分享：120 t钢包双孔底吹氩精炼工艺优化
为提高钢水洁净度，降低钢包底吹氩搅拌过程对渣线区域侵蚀速度，采用物理模拟技术对中天钢铁120 t钢包双孔底吹氩工艺进行优化。基于相似原理和钢包原型尺寸建立了模型比为1︰4的物理模型，研究了不同双底吹透气元件布置时底吹流量对混匀时间、侧壁冲刷以及钢液卷渣的影响。结果表明，以低于临界流量进行底吹时，混匀时间与底吹流量呈负相关变化，底吹流量超过临界值，混匀时间变化微弱。钢包壁面处的流体流速随底吹流量增加持续增大。底吹元件优化布置方案为：两底吹孔夹角为90°，距钢包底部中心0.4R/0.4R。与原钢包相比，优化后精炼周期缩短2.1 min，钢水氧含量降至较低水平，大于5μm显微夹杂物占比下降了6.9%，钢包使用寿命提升超过6%。
为了获得品质更高的钢铁材料，现代炼钢生产中增加了钢水二次精炼环节，尤其是钢包底吹氩精炼因适用性强、运行成本低而被广泛应用[1-3]。该技术借助包底吹入氩气的搅拌作用，强化钢-渣间的化学反应，去除有害气体和非金属夹杂物，从而实现钢水洁净度水平的提高。钢包底吹氩是一个包含了动量、热量和质量混合传递的复杂冶金过程，钢水成分及温度的均匀性、非金属夹杂碰撞长大等对钢的性能产生重大影响的关键因素都与钢水的流动密切相关，因此，对钢水流动状态的研究就显得格外重要[4-5]。然而，精炼过程中钢水流动的速度和轨迹紊乱程度难以直接观察和测量，通常采用物理模拟或数学模拟技术达成上述目标。物理模拟是指模型与原型之间在满足过程机理、单值条件以及控制准数相同或相似基础上所建立的以实验模拟真实物理过程的方法[6-7]。为进一步提升中天钢铁集团特钢产品质量，降低产品缺陷，采用物理模拟方法对120 t钢包双底吹氩工艺进行优化，查明透气元件布置方式和底吹流量等因素对钢水流动行为的影响，以解决卷渣及钢水夹杂物偏高等生产问题。
模拟实验
实验原理
钢包底吹氩精炼过程中，包内钢液的流动是在自身重力和气泡浮力协同作用下发生的，该流动可视为不可压缩黏性流动，为保证实验模型和现场原型运动的相似性，需同时满足雷诺数(Re)和弗劳德数(Fr)相等。由流体力学原理可知，当流体流动的Re大于第二临界值1×104~1×105，流体流速分布和湍动程度几乎不受Re影响，即通常所指的流动进入自模化区域。依据该理论，当模拟介质与钢包钢液的流动Re处于同一自模化区时，只考虑Fr相等，即可满足相似条件[8]。实验钢包模型相似比为1︰4，钢包原型与模型内腔尺寸及介质物理参数见表1所示。
钢包底吹氩过程中，引发体系流动的主要动力源自气泡的浮力，为使物理模拟与现场过程的动力相似，根据相似原理中的π定理，必须保证模型与原型的修正Fr相等。修正Fr见式(1)[7-8]。
式中，µ为特征速度，m/s；D为钢包直径，m；ρg、ρ1为气体和溶液密度，kg/m3。特征速度µ可由式(2)给出：
式中，Q为气体体积流量，m3/s；d为透气砖当量直径，m。将式(2)代入式(1)，并令物理模型与钢包原型的修正Fr相等，(Fr′)m=(Fr′)p可得：
式中，Qm为模型气体体积流量，m3/min；Qp为原型气体体积流量，m3/min。由式(3)通过计算即可得到物理模型与钢包原型底吹气体流量的对应关系。
实验方法
图1给出了钢包底吹物理模拟实验透气元件布置示意图，两透气元件分布在距钢包底中心0.4R、0.485R和0.8R的同心圆上，夹角分别为90°和120°，具体实验方案见表2所示。本研究主要以混匀时间作为特性指标评判不同底吹方案的精炼效果，该指标通过“刺激-响应”法获得，即将一定量饱和NaCl溶液注入盛有液态模拟介质的模型钢包内，利用DJ800水工测量仪以及钢包滞留区所安装的电导电极完成模拟介质电导率的采集、记录和存储。混匀时间t0.95的选取标准为|Ct–C∞|≤0.05C∞[9]，测定前需保证包内模拟介质处于稳定流动状态，每组方案重复2次，不同位置电极所得混匀时间取平均值处理。
结果与分析
不同方案下的混匀时间
图2给出了两透气元件夹角为120°在不同方案下底吹流量与混匀时间的变化关系。从图2(a)中可以看出，随底吹气体流量增加，不同方案下的混匀时间均呈逐渐降低趋势，底吹流量在20~90 L/min范围内，混匀时间降低速率较快，流量大于90 L/min后，混匀时间变化趋于平缓。分析认为，钢包底部吹入气体后，包内钢液在上升气泡推动下作环流运动。底吹流量增加，气泡的搅拌能增大，环流速度加快，环流周期缩短，钢液能够在较短时间内达到均匀状态。当底吹流量超过某一值后，气泡的搅拌能大于维持钢液平稳环流所需能量，过剩的搅拌能则以液面隆起或翻滚方式在气-液界面处释放，混匀时间则不再发生明显变化，因此，钢液最短混匀时间都存在一个对应的临界底吹流量。将透气元件不同位置时的混匀时间进行对比，在小流量(<90 L/min)钢水净化阶段，透气元件位置0.485R的混匀时间明显小于0.4R和0.8R；大流量(>120 L/min)钢液合金化操作时，透气元件位置0.485R和0.8R时不同底吹流量下的混匀时间较为接近，且都少于位置0.4R。综合比较，两透气元件夹角为120°时，元件布置位置0.485R方案较优。
