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转炉熔池中废钢的运动的情况探讨

杨文远1，张先贵2，王明林1，高卫涛1，崔怀周1，白宇1

(1.中国钢研科技集团有限公司钢铁研究总院，北京 100081；2.武汉钢铁(集团)公司炼钢总厂，武汉 湖北 430080)

摘 要：根据相似原理计算了水模喷吹参数，第一次模拟并拍照了在不同熔池搅拌能量条件下，转炉熔池中废钢运动的实际情况，使炼钢工作者对废钢在熔池中的运动有了清楚的了解。测量了废钢对熔池混匀时间和喷溅的影响，大型转炉炼钢熔池中有10%废钢，熔池混匀时间较无废钢时平均延长35.3%，铁水脱磷预处理转炉有10%废钢，熔池混匀时间平均延长62.8%。定量地研究了熔池中不同质量废钢块与悬浮能量之间的关系，为使废钢熔化有良好的动力学条件，应使熔池的搅拌能量不低于大块废钢的悬浮能量。丰富了废钢熔化的基础知识，为转炉合理地利用废钢和优化转炉吹炼工艺提供依据。

关 键 词：转炉；废钢；悬浮；涡旋

根据中国废钢铁应用协会统计。2011年中国炼钢消耗废钢9100万t，比2010年增长3.29%。同期粗钢产量达到68327万t，增长6.97%。2011年炼钢用废钢单耗为133kg/t[1]。中国目前转炉钢产量占总钢产量的93%，研究转炉钢厂的废钢应用技术有重要意义。

以往炼钢工作者对于转炉利用废钢的研究是在实验室内用感应炉测定废钢熔化过程的传热、传质参数或在钢厂研究废钢熔化速度[2-4]。本次试验是根据相似原理用水模方法第一次模拟了转炉炼钢过程废钢在熔池中的运动状况，并且测量了废钢对熔池混匀时间、喷溅量和不同质量废钢的悬浮能量。这些试验结果对于转炉合理利用废钢和优化吹炼工艺都有重要的作用。

1 水模试验原理及试验装置

1.1 试验原理

转炉炼钢过程中因顶吹氧射流的冲击和底吹气体的搅拌作用，熔池液体呈高度紊流状态。在此情况下流体的黏性力和表面张力并非影响熔池运动的主要因素。根据相似原理，水模试验应使转炉原型与实验室模型的几何尺寸相似和气体惯性力与熔池重力之比的修正弗鲁德准数相等[5]。

式中：u、u1分别为原型与模型的气体速度，m/s；d、d1分别为原型与模型的喷嘴直径；ρl、ρl1分别为原型与模型的液体密度，kg/m3；ρg、ρg1分别为原型与模型的气体密度，kg/m3；QN、QN1分别为原型与模型的气体流量，m3/h；g为重力加速度，m/s2。符号中带有下标1的为水模参数，不带下标的为转炉原型参数。

1.2 试验装置

试验中用无油压缩空气模拟氧气，用水模拟钢液。水模试验模型用有机玻璃制作。

2 喷吹参数的选择

本次水模试验对多种喷吹条件(不同转炉吨位、喷头参数和吹炼制度)的废钢在熔池中运动状况进行研究。对于每一种喷吹条件根据相似原理计算出水模试验的喷吹参数。在试验中所进行的测量以大型转炉多孔喷头吹炼普通铁水的冶炼条件为主。也对铁水预处理和小转炉的吹炼进行了部分模拟试验。表1是水模试验的喷头参数。

3 试验结果

3.1 转炉熔池内废钢运动状况的描述

300t转炉废钢的最大单重为1.5t，换算为水模试验中的单重为215g。试验中废钢单重在15～215g之间。模拟废钢的密度为1.05～1.10g/cm3。废钢装入熔池后，呈无序状态分布堆积在炉底。吹炼开始后，在顶底复吹气流作用下，熔池液体形成环流，并推动废钢的运动。当顶吹和底吹的搅拌能量较低时，废钢朝向熔池中心集中，并且无论任何形状(板，棒)的废钢都呈直立状态，如图1所示。废钢以一定幅度在平衡位置振动，废钢之间都有液体流过。流过废钢之间的液体有利于废钢的表面渗碳和热交换。

