型 尺 寸 下 的 吹 气 流 量，；为气体在实际模型尺寸下的吹气流量，。流场、混匀时间及渣眼分布测量本研究通过 测速系统测量不同吹气参数下钢包内流场分布。其测量原理为加入示踪剂粒子后通过高速摄像机连续拍摄钢包内两相流流场，然后通过对拍摄的图像进行分析与处理，得到两帧图像间流体移动的位移分量，最终计算获得速度矢量分布。水模型的混匀时间通过电导率法进行测量，其原理为加入示踪剂粒子，从而改变水模型内流体的电导率值，通过 试验仪器检测水模型内流体电导率值的变化。采用 规则，即当电导率波动值的变化范围在电导率稳定值的以内，认为水模型内部流体达到了混匀状态。采用饱和氯化钾溶液作为示踪剂粒子，通过吹气孔鼓入压缩的空气模拟钢包原型底吹氩气，每次通入气体后等待 ，使得流场达到稳定状态再从钢 包 顶 部 中 心 垂 直 向 下 通 过 注 射 器 注 入 的饱和氯化钾溶液 。试验过程中保持探头位置不变，且个探头分别位于液面高度（如图中编号和）和距钢包底部 处的圆周上（如图中编号和）。每组工况进行次平行试验，测得的混匀时间取平均值，减少试验的偶然性。图测量位置示意图 渣眼分布测量时将密度和运动黏度分别为 和 的机油沿着钢包包壁缓缓倒入，防止油滴因初速度过快在钢包流体内部形成悬浮物。待机油全部倒入钢包液面表面时，等待 ，使流场趋于稳定。再使用照相机在固定高度处拍摄照片，每次拍摄张照片，利用 软件计算张照片的渣眼面积并取平均值，作为此工况下的实际渣眼面积。不同吹气参数对钢包内流场分布的影响图显示了固定吹气位置（，）不变条件下，不同吹气流量对钢包内流场分布的影响。可以看出，随着吹气流量的增大，钢包内流体流动速度逐渐增大，死区面积逐渐减小。吹气流量在 内，流场形态未发生明显改变。整体流场在两个吹气孔吹气的作用下形成明显的左右两个漩涡。图定量对比了吹气流量对中心截面上 处速度大小的影响。吹气流量主要是对钢包上部流场的流动速度影响较大，对下部流场的流动速度影响相对较小。并且当吹气流量大于 时，继续增大吹气流量对速度的变化影响较小。图显示了保持吹气流量为 不变条件下，不同吹气孔夹角对钢包内流场分布的影响。结果表明，吹气孔夹角为 时速度明显大第期单庆林，等：钢包底吹气过程传输现象的水模型研究图吹气流量对流场的影响 于夹角为 时的速度，尤其在钢包内部速度差异更为明显。如图所示，当双孔夹角取到 时，处的流场速度最大值约为 ，而 夹角时流场速度峰值约为 ，两者相差倍左右。以上结果表明吹气孔夹角大于 有利于吹气对钢液的搅拌混匀。图显示了保持吹气流量为 、吹气孔夹角 和其中一个吹气孔位置 不变条件下，另一个吹气孔位置从中心向钢包边部变化对流场的影响。图 中速度大小明显小于图 和图 中速度，这是因为当两个吹气孔距离较近时，相互影响也较大，导致速度较小。而吹气孔之间距离增大时，相互作用减弱，速度也相应增大。图定量对比了不同吹气位置下中心截面上 处速度的大小，结果表明吹气位置为（，）时速度最大。不同吹气参数对混匀时间的影响图显示了不同位置和夹角对混匀时间的影响。可以看出，混匀时间随着吹气流量的增大而 炼钢第 卷图吹气流量对中心截面上 处速度大小的影响 图吹气孔夹角对流场的影响 图吹气孔夹角对中心截面上 处速度大小的影响 逐渐减小。两个吹气孔位置为 时，吹气孔夹角为 时混匀时间最短。而两个吹气孔位置为 和 时，吹气孔夹角为 时混匀时间最小。当吹气流量大于 时，两个吹气孔夹角 、和 情况下，吹气孔径向位置均为 时的混匀时间整体上都小于吹气孔径向位置均为 和 的工况，即混匀时间随着两个吹气孔离钢包底部中心径向距离的增大而缩短。此外，可以看出两个吹气孔径向位置均为 时，混匀时间随着吹气流量的增大而明显降低。而两个吹气孔径向位置均为 和 的时，随着增大吹气量至 以后，混匀时间降低幅度较小，甚至有轻微增大的现象。图 对比了两个吹气孔夹角为 时，吹气孔径向位置对混匀时间的影响。整体上来看，其中一个吹气孔径向位置为 或 时，混匀时间 随 另 一 个 吹 气 孔 径 向 位 置 从 至 和 的增大而减小。而当一个吹气孔径向位置为 时，混匀时间随另一个吹气孔径向位置从 至 和 的增大先减小后增大。当吹气流量小于 时，两个吹气孔位于（，）时混匀时间最小。而当吹气流量大于 时，两个第期单庆林，等：钢包底吹气过程传输现象的水模型研究图吹气孔位置对流场的影响 图吹气孔位置对中心截面上 处速度大小的影响 图不同吹气位置时夹角对混匀时间的影响 吹气孔位于（，）时混匀时间最小，但是其他流量下吹气孔位于（，）时，混匀时间明显大于其他工况。因此，混匀时间测量结果表明两个吹气孔位于（，）时较优。