DOL:10.13374.issn1001-053x.2012.09.018 第34卷第9期 北京科技大学学报 Vol.34 No.9 2012年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2012 转炉局域传质和混匀效果 徐栋区 苍大强秦丽雪段剑锋 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xdong_usth@yeah.net 摘要采用冷态转炉对转炉熔池局域流动和传质效果进行了研究.选用不同氧枪喷头、枪位和熔池形状进行实验，通过测 量熔池各区域的电导率值来研究熔池局域传质和混匀效果.根据实验结果，分析了各因素对熔池传质、死区分布、混匀时间及 熔池速度均匀性等的影响.研究结果发现：标准熔池（径深比为3.1）中，熔池死区主要位于熔池底部侧壁和环流中心处：浅型 熔池（径深比为5.2）中，熔池死区主要位于熔池侧壁。适当增加氧枪喷孔倾角和熔池径深比，有利于增大熔池环流半径，改善 熔池内部流动，减小熔池内部死区 关键词炼钢：转炉：传质：能量利用：模拟 分类号TF724.1 Local mass transfer and mixing effect of converters XU Dong,CANG Da-giang,QIN Li-xue,DUAN Jian-feng School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:xdong ustb@yeah.net ABSTRACT Local fluid flow and mass transfer in a converter bath were studied by a cold model.According to the conductivity measured in different regions,the local mass transfer and mixing effect were determined in the bath by using different lance nozzles, lance heights and bath shapes.The effects of the three factors on the mass transfer,dead volume distribution,mixing time and velocity uniformity were analyzed.It is found that the dead volume mainly lies in the bottom near the sidewall and the vortex heart for a standard bath (diameter-to-depth ratio =3.1),but does in the sidewall region for a shallow bath (diameter-to-depth ratio =5.2).Increasing the inclination angle of the lance nozzle and the ratio of bath diameter to depth is beneficial to increasing the circulation radius of the bath,improving the bath flow and reducing the dead volume. KEY WORDS steelmaking:converters:mass transfer:energy utilization:modeling 转炉炼钢过程中，氧枪射流冲击熔池液面形成 炉吹炼时间减少了1.3min,相应治金性能得到改 凹坑，并带动熔池形成循环流动.氧枪射流与熔池 善.Ajmani等研究了气体射流和熔池之间的相互 之间的相互作用以及熔池的流动对熔池内部质量传 作用：纯顶吹条件下熔池混匀时间最长；顶底复吹转 输和化学反应有着重要的影响.