铁水包顶吹工艺水模实验研究

张少勇，王 月，刘海啸，李胜利，张倍恺

（辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

铁水包顶吹工艺水模实验研究

张少勇，王 月，刘海啸，李胜利，张倍恺

（辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

为了使铁水快速脱氧、脱硫，快速提高合金收得率，改善顶吹工艺的热力学和动力学条件，本文以钢厂150 t铁水包为原型，通过建立尺寸比例为1：4的几何模型，采用正交实验法研究顶吹吹气位置、吹气量和吹气高度对铁水包内铁水混匀的影响规律。实验得出，影响铁水混匀时间的主次因素顺序为：顶吹吹气孔与铁水包中心距离＞顶吹吹气孔距离铁水面高度＞吹气量；当顶吹吹气孔距离铁水面高度为200 mm、顶吹吹气孔距离铁水包中心0.7r、吹气量600 L/min（标准状况）时铁水的混匀时间最短。

铁水包；顶吹气；铁水混匀；水模

喷射冶金是铁水预处理重要手段之一［1］，具有快速脱氧、脱硫，提高合金元素的收得率，微合金化的功能［2-5］。顶吹还可以改善精炼热力学和动力学条件。在实际铁水预处理过程中，通过改善预处理顶吹工艺条件，强化铁水物理化学反应动力学条件，能够实现提高脱硫效率，缩短预处理时间，加快生产节奏，降低生产成本。本实验在相似原理的基础上［6-7］，建立了铁水包顶吹模型物理实验，通过实验分析得出，控制顶枪吹气位置、吹气量、吹气高度对铁水包内铁水充分混合均匀的时间影响，为铁水预处理中改进合理的顶吹工艺提供依据。

1 实验方法

1.1 实验模型尺寸

原铁水包与实验模型尺寸按照4：1的比例缩小，保证实验模型与原包型几何相似，详细尺寸见表1。

模型与原型的修正Fr准数相等即可满足动力学相似。由此得出实验模型中喷出气体流量与铁水包原型的关系为Qm=0.011 2Qp。式中：Qm为实验气体流量，Qp为铁水包气体流量。

1.2 实验装置

铁水包实验模型由有机玻璃制成。实验中，用水模拟铁水，用空气模拟氩气。图1是物理模型试验装置图，实验中通过对顶吹枪高度、位置和吹气量进行调节，实现不同水平的模拟效果。

1.3 实验混匀时间的测量方法

在实验过程中采用刺激—响应技术：通过向铁水包模型远离顶吹枪位置瞬时加入示踪剂（饱和NaCl溶液），然后连续测定不同测量点的电导率变化，直至电导率变化不超过稳定值（C∞）的±5%，即选取|Ct-C∞|≤0.05C∞为标准，所需的累积时间t0.95即为实验混匀时间。

表1 铁水包实际尺寸与实验模型尺寸，mmTab.1 Ladle actual size and model size，mm

图1 物理模型试验装置Fig.1 Water model test device

为了更好地消除实验误差，每个测量点重复测量3次，数据测量时间为3 min，测量数据时间间隔为0.05 s，取平均值。

1.4 实验方案

本次实验采用正交设计方案，变量包括顶吹枪的高度、位置和吹气量三个因素，每个因素选择五个水平，具体实验参数如表2所示。

表2 实验变量的水平关系表Tab.2 Levels of experimental variables

2 实验结果及分析

2.1 正交实验结果

为了研究吹气位置、吹气高度、吹气量对混匀时间的影响，根据正交实验设计，进行了25组实验，实验结果如表3所示。

2.2 结果分析

采用极差分析法分析正交实验数据，分析得出顶吹吹气高度、顶吹吹气位置、吹气量对铁水混匀时间的影响。计算各水平实验结果总和、平均值和极差，见表4。

表3 正交实验结果Tab.3 Orthogonal results

表4 正交实验分析结果Tab.4 Orthogonal experiment results analysis

由极差的大小可以得出，影响铁水混匀时间的各因素中，主次顺序为：顶吹吹气位置＞顶吹吹气高度＞吹气量。

混匀时间与顶吹吹气高度、顶吹吹气位置、吹气量关系如图2所示。

随着顶吹吹气位置逐渐偏离中心，混匀时间先小幅增加，之后大幅度减少至最低值后又急剧增加。当吹气位置在水平4（0.7r）时，混匀时间最短。

图2 混匀时间与因素水平分析图Fig.2 Parse list of mixing time and factor level

混匀时间随着顶吹吹气高度的增加先增后减。当吹气高度为水平4时，混匀时间最长，吹气高度为水平1时混匀时间最短。吹气高度为200 mm时最有利于铁水的混匀。

随着吹气量的不断增加，混匀时间出现波动，在水平3时达到最长，在水平4时达到最短。当吹气量为600 L/min（标准状况）时混匀时间短。

3 结论

（1）在本实验中，铁水包顶吹位置、吹气高度、吹气量都会对铁水包的混匀时间产生影响，影响混匀时间的主次因素顺序为：顶吹吹气孔与铁水包中心距离＞顶吹吹气孔距离铁水面高度＞吹气量。

（2）本实验条件下，当顶吹吹气孔距离铁水面高度为200 mm、吹气孔距离铁水包中心0.7r、吹气量600 L/min（标准状况）时混匀时间最短，铁水的混匀效果最佳。

［1］朱苗勇，萧泽强.钢的精炼过程数学物理模拟［M］.北京：冶金工业出版社，1998：16-30.

［2］SAHAI Y，EMI T.Criteria for water modeling of melt flow and inclusion removal in continuous casting tundishes［J］.Isij International，2007，36（9）：1166-1173.

［3］杨福，毕学工，周进东，等.高磷铁水预处理脱磷动力学模型研究［J］.钢铁研究，2012，40（6）：6-10.

［4］JONSSON L，JONSSON P.Modeling of fluid flow conditions around the slag/metal interface in a gas-stirred ladle［J］.Isij International，1996，36（9）：1127-1134.

［5］武守防，马全峰，贺冰林.100 t EAF-LF-RH-CC流程生产洁净管线钢的工艺实践［J］.特殊钢，2013，34（1）：28-30.

［6］尹弘斌，金山同.CAS工艺条件下钢包内夹杂物上浮规律的理论研究［J］.钢铁，1995（10）：13-17.

［7］韩文习，李丰功，战东平，等.60t LF钢包底吹氩行为的物理模拟［J］.山东冶金，2012，34（3）：29-31.

Study of Ld water model experiment in ladle top blowing process

ZHANG Shaoyong，WANG Yue， LIU Haixiao， LI Shengli， ZHANG Beikai

（School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

A water model of 1/4 linear scale for 150 t ladle has been established，in order to fast deoxidation，desulphurization，improve the yield of alloy elements，improve the thermodynamics and kinetics of ld refining conditions.The influence of air blowing position，volume and distance on the mixing of molten steel were studied by orthogonal experimental method.The experiments show the main factor was the distance between blowing hole and ladle center，the blowing hole distance below the steel level，the second and the blowing volume，the last.The steel liquid mixing time is the shortest when blowing hole distance below the steel level is 200 mm，distance between blowing hole and ladle center is 0.7r，blowing volume is 600 NL/min.

ladle；top blowing；mixing time of molten steel；water model

March 12，2017）

TF58

A

1674-1048（2017）03-0176-03

10.13988/j.ustl.2017.03.004

2017-03-12。

国家自然科学基金（51374125）。

张少勇（1966—），男，辽宁鞍山人，高级技师。