转炉熔池中废钢的运动.doc

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1、冶金之家网站转炉熔池中废钢的运动杨文远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

2、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

3、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

4、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

5、有机玻璃制作。2喷吹参数的选择冶金之家网站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.

6、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

7、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。冶金之家网站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

8、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