同时，熔池的流场 炉混匀时间随底吹元件数量的增加而减少；底吹元 分布也影响着熔池成分和温度的均匀性口 件布置方式对熔池的混匀效果有较大的影响 Szekely等回研究了气体压力、喷孔参数和氧枪 Martin等采用冷态实验模型对顶吹、底吹和顶底 倾角等与射流冲击性能之间的影响关系.Lee等回 复吹条件下，顶枪射流和底吹气体对熔池的整体和 采用1/4对称模型研究了四孔氧枪喷孔倾角和工艺 局域混匀效果进行了研究，通过熔池混匀效果和搅 参数对熔池的影响：喷孔倾角较大的氧枪对溶池的 拌能分析，得出底吹气体具有最高的能量利用效率， 冲击区域也较大，使壁面区域流动增强.Choi等 并采用四水箱模型对熔池传质和混匀效果进行了分 在实际转炉中对改进型氧枪进行了实验研究：采用 析.国内曾亚南等切对唐钢50t复吹转炉进行了水 新型氧枪喷头增大了喷孔直径，使供氧强度增大，转 模实验研究，研究结果发现枪位低于1.3m时，有利 收稿日期：201108-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51034008)
第 34 卷 第 9 期 2012 年 9 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 9 Sep． 2012 转炉局域传质和混匀效果 徐 栋 苍大强 秦丽雪 段剑锋 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: xdong_ustb@ yeah． net 摘 要 采用冷态转炉对转炉熔池局域流动和传质效果进行了研究． 选用不同氧枪喷头、枪位和熔池形状进行实验，通过测 量熔池各区域的电导率值来研究熔池局域传质和混匀效果． 根据实验结果，分析了各因素对熔池传质、死区分布、混匀时间及 熔池速度均匀性等的影响． 研究结果发现: 标准熔池( 径深比为 3. 1) 中，熔池死区主要位于熔池底部侧壁和环流中心处; 浅型 熔池( 径深比为 5. 2) 中，熔池死区主要位于熔池侧壁． 适当增加氧枪喷孔倾角和熔池径深比，有利于增大熔池环流半径，改善 熔池内部流动，减小熔池内部死区． 关键词 炼钢; 转炉; 传质; 能量利用; 模拟 分类号 TF724. 1 Local mass transfer and mixing effect of converters XU Dong ，CANG Da-qiang，QIN Li-xue，DUAN Jian-feng School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: xdong_ustb@ yeah． net ABSTRACT Local fluid flow and mass transfer in a converter bath were studied by a cold model． According to the conductivity measured in different regions，the local mass transfer and mixing effect were determined in the bath by using different lance nozzles， lance heights and bath shapes． The effects of the three factors on the mass transfer，dead volume distribution，mixing time and velocity uniformity were analyzed． It is found that the dead volume mainly lies in the bottom near the sidewall and the vortex heart for a standard bath ( diameter-to-depth ratio = 3. 1) ，but does in the sidewall region for a shallow bath ( diameter-to-depth ratio = 5. 