搅拌能量继续提高，废钢的振动幅度加大，小块废钢悬浮在熔池中，并在一定范围内进行旋转。整个熔池内可同时出现几处小块废钢做旋转运动的流场。熔池中小块废钢的运动轨迹可近似地看成液体的流线。小块废钢的回旋区表明该处的液体存在旋涡流动。

搅拌能量继续增大时，各种不同块度的废钢全都悬浮在熔池中，废钢块大幅度地振荡，相互之间产生强烈的撞击，可以听到废钢块互相撞击的声音；或者在一定区域内快速旋转，有的废钢甚至可以飞出液面。这时熔池内出现强烈的涡旋运动，流动状况非常复杂，如图2所示。

顶吹射流对熔池的切向力使熔池上部液体由中心流向边缘，再沿炉壁由上向下。在熔池下部液体由边缘流向中心，然后返回熔池上部。废钢被流动的液体推向熔池中部区域。

20世纪70年代日本冶金工作者用丙三醇水溶液替代钢水，用铝粉作为示踪剂进行的模拟试验，观察到的钢水运动方向也是由外侧流向中心区[6]。早期炼钢工作者认为“顶吹转炉熔池中液体流动方向是由内侧流向外侧，熔池中废钢堆积在炉底上”，这是不符合实际情况的。如果熔池液体是由内侧流向外侧，废钢应分布在熔池靠近炉壁的区域。

转炉熔池中液体绕过废钢时(板、柱、球及尖缘物体等)在废钢边界层内有回流并且产生旋涡，从而引起能量损耗[7]。流场中流体速度的旋度rotV≠0的流动是有旋的，也称涡旋运动(涡流)。

涡旋运动的强度用速度场的旋度(等于流体质点角速度的两倍)来衡量。速度场的旋度等于那勃勒算子▽与速度场函数V的向量积[8]。

rotV=[▽V]   (4)

式中：▽为那勃勒算子；V为速度场函数。

速度场的旋度与熔池搅拌能量氧枪喷头参数、熔池几何形状、废钢状况等因素有关。旋涡可以加快化学反应速度，增加冶金过程物料的混合速度。废钢周围的旋涡可以使液-固边界层变薄，加速废钢的熔化。涡旋流动要消耗熔池动能，增加熔池宏观扩散阻力，延长熔池混匀时间。研究涡流和障碍物绕流的运动规律非常复杂，超出本次试验的范围。

3.2 废钢对熔池冶金过程的影响

3.2.1 废钢对熔池混匀时间的影响

在20世纪70年代复吹技术开发阶段，熔池混匀时间都是在熔池没有废钢条件下测定的[9-10]。在本次试验中首次对含有废钢的熔池混匀时间进行了实测。

本试验用电导法测定熔池混匀时间，示踪剂为饱和NaCl溶液，熔池的电导率反映NaCl浓度的变化。规定混合度R=±0.05为熔池混匀时间。NaCl溶液加入量一般为50ml，进行5次测定后熔池中的水及时更换。3.2.1.1300t转炉正常吹炼的混匀时间模拟试验试验中废钢的加入量分别为0%、10%、15%三种，模型比为1/10，枪位范围为180～260mm，每个枪位的熔池混匀时间测量5次并取其平均值。测定结果如图3所示。顶吹气量63.7m3/h(实型氧流量60000m3/h)，底吹流量按顶吹流量的3%模拟。

