铁水罐侧吹辅助扒渣水模实验研究

仇东丽1，沈巧珍1，彭  琦1，阳  方1，刘路长2，赵  元2

(1．武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉430081；    2．武汉钢铁(集团)公司 第三炼钢厂，湖北 武汉430080)

摘  要：针对颗粒镁脱硫工艺存在的渣稀量少、不易扒尽，导致转炉回硫率高等问题，对铁水罐侧吹辅助扒渣进行水模实验研究，确定透气砖合理的安装位置和侧吹气体流量，以提高和改善颗粒镁脱硫后的扒渣效率。

关键词：铁水罐；透气砖；辅助扒渣

中图分类号：TF301  文献标识码：A文章编号：1002—1043(2009)05—0028—04

       脱硫与扒渣是两个相互独立、且又紧密联系的铁水脱硫预处理工艺操作，前者决定了处理终点铁水含硫的水平，而后者是将脱硫处理后的高硫渣从铁水中去除的重要手段，是决定入炉硫总量的主要因素。如果脱硫产物得不到有效去除，那么再好的脱硫工艺也不能充分发挥作用。因此，采用先进的扒渣设备与工艺对系统控硫与降低生产成本是十分必要的^[1]。

       某炼钢厂现采用喷吹颗粒镁脱硫工艺，由于颗粒镁脱硫渣量小，脱硫后的渣稀，流动性好，不易扒尽，致使脱硫后的渣被带入转炉，造成转炉出钢时硫含量偏高，成为生产低硫钢的限制环节。改造前该厂已采用了侧吹扒渣操作工艺，但驱渣扒渣效果不理想，未能很好解决回硫问题，铁损大且扒渣时间过长，因而有必要对其驱渣工艺做进一步的优化与改进。

1  水模实验

       为了更好地将铁水罐中的含硫渣吹到铁水罐边缘，利于将脱硫渣去除干净、缩短扒渣时间和降低扒渣铁损，进一步了解侧吹辅助扒渣时罐内铁水的流动状态及渣液的迁移规律^[2]，应用相似原理，进行水力模型实验。

1．1  实验原理

       通过水模实验研究铁水罐内侧吹驱渣效果，为使模型与原型的流体运动规律相似，除应满足几何相似外，还应保证动力相似。研究铁水罐内驱渣时的状况，主要考虑气体在喷吹过程中给予铁水的搅拌作用。本实验条件下，流体流动的惯性力与重力相比起着决定性作用，因此，采用修正的弗鲁德准数为相似准数。使模型与原型几何相似，动力相似。

       依修正弗鲁德准数相等：

       式(1)中，u_原型、u_模型为氮气、空气流速，m／s；ρ_l原型、ρ_l模型为铁水、水的密度，kg／m³；ρ_g原型、ρ_g模型为氮气、空气的密度，kg／m³；g为重力加速度，m／s²；H_原型、H_模型为原型、模型的熔池深度，m。

        特征速度况可由下式给出：

      u=4Q／(πd²)    (2)

       式(2)中，Q为气体体积流量，m³／h；d为侧吹透气砖有效直径，m。

       则由式(1)及(2)可得：

       式(3)中，Q_模型为模型气体体积流量m³／s；Q_原型为原型气体体积流量，m³／s。

       由式(3)可计算出模型中的气体体积流量。

1．2  实验方法及装置

       实验过程中，用水模拟铁水，油模拟渣，先将水装至指定高度，然后将罐体倾斜，称取一定重量的油，沿内壁缓缓倒入罐中，待油层均匀平铺后，开始吹气，观察油层被吹开的状态，用摄像机拍摄记录。应用CAD软件获取油层被吹开的面积，每次实验取3组图片，取吹开面积的平均值。实验装置示意图如图1所示。实验方案见表1。

2  实验结果与分析

       实验发现，从透气砖喷出的气体沿罐壁上升，在上升过程中带动渣液运动，使得渣液面被吹开，最终将渣聚集在一起，因而在罐的后方形成一定面积的无渣区域。同时由于罐是倾斜的，气体上升的路线并不是沿着罐的母线，而是从液面浅的位置涌出，这易导致整个液面出现循环。

2．1  喷吹流量对驱渣效果的影响

        在研究喷吹流量对驱渣效果的影响时，保持透气砖位置不变，将喷吹流量依次变化，图2即为单、双吹条件下喷吹流量对驱渣效果的影响。由图可知，无论单吹或双吹条件下，随气体流量的增加，气体对液体的搅拌能力增强，气体吹开的渣面面积增加。但当气体流量达到一定值时，再增大气体流量驱渣面积变化不大而喷溅作用明显加强。

       从图2(a)可见，采用单吹模式，透气砖在α₁位置时，喷吹流量与吹开面积基本呈线性关系；在α₂、位置时，喷吹流量与吹开面积曲线在2．0 m³／h出现拐点；在α₃位置时，喷吹流量与吹开面积曲线在1．5 m³／h出现拐点。即在拐点前随着气体流量的增加，吹开面积明显增加；在拐点后，随着气体流量的增加，吹开面积增加缓慢，驱渣效果改善不大。这是因为气体流量过大时，气泡积聚，对液体的带动作用难以得到有效加强，降低了驱渣效果。因此在其它参数一定时，不宜过分提高气体流量，否则会引起喷溅和铁水温降增加。