2) ． Increasing the inclination angle of the lance nozzle and the ratio of bath diameter to depth is beneficial to increasing the circulation radius of the bath，improving the bath flow and reducing the dead volume． KEY WORDS steelmaking; converters; mass transfer; energy utilization; modeling 收稿日期: 2011--08--25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51034008) 转炉炼钢过程中，氧枪射流冲击熔池液面形成 凹坑，并带动熔池形成循环流动． 氧枪射流与熔池 之间的相互作用以及熔池的流动对熔池内部质量传 输和化学反应有着重要的影响． 同时，熔池的流场 分布也影响着熔池成分和温度的均匀性［1］． Szekely 等［2］研究了气体压力、喷孔参数和氧枪 倾角等与射流冲击性能之间的影响关系． Lee 等［3］ 采用 1 /4 对称模型研究了四孔氧枪喷孔倾角和工艺 参数对熔池的影响: 喷孔倾角较大的氧枪对熔池的 冲击区域也较大，使壁面区域流动增强． Choi 等［4］ 在实际转炉中对改进型氧枪进行了实验研究: 采用 新型氧枪喷头增大了喷孔直径，使供氧强度增大，转 炉吹炼时间减少了 1. 3 min，相应冶金性能得到改 善． Ajmani 等［5］研究了气体射流和熔池之间的相互 作用: 纯顶吹条件下熔池混匀时间最长; 顶底复吹转 炉混匀时间随底吹元件数量的增加而减少; 底吹元 件布置方式对熔池的混匀效果有较大的影响． Martín 等［6］采用冷态实验模型对顶吹、底吹和顶底 复吹条件下，顶枪射流和底吹气体对熔池的整体和 局域混匀效果进行了研究，通过熔池混匀效果和搅 拌能分析，得出底吹气体具有最高的能量利用效率， 并采用四水箱模型对熔池传质和混匀效果进行了分 析． 国内曾亚南等［7］对唐钢 50 t 复吹转炉进行了水 模实验研究，研究结果发现枪位低于 1. 3 m 时，有利 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.09.018
·1066* 北京科技大学学报 第34卷 于缩短混匀时间，提高治炼强度；采用改进的四孔变 究.根据相似原理，保证实验室模型与原型运动规 角氧枪有利于减少喷溅量，缩短混匀时间.朱英雄 律相似，必须保证模型和原型几何相似和动力学相 等网对本钢120t顶底复吹转炉进行了冷态实验研 似，且原型和模型处于同一自模化区回.本实验中 究.研究结果表明，当单、双支底枪布置在炉底半径 模型和原型的几何相似比取为1：10.实验采用水模 的0.4倍处时，熔池混匀时间最短. 拟钢液，空气模拟氧气.由于熔池流动主要受气体 综上所述，国内外对转炉混匀和搅拌效果的研 惯性力与钢液重力的影响0，因此选择修正弗劳德 究并没有对熔池各搅拌较弱的区域进行综合的测 准数作为定性参数1-口.根据修正弗劳德准数 量，不能较好地反映整个熔池的混匀效果和均匀性. Fr相等， 特别是熔池环流中心区域的传质速率的研究几乎未 Pau Peu (1) 见报道.此外，对喷孔倾角和熔池形状等因素对熔 (pu-Pa)gd (pe-pe)gdz 池各区域传质速率及混匀效果的研究很少.本实验 模型与原型气体流量之间的关系式为 采用多种氧枪喷头和熔池形状，通过多点测量的方 「eep-pu)1 法对转炉熔池各混匀效果较差的区域进行了比较系 Pa (pe-pe) (2) 统的研究.结合熔池形状的影响，对不同氧枪喷孔 式中，山山分别为模型和原型气流速度，P。P2分别 倾角条件下熔池局域传质速率、混匀效果及均匀性 为模型和原型气体密度，pup分别为模型和原型中 进行了研究，特别是熔池环流中心处的混匀和传质 的液体密度，d山1、d2分别为模型和原型特征尺寸，g 进行了分析，并结合理论进行讨论，提出了减少熔池 为重力加速度，Q、Q2分别为模型与原型的气体 死区以及改善熔池搅拌效果的方法 流量 根据氧枪原型，设计不同喷孔倾角的氧枪.