熔池中加入10%的废钢使熔池的平均混匀时间由65.4s延长到88.5s，增加23.1s(35.3%)。3.2.1.2 废钢对脱磷预处理混匀时间的影响

转炉脱磷预处理通常加入10%废钢，本次水模试验底吹供气强度范围为0.106～0.633m3/(t·min)(转炉原型1900～11400m3/(t·h))，顶吹流量21.6～28.6m3/(t·min)(原型22000～35000m3/(t·h))。在上述喷吹参数范围内测定的混匀时间结果如图4所示。

本次试验条件下，脱磷炉熔池有10%废钢时，平均混匀时间为73.1s，无废钢时平均44.9s。有10%废钢时延长28.2s(62.8%)。熔池中无废钢时，底吹供气强度大于0.30m3/(t·min)，提高供气强度对缩短混匀时间不明显。熔池中有10%废钢时，提高底吹供气强度仍有缩短混匀时间的作用。

为了解废钢对熔池混匀时间的影响是否具有普遍意义，进行了6座转炉不同吹炼条件下的试验。熔池中有10%废钢时，混匀时间都较无废钢时有所延长。延长幅度由35.3%至91%不等，平均延长57.5%。由于废钢在熔池中分布状况的随机性，废钢对熔池的混匀时间的影响也有很大差异。

废钢延长熔池的混匀时间的原因主要有2个，一是废钢在熔池中运动消耗熔池的能量，降低了液体的运动速度；二是液体在绕过废钢时，在熔池中产生很多的旋涡。溶质离子在通过旋涡时其扩散路径延长，增加溶质的扩散阻力。

3.2.2 熔池中废钢对喷溅量的影响

1)大型转炉多孔喷头吹炼的模拟试验。

对某个喷头进行水模喷溅量测定时，先根据计算的喷吹参数调节仪表流量及压力，使其达到预定值，喷溅量小时在炉口放吸水纸，喷吹后称量吸水纸增重，喷溅量大时采用套筒集水法。在炉帽位置装一个有机玻璃套筒，将喷出的水收集并流入水桶中，喷吹结束后称量水的质量。通常每个枪位测量3次，取其喷溅量的平均值。

由表2可见，对于序号1和序号2的大型转炉，吹炼过程中当熔池中有10%废钢时，其喷溅量都大于无废钢。

从图5、6可见，在枪位较低时(小于220mm)有10%废钢的喷溅量较无废钢时大，枪位高时两者相差的较少。从试验中观察到当枪位低时，顶吹射流的最大冲击深度位置已接近废钢的顶端，顶吹气流对熔池的冲击增加了大直径液滴的喷溅量。当枪位高时熔池内废钢距顶吹气流的击坑较远。喷溅主要由反射气流所带出的微小液滴组成，熔池中的废钢对喷溅量影响不大。在枪位高时两者的喷溅量相近，而且都较小。

2)单孔喷头吹炼时废钢对喷溅量的影响。

按30t转炉单孔喷头的吹炼条件进行模拟，所得喷溅量的测定结果见表3。

由表3可见，在2种供氧强度下有10%废钢的喷溅量较无废钢的喷溅量分别低48%和19%。在试验中观察到小转炉单孔喷头吹炼时，射流对熔池的冲击深度大，废钢悬浮在熔池中，废钢快速运动会消耗搅拌能量，废钢还能增加液滴喷溅的阻力。氧流量由5400m3/h增加到7200m3/h，无论熔池中有无废钢喷溅量都增加2倍以上，这主要是射流对熔池的冲击能量加大。

3)3孔喷头吹炼时废钢对喷溅量的影响。

表4中的数据是30t转炉3孔喷头氧流量为7560m3/h模拟吹炼的喷溅量测量结果。熔池中有10%废钢时喷溅量较无废钢时低19%。

表4中的氧流量为7560m3/h，与表3中的单孔喷头氧流量相近。3孔喷头的喷溅量无论有无废钢都不到单孔喷头的1/5。三孔喷头可以采用较高的供氧强度，缩短转炉吹炼时间。