图2(b)给出了两透气元件夹角为90°不同方案底吹流量与混匀时间的变化关系。图中数据表明，夹角为90°时，不同方案下底吹流量与混匀时间的变化趋势与夹角120°类似，即随底吹流量增加，混匀时间呈逐渐降低趋势。所不同的是，透气元件位置0.4R在底吹流量小于90 L/min时混匀时间降低速率比夹角120°方案更快，流量为90 L/min时混匀时间为66.4 s，比夹角120°方案相同底吹流量时的88.7 s降低了25.3%。在流量为120~150 L/min区间内获得均值为50.5 s的最短混匀时间，而夹角120°方案最短混匀时间则出现在流量为150~200 L/min区间内。由此可见，透气元件位置0.4R且夹角为90°优于透气元件位置0.485R且夹角为120°方案。
图3给出了透气元件不同夹角时底吹流量与混匀时间的变化关系，从图中可以发现，透气元件分布在0.4R和0.8R位置，两透气元件夹角为90°时的混匀时间相比夹角为120°明显缩短。分析认为，透气元件夹角角度减�。降状灯紫喽跃嗬胨醵�，相同底吹流量下，气流搅拌作用得到强化，利于混匀速度提升，混匀时间缩短。同时可以看出，透气元件夹角同为90°时，元件位置0.8R比0.4R的混匀时间有所延长，表明两透气元件夹角角度较小时，透气元件布置在距钢包底中心较远位置会出现局部偏吹，钢液环流速度降低，混匀时间增加。
不同方案下液面排渣与卷渣
底吹精炼时，因流量控制不利可能形成卷渣从而影响钢液质量，选择0.4R-90°和0.485R-120°方案进行了卷渣模拟实验。排渣实验照片见图4所示，底吹流量与排渣直径和渣卷入深度关系见图5。
结合不同方案底吹过程中排渣照片(图4)以及卷渣深度、排渣直径数据(图5)可以看出，对于0.4R夹角90°方案来说，随底吹流量增加，卷渣深度和排渣直径呈逐渐增加趋势。流量小于60 L/min时，表面波动基本平稳，上升气流到达液-渣界面后溢出，排渣直径约在300~400 mm之间，液渣被推到钢包边缘偶有轻微卷渣，深度低于100 mm。当流量增加到120 L/min后，表面波动增强，排渣直径增加到500 mm左右，排渣区域出现叠加现象，卷渣深度约250 mm；流量增加至200 L/min时，排渣直径接近600 mm，液面发生翻腾，卷渣入深度最大350 mm。对于0.485R夹角120°方案，卷渣深度和排渣直径随底吹流量变化与0.4R夹角90°方案类似，但排渣直径变动速率相对平缓，而卷渣深度变化较大，底吹流量为120 L/min时，卷渣深度最大为500 mm，流量增加到200 L/min后，卷渣入深度超过700 mm。模拟卷渣实验结果表明，0.4R夹角90°方案优于0.485R夹角120°方案。
不同方案下的表面流速
钢包中液体流速大小能够定量反映其流动状态，通过底吹过程中包壁附近液体流速可以评判流动对包壁冲刷的影响。图6给出了原型、0.485R- 120°、0.4R-90°三个方案不同底吹流量下包壁附近的液面流速。从图中可以看出，随着底吹气体流量增加，包壁处钢液面流速持续增大，钢液对包壁冲刷逐渐变得严重。比较而言，在各底吹流量下，0.4R-90°方案包壁附近的液面流速均低于其他两个方案，表明该位置对包壁的冲刷相对弱。钢包精炼过程中，吹入钢包的氩气与钢液形成的气液混合流，当混合流距包壁较近时会产生明显的“附壁”效应，对包壁材料产生冲刷，一方面会降低钢包使用寿命，另一方面，冲蚀的耐材进入钢液形成夹杂，如不能上浮至液面被熔渣吸收，对钢液质量产生很大负面影响。因此吹元件位置优化时既要考察混匀时间，又要兼顾气液混合流上升运动行为。
优化方案生产应用
综合考虑底吹过程中的混匀时间、气液混合流对包壁的冲刷以及液面波动，选定底吹孔位于距钢包底部中心距离为0.4R/0.4R，透气元件夹角为90°对原有钢包底吹系统进行改造。利用优化钢包实施70级硬线精炼操作，吹氩结束后，包内钢水平均全氧含量ωT[O]< 21.5×10–6，平均脱硫时间为22.4 min，相比原钢包脱硫时间缩短2.1 min，尺寸大于5μm的显微夹杂物占比由优化前的33.4%降低至26.5%。优化钢包精炼过程对渣线的冲刷与侵蚀较改造前有一定程度的减轻，钢包使用寿命由平均75.4次增加至80次。
结束语
(1)基于物理模拟实验，综合混匀时间、液面波动以及气液混合流冲刷包壁等因素，确定了钢包底吹氩透气元件最优布置方案为：两底吹孔距钢包底部中心0.4R/0.4R，夹角为90°。(2)低于临界流量底吹时，混匀时间与底吹流量呈负相关变化，底吹流量超过临界值，混匀时间变化趋于平稳。相同底吹流量下，透气元件位置越靠近包壁，钢液液面流速越大，冲刷越严重。(3)实践表明，优化后的底吹元件布置方式效果良好，与改造前相比，精炼周期缩短2.1 min，钢水氧含量降至较低水平，尺寸大于5 μm的显微夹杂物占比降低至26.5%，钢包使用寿命提升超过6%。
文章来源——金属世界
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