为 1实验原理及方法 了研究炉型对熔池流动的影响，设计浅型熔池进行 1.1实验原理 对比研究，其炉容量与原型模型相当.原型和模型 采用冷态模型对实际转炉内的流动状态进行研 几何参数和物性参数见表1和表2. 表1原型与模型几何参数 Table 1 Geometric parameters of the prototype and model 参数 熔池直径/m 熔池深度/m 喷孔倾角/() 出口直径/mm 枪位/m 原型 4.350 1.400 13 42.0 1.10-1.50 模型1 0.435 0.140 13,17,20,24 4.2 0.11~0.15 模型2 0.530 0.102 13,17,20,24 4.2 0.09-0.15 表2原型与模型物性参数 Table 2 Physical parameters of the prototype and model 参数 熔池液体 液体密度/(kgm3) 顶吹气体 气体密度/(kgm3) 气体流量/(m3h1) 原型 钢液 7150 氧气 1.43 18000 模型 水 1000 空气 1.29 20 1.2实验设备 12%,每次加入量为30mL.示踪剂加入及测量点的 实验设备如图1所示.主要分为三个部分，即 布置见图1.为了能够较为全面地反映熔池的混匀 供气系统、实验转炉和数据测量采集系统.供气系 和搅拌效果，实验中采用多点测量方法，测量点布置 统为高压气瓶、压力表和转子流量计.模型转炉采 在熔池搅拌相对较弱的区域.测量点pl、p2和p3 用有机玻璃制造，实验用氧枪采用不锈钢制成.实 点分别位于熔池的底部中心、上壁面和下壁面处；4 验测量设备为电导率仪和记录仪.通过记录仪记录 位于熔池内部r=0.6R。、h=0.4L处，其中R,和L。 熔池电导率值的变化 分别为熔池半径和熔池深度，「为熔池几何中心与 1.3实验方法 p4点的水平距离，h为熔池液面与p4点的垂直距 实验中采用示踪方法对熔池的混匀和传质效果 离。熔池混匀时间确定以熔池中各测点电导率值达 进行研究.实验选用的示踪剂为KCl,质量分数为 到稳定值的±95%之内时所对应的时间).示踪
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 于缩短混匀时间，提高冶炼强度; 采用改进的四孔变 角氧枪有利于减少喷溅量，缩短混匀时间． 朱英雄 等［8］对本钢 120 t 顶底复吹转炉进行了冷态实验研 究． 研究结果表明，当单、双支底枪布置在炉底半径 的 0. 4 倍处时，熔池混匀时间最短． 综上所述，国内外对转炉混匀和搅拌效果的研 究并没有对熔池各搅拌较弱的区域进行综合的测 量，不能较好地反映整个熔池的混匀效果和均匀性． 特别是熔池环流中心区域的传质速率的研究几乎未 见报道． 此外，对喷孔倾角和熔池形状等因素对熔 池各区域传质速率及混匀效果的研究很少． 本实验 采用多种氧枪喷头和熔池形状，通过多点测量的方 法对转炉熔池各混匀效果较差的区域进行了比较系 统的研究． 结合熔池形状的影响，对不同氧枪喷孔 倾角条件下熔池局域传质速率、混匀效果及均匀性 进行了研究，特别是熔池环流中心处的混匀和传质 进行了分析，并结合理论进行讨论，提出了减少熔池 死区以及改善熔池搅拌效果的方法． 1 实验原理及方法 1. 1 实验原理 采用冷态模型对实际转炉内的流动状态进行研 究． 根据相似原理，保证实验室模型与原型运动规 律相似，必须保证模型和原型几何相似和动力学相 似，且原型和模型处于同一自模化区［9］． 本实验中 模型和原型的几何相似比取为 1∶ 10． 实验采用水模 拟钢液，空气模拟氧气． 由于熔池流动主要受气体 惯性力与钢液重力的影响［10］，因此选择修正弗劳德 准数 Fr'作为定性参数［11--12］． 根据修正弗劳德准数 Fr'相等， ρg1 u2 1 ( ρl1 － ρg1 ) gd1 = ρg2 u2 2 ( ρl2 － ρg2 ) gd2 ， ( 1) 模型与原型气体流量之间的关系式为 Q1 = ( d1 d ) 2 [ 5 2 ρg2 ( ρl1 － ρg1 ) ρg1 ( ρl2 － ρg2 ] ) 1 2 Q2 ． ( 2) 式中，u1、u2分别为模型和原型气流速度，ρg1、ρg2分别 为模型和原型气体密度，ρl1、ρl2分别为模型和原型中 的液体密度，d1、d2 分别为模型和原型特征尺寸，g 为重力加速度，Q1、Q2 分别为模型与原型的气体 流量． 