3.2.3 废钢在熔池中悬浮能量的测定

在一定的转炉熔池温度条件下，影响废钢熔化速度的因素主要是熔池液体与废钢之间的传热、传质过程。废钢在熔池中的运动状态对熔化速度有重要的影响。

1)废钢悬浮在熔池中其熔化动力学条件最好，能充分利用熔池中的热源。

2)单块质量过大的废钢沉在炉底上，相当于单面受热，其熔化速度约为悬浮在熔池中废钢的1/2。

3)重废钢堆积在一起，废钢的间隙内渗入铁水，形成一个大的废钢实体，不利于废钢的熔化。

废钢在熔池中呈悬浮状态所需的熔池搅拌能称为悬浮能量(W/m3)。废钢的单重不同所需的悬浮能量也不同。本次水模试验中测定了300t转炉吹炼条件下废钢块单重与所需悬浮能量的关系。测定方法是把废钢单重由15～215g(相当转炉实际105～1500kg)分成6个级别。分别观察每个级别的废钢块达到悬浮状态时所需的搅拌能量。在计算总有效搅拌能时按复吹模拟文献中通用的表达式：

式中：εvt为顶吹射流搅拌能量，W/m3；VL为金属体积，m3；Qt为氧流量，m3/min；n为喷孔个数；M为氧分子量，kg；De为喷孔出口直径，m；θ为喷孔倾角，(°)；H为枪位高度，m。

式中：QB为底吹吹入惰性气体的流量，m3/min；Tl为熔池金属温度，K；Ta为吹入惰性气体温度，K；h为熔池深度，m；Vl为熔池金属体积，m3；P为炉膛压力，kg/m2；ρ为金属密度，kg/m3。

对各级别废钢的悬浮能量测定结果见图7，可用于计算不同质量的废钢块所需的悬浮能量。对于300t复吹转炉，当顶吹氧流量达到60000m3/h，底吹供气量达到1080m3/min，废钢块的单重不超过1500kg，废钢在熔池中可以呈悬浮状态。

在试验当中发现炉底中央部分存在低流速区域，当熔池εtotal达到6315W/m3时，单重48g(实型336kg)的废钢仍然沉降在炉底上，在熔池其他部位215g(实型1500kg)的废钢块都能呈悬浮状态。这个区域是熔池液体流动的交汇点，流速远低于其他区域。日本的冶金工作者研究转炉熔池流场时也指出，熔池中心区域有“停滞部分”。

4 结论

1)本次试验第一次在水模试验中模拟并拍照了废钢在熔池中的运动状况。在复吹转炉熔池流场作用下，搅拌能量低时，废钢集聚在熔池中央区域，呈直立状态。熔池搅拌能量高时废钢在熔池中快速运动，呈悬浮状态。

2)熔池中液体通过废钢集聚区时，绕过废钢块的流体，在废钢后面的附面层内产生回流，形成复杂的涡旋运动，产生形状和大小不同的旋涡。

3)废钢在熔池中运动要消耗熔池动能，流体的涡旋流动增加熔池传输过程阻力。大型转炉炼钢，熔池中有10%废钢时混匀时间较无废钢时平均延长35.3%。

4)熔池中无废钢，底吹供气强度低时，提高供气强度可明显地缩短熔池混匀时间。供气强度超过0.3m3/(t·min)，提高供气强度对缩短熔池混匀时间不明显。

5)铁水脱磷预处理转炉(底吹高强度供气)，熔池中加入10%废钢，混匀时间较无废钢时延长62.8%。提高底吹供气强度可缩短熔池混匀时间。大转炉低枪位时，熔池中有废钢，喷溅量增加，高枪位时废钢对喷溅量影响很小。

6)废钢在熔池中呈悬浮状态时，熔化的动力学条件最好。本次试验中所测定的废钢块质量与熔池悬浮能量的关系曲线可供确定废钢块单重的依据。

参 考 文 献：

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