炼钢第 卷图 和固定一个吹气孔位置下另一个吹气孔位置对混匀时间的影响 不同吹气参数对渣眼分布的影响图 对比了吹气流量 下吹气径向位置和夹角对渣眼分布的影响。可以看出随着吹气孔夹角的增大，吹气形成的两个渣眼之间距离增大。但是随着吹气孔径向位置的增大，两个渣眼之间距离增大的效果逐渐减弱。将图 中渣眼面积进行定量测量后可以得到不同吹气位置下渣眼面积占钢液面面积比例的分布，结果如图 所示。可以看出两个吹气孔夹角为 时，吹气位置为（，）时渣眼面积最小，而当两个吹气孔夹角为 和 时，其渣眼面积最大。吹气位置对渣眼面积有一定影响，但变化范围在 内，整体变化不是很大。图 结果表明两个吹气孔位置都为 时渣眼面积图 吹气流量 吹气径向位置和夹角对渣眼分布的影响 第期单庆林，等：钢包底吹气过程传输现象的水模型研究图 吹气流量 吹气位置夹角对渣眼面积比例的影响 较大，而先前混匀时间结果表明两个吹气孔位置都为 时混匀时间小，钢液流动性好。因此，在实际钢包精炼过程时，建议将两个吹气孔位置均布置在 以减小混匀时间，均匀钢液成分和温度，同时适当降低吹氩流量避免渣眼过大和对钢包壁面的冲刷程度过大。图 对比了两个吹气孔位置为（，）时吹气流量对渣眼面积的影响。可以看出，渣眼面积先随着吹气流量的增大，但增大幅度逐渐减小。当吹气流量小于 时，渣眼面积随着吹气流量的增大而明显增大，但当吹气流量大于 之后，渣眼面积随着吹气流量的增大而趋于平缓。图 吹气流量对渣眼面积比例的影响 结论）吹气孔径向位置越靠近壁面，钢包内流体流动速度越大，容器内流体流动性增强。混匀时间随着吹气流量的增大而减小。在小吹气流量情况下（），吹气流量对钢包内流体混匀时间的影响较大，即混匀时间下降幅度较大；而在大吹气流量情况下（），吹气流量对钢包内流体混匀时间的影响较小，即混匀时间下降幅度较小。）当吹气流量大于 时，吹气孔径向位置均为 时的混匀时间整体上都小于吹气孔径向位置均为 和 的工况，即混匀时间随着两个吹气孔离钢包底部中心径向距离的增大而缩短。）吹气孔的径向分布位置一定时，大吹气流量下吹气孔间的夹角的变化对钢包内流体混匀时间影响 较 小；小 吹 气 流 量 情 况 下，吹 气 位 置 为 时，钢包内流体混匀时间在两吹气孔间夹角为 时最小，而吹气位置为 和 时，钢包内流体混匀时间在两吹气孔间夹角为 时最小。）通过不同吹气孔径向位置及夹角流场 测量及混匀时间试验得出的最佳吹气分布位置为（，）。）相较于吹气孔位置的影响，吹气流量是决定渣眼面积大小的关键因素。渣眼面积随着吹气流 量 的 增 大 而 增 大，但 当 吹 气 流 量 大 于 后，渣眼面积的变化趋于平缓。致 谢本文作者感谢河北省自然科学基金资助项目（项目号：），河北省省级科技计划（项目号：），燕山大学高钢中心（），北方工业大学高钢中心（），河北省先进制造用高品质钢铁材料制备与应用技术创新中心，河北省先进制造用高品质钢铁材料开发与智能制造国际联合研究中心。参 考 文 献 ，（）：，炼钢第 卷 ，（）：，（），（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：时朋召，田玉石，徐李军，等 钢包底吹氩气物理模拟中国冶金，（）：周同军 钢包双透气砖底搅拌物理模拟研究与应用宝钢技术，（）：赵根安，张立峰，等钢包水模型比例对混匀时间测量误差的影响中国冶金，（）：赵根安，张立峰，等吹气孔直径对钢包模型内流动的影响中国冶金，（）：，（）：，（）：，（）（），（）：董鹏莉 钢包底吹工 艺优 化 物 理 模 拟 钢 铁，（）：张真铭，蔡茜娜，熊辉辉，等 钢包底吹氩工艺优化水模型研究特殊钢，（）：，（）：宿立伟，程树森，成国光 炉吹氩数值模拟研究中国稀土学报，（）：朱苗勇，井本健夫，肖泽强多孔喷吹钢包内流动和混合过程的数学物理模拟金属学报，（）：（上接第 页），：王国承，周海忱，刘发友，等钢包内气泡的形成与运动过程的数值模拟钢铁，（）：左晶，王娟，王江云，等采用群体平衡模型模拟多段环流反应器内的气液 两 相 流 动 石 油 学 报（石 油 加 工），（）：，（）：王波，沈诗怡，阮琰炜，等冶金过程中的气液两相流模拟金属学报，（）：，（）：毛在砂颗粒群研究：多相流多尺度数值模拟的基础过程工程学报，（）：周强，郭晓峰，李军，等竖直上升气液泡状流数学模型封闭的研究化工进展，（）：许联锋，陈刚，李建中，等气液两相流中气泡运动速度场的 分析与研究实验力学，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：第期单庆林，等：钢包底吹气过程传输现象的水模型研究