根据氧枪原型，设计不同喷孔倾角的氧枪． 为 了研究炉型对熔池流动的影响，设计浅型熔池进行 对比研究，其炉容量与原型模型相当． 原型和模型 几何参数和物性参数见表 1 和表 2． 表 1 原型与模型几何参数 Table 1 Geometric parameters of the prototype and model 参数 熔池直径/m 熔池深度/m 喷孔倾角/( °) 出口直径/mm 枪位/m 原型 4. 350 1. 400 13 42. 0 1. 10 ～ 1. 50 模型 1 0. 435 0. 140 13，17，20，24 4. 2 0. 11 ～ 0. 15 模型 2 0. 530 0. 102 13，17，20，24 4. 2 0. 09 ～ 0. 15 表 2 原型与模型物性参数 Table 2 Physical parameters of the prototype and model 参数 熔池液体 液体密度/( kg·m － 3 ) 顶吹气体 气体密度/( kg·m － 3 ) 气体流量/( m3 ·h － 1 ) 原型 钢液 7 150 氧气 1. 43 18 000 模型 水 1 000 空气 1. 29 20 1. 2 实验设备 实验设备如图 1 所示． 主要分为三个部分，即 供气系统、实验转炉和数据测量采集系统． 供气系 统为高压气瓶、压力表和转子流量计． 模型转炉采 用有机玻璃制造，实验用氧枪采用不锈钢制成． 实 验测量设备为电导率仪和记录仪． 通过记录仪记录 熔池电导率值的变化． 1. 3 实验方法 实验中采用示踪方法对熔池的混匀和传质效果 进行研究． 实验选用的示踪剂为 KCl，质量分数为 12% ，每次加入量为 30 mL． 示踪剂加入及测量点的 布置见图 1． 为了能够较为全面地反映熔池的混匀 和搅拌效果，实验中采用多点测量方法，测量点布置 在熔池搅拌相对较弱的区域． 测量点 p1、p2 和 p3 点分别位于熔池的底部中心、上壁面和下壁面处; p4 位于熔池内部 r = 0. 6R0、h = 0. 4L0处，其中 R0和 L0 分别为熔池半径和熔池深度，r 为熔池几何中心与 p4 点的水平距离，h 为熔池液面与 p4 点的垂直距 离． 熔池混匀时间确定以熔池中各测点电导率值达 到稳定值的 ± 95% 之内时所对应的时间［13］． 示踪 ·1066·
第9期 徐栋等：转炉局域传质和混匀效果 ·1067· 压力表 ,氧枪 流量计 阀门 高压气瓶 电导率仪 记录仪 小踪剂 加人点 转炉模型 电极 图1实验设备 Fig.1 Experiment apparatus 剂加入点确定为熔池壁面（见图1），每次从相同位 在枪位为0.11m时混匀时间最短.20°氧枪对应混 置处加入示踪剂 匀时间随枪位升高呈逐渐减小的趋势.对比来看， 随喷孔倾角的增加，3点的混匀时间有所减小.这 2实验结果及分析 是因为喷孔倾角增加，使熔池的环流半径增大，熔池 2.1标准熔池混匀效果 壁面和底部区域的搅拌效果增强。由图2也可知， 2.1.1熔池局域混匀时间 在各条件下均存在着p4点混匀时间较长的现象. 图2为不同氧枪喷孔倾角下熔池各测点混匀时 这是由于熔池较深，在顶枪射流作用下形成较大半 间与枪位的关系。总体来看，熔池混匀时间较长的 径的环流，且环流中心速度很小，因此溶质向环流内 点为p3和p4点.由此可知，熔池搅拌最弱的区域 部传质距离大且传质动力较弱，所以环流中心需要 较长时间才能混合均匀 位于熔池底部侧壁和环流中心区域附近.13°氧枪 50 50r -pl 40 ◆p2 -p3 404 D3 -p4 30 30 20 10 0.110.12 0.130.140.15 0.11 0.120.13 0.140.15 枪位m 枪位m 50 50 (c -pl -pl ◆p2 40 -p2 40 -p3 p3 74 30 30 20 10 0 0.11 0.12 0130.140.15 0.110.120.130.140.15 枪位fm 枪位m 图2不同氧枪喷孔倾角下熔池混匀时间与枪位的关系.(a)13°：(b)17°：(c)20°：(d)24° Fig.2 Relationship between mixing time and lance height at different lance orifice inclination angles:(a)13;(b)17:(c)20;(d)24