       从图2(b)可以看到，采用双吹模式时，透气砖按α₁／α₂，α₂／α₃布置时，随着喷吹流量的增加，吹开面积的增长趋势变缓；用α₂／－α₂布置时，喷吹流量与吹开面积基本呈线性关系。这是因为α₁／α₂，α₂／α₃安装方式是在同一侧，而α₂／－α₂为对称布置，这导致了在喷吹过程中，能量损失不同，因而对吹开面积的影响规律略有不同，双喷嘴喷吹驱渣同样是随着流量的增加，吹开面积呈增大趋势。但双喷嘴喷吹的流量为单喷嘴的两倍，吹开面积的增加却并不明显。

2．2  透气砖位置对驱渣面积的影响

       在研究透气砖位置、布置方式对驱渣面积的影响时，保持喷吹流量不变，依次改变透气砖的位置α₁，α₂，α₃，图3即为单、双吹条件下透气砖位置、布置方式对驱渣效果的影响。

       由于在扒渣过程中，铁水罐是处于倾斜状态，所以不同的安装位置直接影响了从透气砖出来的气体上升到液面的路程。由图3可知，无论单吹或是双吹条件下，基本上透气砖安装位置的深度越大，气体吹开的渣面面积就越大，这是因为安装深度越大，气泡的上浮距离就越大，上浮过程中浮力所做的功就越大，因此在液面处流体的流动速度就越大，带动渣层运动的能力就越大，驱渣效果就好一些。

       从图3(a)可见，随着透气砖安装深度的逐渐增大，液面的吹开面积不断增加，并且位置的变化导致吹开面积的增加要比喷吹流量的增加导致吹开面积的增加幅度要大得多。喷吹流量从0．3m³／h增加到1 m³／h时，吹开面积平均增加了673．80 cm²，而透气砖位置从α₁改变到α₃时，吹开面积平均增加了1 320．49 cm²，接近流量增加的两倍。透气砖合理的安装位置可以使其在较小的气体流量下取得好的驱渣效果。

       从图3(b)可见，由于α₂／α₃的总体安装深度比α₁／α₂大，所以吹开面积也相应增加；α₂／－α₂是对称布置，它的吹开面积与α₂／α₃的吹开面积比差别不大。整体上看，双吹布置方式的变化对吹开面积的影响与流量变化对吹开面积的影响相比并不明显。这说明采用双喷吹模式，气体中大量的能量损失掉了，没有用于增加驱渣面积。因而，优化后的驱渣方式采用单吹，透气砖位置安装在α₃处。

3  水模实验优化前后驱渣效果对比

       优化前后驱渣面积和驱渣效果比较如图4～5所示。从图4可见，优化后流量在1．0 m³／h时的驱渣效果已经远远超过优化前流量在1．5 m³／h时的驱渣效果。图5为优化前后相同喷吹流量下的驱渣效果。优化前，驱渣面积较小，近似椭圆形，罐壁有积渣，不利于扒除；优化后驱渣面积明显变大，并且呈M形，利于缩短扒渣行程，提高扒渣效率。

4  工业试验

       现场铁水罐依实验结果调整喷吹位置及流量后，铁水罐内吹开渣面变大，脱硫渣更集中在罐嘴处，易于扒除，实现了干净扒渣、扒渣周期短和温降小的预期目的，有效控制了回硫。低硫铝钢的平均扒渣时间由优化前的平均20．25 min／次降至优化后的1 1．42 min／次，具体使用效果见表2。

5  结  论

       通过对铁水罐侧吹驱渣水模实验研究，测定了不同流量、不同透气砖位置情况下的驱渣效果，确定了最佳的喷吹流量和透气砖安装位置。经实验研究及分析，得到以下结论。

       (1)随喷吹流量的增加，铁水罐驱渣面积增大；当气体流量增大到一定数量时，对驱渣面积的影响不大，过大的气体流量易造成铁水的喷溅。

       (2)透气砖距液面的距离增大，吹开面积增加，依实验结果，透气砖的合理安装位置为α₃。

       (3)单吹比双吹效果好。双吹会有部分能量损失在两个气流的相撞中。单吹驱渣气体流量的合理范围为1．0～1．5 m³／h。

       (4)工业试验证明，优化后铁水罐内的驱渣效果明显改善。扒渣时间明显减少，使生产顺行且降低了出钢回硫率，减少了铁水温降。

[参考文献]

[1]  马传凯，李镇，张志文，等．鞍钢铁水脱硫吹渣发展综述[J]．中国冶金，2004，(8)：10—13．

[2]  杜秀峰，于学斌，赵继宇，等．铁水罐采用吹气辅助除渣工艺的研究[J]．河南冶金，2006，(14)：32—35．