第 9 期 徐 栋等: 转炉局域传质和混匀效果 图 1 实验设备 Fig． 1 Experiment apparatus 剂加入点确定为熔池壁面( 见图 1) ，每次从相同位 置处加入示踪剂． 2 实验结果及分析 2. 1 标准熔池混匀效果 2. 1. 1 熔池局域混匀时间 图 2 不同氧枪喷孔倾角下熔池混匀时间与枪位的关系 . ( a) 13°; ( b) 17°; ( c) 20°; ( d) 24° Fig． 2 Relationship between mixing time and lance height at different lance orifice inclination angles: ( a) 13°; ( b) 17°; ( c) 20°; ( d) 24° 图 2 为不同氧枪喷孔倾角下熔池各测点混匀时 间与枪位的关系． 总体来看，熔池混匀时间较长的 点为 p3 和 p4 点． 由此可知，熔池搅拌最弱的区域 位于熔池底部侧壁和环流中心区域附近． 13°氧枪 在枪位为 0. 11 m 时混匀时间最短． 20°氧枪对应混 匀时间随枪位升高呈逐渐减小的趋势． 对比来看， 随喷孔倾角的增加，p3 点的混匀时间有所减小． 这 是因为喷孔倾角增加，使熔池的环流半径增大，熔池 壁面和底部区域的搅拌效果增强． 由图 2 也可知， 在各条件下均存在着 p4 点混匀时间较长的现象． 这是由于熔池较深，在顶枪射流作用下形成较大半 径的环流，且环流中心速度很小，因此溶质向环流内 部传质距离大且传质动力较弱，所以环流中心需要 较长时间才能混合均匀． ·1067·
·1068· 北京科技大学学报 第34卷 2.1.2熔池平均混匀时间 小，但是熔池整体搅拌效果较好.24°氧枪在枪位较 各枪位及各测点的平均混匀时间如图3所示. 低时具有较好的效果，但是随枪位升高，射流速度衰 由图3(a)可见，枪位对熔池混匀时间影响较大.从 减量大，冲击深度变浅，熔池底部死区增加，搅拌效 枪位的影响来看，枪位为0.11m时，13°和17°射流 果反而变差.综合来看，20°氧枪在各枪位下对熔池 冲击能量最大，熔池搅拌能大，虽然其环流半径较 的搅拌效果较好 40 40r (a) ☐130 ▣130 17 017 0 ☑20 30 ☑20° Z☑24° Z☑24° 20 20 10 10 0.11 0.12 0.13 0.14 .I5 pl ② p3 枪位/m 测量点 图3枪位(a)和测点(b)对平均混匀时间的影响 Fig.3 Effect of lance height (a)and measure points (b)on average mixing time 由图3(b)可见，熔池混匀时间最长的点为3 以熔池底部死区有所改善：但是由于熔池径向半径 和p4点，即在熔池底部区域和环流中心附近区域为 增加，因此熔池在径向上的传质效果变差.研究氧 熔池传质最弱区.综合来看，20°氧枪的混匀效果较 枪及工艺参数对大径深比（浅型）熔池混匀效果和 好，且各测点的混匀时间差异较小，由此可知熔池速 传质速率的影响，有利于分析浅型熔池内的传质机 度分布相对更加均匀 理，优化工艺参数 2.2浅型熔池混匀效果 2.2.1熔池局域混匀效果 熔池形状和氧枪喷头类型对转炉熔池流动有着 图4为不同氧枪喷孔倾角下熔池各测点混匀时 较大的影响.径深比增大时，由于熔池深度变浅，所 间与枪位的关系.由图可见，熔池最弱的搅拌区域 50 50r (a) --pl 40 ●D2 -p3 40 3 -4 30 30 回 20 20 10 10- 0.090.100.110.120.130.140.15 00090.100.i10.i20.130.140.15 枪位m 枪位m -pl (d) pl -p2 p2 40 3 -p3 .D4 3 20 20 0.09.0.100.110.120.130.140.15 0.090.100.110.120.130.140.15 枪位m 枪位m 图4不同氧枪喷孔倾角下熔池混匀时间与枪位的关系.(a)13°：(b)17:(c)20°：(d)24 Fig.4 Relationship between mixing time and lance height at different lance orifice inclination angles:(a)13:(b)17:(c)20:(d)24
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 2. 1. 2 熔池平均混匀时间 各枪位及各测点的平均混匀时间如图 3 所示． 由图 3( a) 可见，枪位对熔池混匀时间影响较大． 从 枪位的影响来看，枪位为 0. 11 m 时，13°和 17°射流 冲击能量最大，熔池搅拌能大，虽然其环流半径较 小，但是熔池整体搅拌效果较好． 24°氧枪在枪位较 低时具有较好的效果，但是随枪位升高，射流速度衰 减量大，冲击深度变浅，熔池底部死区增加，搅拌效 果反而变差． 综合来看，20°氧枪在各枪位下对熔池 的搅拌效果较好． 图 3 枪位( a) 和测点( b) 对平均混匀时间的影响 Fig． 3 Effect of lance height ( a) and measure points ( b) on average mixing time 由图 3( b) 可见，熔池混匀时间最长的点为 p3 和 p4 点，即在熔池底部区域和环流中心附近区域为 熔池传质最弱区． 综合来看，20°氧枪的混匀效果较 好，且各测点的混匀时间差异较小，由此可知熔池速 度分布相对更加均匀． 图 4 不同氧枪喷孔倾角下熔池混匀时间与枪位的关系 . ( a) 13°; ( b) 17°; ( c) 20°; ( d) 24° Fig． 4 Relationship between mixing time and lance height at different lance orifice inclination angles: ( a) 13°; ( b) 17°; ( c) 20°; ( d) 24° 2. 2 浅型熔池混匀效果 熔池形状和氧枪喷头类型对转炉熔池流动有着 较大的影响． 径深比增大时，由于熔池深度变浅，所 以熔池底部死区有所改善; 但是由于熔池径向半径 增加，因此熔池在径向上的传质效果变差． 研究氧 枪及工艺参数对大径深比( 浅型) 熔池混匀效果和 传质速率的影响，有利于分析浅型熔池内的传质机 理，优化工艺参数． 2. 2. 1 熔池局域混匀效果 图 4 为不同氧枪喷孔倾角下熔池各测点混匀时 间与枪位的关系． 由图可见，熔池最弱的搅拌区域 ·1068·
第9期 徐栋等：转炉局域传质和混匀效果 ·1069· 在p3点附近，p4点的混匀时间相对较短.对于13° 2.2.2熔池平均混匀时间 氧枪，其混匀时间随枪位的升高而减小.浅型熔池 各枪位和测点对应熔池平均混匀时间如图5所 中，13°氧枪虽然由于枪位升高其射流冲击动能减 示.由图5(a)可见，熔池混匀时间受枪位的影响较 小，但是由于冲击半径增大，减小了熔池壁面死区， 大，当h=0.15m时各氧枪的搅拌效果均较好.由 所以整个熔池的混匀时间缩短.17°、20°和24°氧枪 图5(b)可见，对于浅型熔池，熔池侧壁区域(p2和 随枪位升高呈波动变化.对于20°氧枪而言，其最佳 P3点)混匀时间相对较长.由此可见，浅型熔池搅 混匀时间对应枪位为0.11和0.15m. 拌最弱区主要位于侧壁区域. 45 a ☐13 (b) 40 17 30 ☐13 220° 17 ZZ☑24 25 30 29厂 ☑24 25 回20 20 15 10 0.09 0.10 0.120.13 0.14 0.15 pl 2 p3 枪位m 测量点 图5。枪位(a)和测点(b)对平均混匀时间的影响 Fig.5 Effects of lance height (a)and measure points (b)on average mixing time 2.2.3熔池浓度变化规律 似，且p3点混匀时间最长，KCl质量分数达到稳定 根据电导率值和KCI质量分数的关系，可得各 值较慢.图6为3点的传质速率随时间的变化关 条件下熔池中KCI质量分数与时间之间的关系.采 系.由图可见，13°氧枪在低枪位时传质速率较慢： 用Levenberg-Marquardt优化算法进行多元非线性 但其传质速率受枪位影响较大，当枪位升高时，p3 回归，可得到KCl质量分数w与时间r(s)、枪位h 点的传质速率逐渐增大，h=0.15m时达到最大值. (m)和喷孔倾角0(13°≤0≤24)之间的函数关系 因此，13°氧枪在高枪位下具有最佳的传质效果. 式.p3点和p4点的多元回归式分别见下式 17°氧枪对应熔池传质速率较小，其传质速率随枪位 03=0.00437r03h017g224, (3) 升高变化不大.20°和24°氧枪在全枪位范围对应熔 04=0.00479x0233h-a.12g2169 池的传质速率均较大，熔池侧壁和环流中心附近的 (4) 传质效果较好 由式(3)可知，p3点KCl质量分数随枪位的升 2.3讨论与分析 高和喷孔倾角的增加而增大.提高枪位，有利于增 2.3.1熔池能量利用率 大熔池环流半径，改善熔池侧壁底部区域(3点)的 根据Nakanishi经验公式n可以推导出本实验 搅拌效果；增大喷孔角度同样能够改善p3点区域的 条件下氧枪射流搅拌能的计算式为 搅拌效果. 由式(4)可知，p4点（即熔池环流中心区域） r=1.3556×10-c0s29 (5) n'Dh KCI质量分数随枪位的降低和喷孔倾角的增加而增 式中：Qr为顶枪射流气体流量，m3·min;D.为氧枪 大.低枪位时，熔池环流半径小，虽然熔池侧壁搅拌 喷孔出口直径，m;n为喷孔数；h为枪位，m.由式 效果较差，但是环流中心KC1质量分数增加相对较 ()可知，射流搅拌能与喷孔倾角、气体流量和枪位 快；当枪位提高，熔池环流半径增大，而溶质向环流 等有关.射流搅拌能随气体流量的增加、喷孔倾角 中心传质的动力减弱，所以p4点的混匀时间随枪位 的减小和枪位的降低而增大. 升高而增大.喷孔倾角增加，有利于提高熔池环流速 在纯底吹转炉条件下，熔池混匀时间与搅拌能 度，因此p4点的混匀时间随喷孔倾角增加而减小 的关系式为 2.2.4熔池局域传质速率分析 T=ag-6 (6) 通过对熔池各测点电导率值随时间的变化进行 式中，a、b为根据实验结果得到的拟合参数.由式 分析发现，p2、p3和p4点KCl质量分数变化趋势相 (6)可推导出与顶吹混匀时间相当的底吹气体搅拌
第 9 期 徐 栋等: 转炉局域传质和混匀效果 在 p3 点附近，p4 点的混匀时间相对较短． 对于 13° 氧枪，其混匀时间随枪位的升高而减小． 浅型熔池 中，13°氧枪虽然由于枪位升高其射流冲击动能减 小，但是由于冲击半径增大，减小了熔池壁面死区， 所以整个熔池的混匀时间缩短． 17°、20°和 24°氧枪 随枪位升高呈波动变化． 对于 20°氧枪而言，其最佳 混匀时间对应枪位为 0. 11 和 0. 15 m． 2. 2. 2 熔池平均混匀时间 各枪位和测点对应熔池平均混匀时间如图 5 所 示． 由图 5( a) 可见，熔池混匀时间受枪位的影响较 大，当 h = 0. 15 m 时各氧枪的搅拌效果均较好． 由 图 5( b) 可见，对于浅型熔池，熔池侧壁区域( p2 和 p3 点) 混匀时间相对较长． 由此可见，浅型熔池搅 拌最弱区主要位于侧壁区域． 图 5 枪位( a) 和测点( b) 对平均混匀时间的影响 Fig． 5 Effects of lance height ( a) and measure points ( b) on average mixing time 2. 2. 3 熔池浓度变化规律 根据电导率值和 KCl 质量分数的关系，可得各 条件下熔池中 KCl 质量分数与时间之间的关系． 采 用 Levenberg--Marquardt 优化算法进行多元非线性 回归，可得到 KCl 质量分数 w 与时间 τ ( s) 、枪位 h ( m) 和喷孔倾角 θ ( 13°≤θ≤24°) 之间的函数关系 式． p3 点和 p4 点的多元回归式分别见下式． w3 = 0. 004 37τ 0. 379 h0. 107 θ 0. 224 ， ( 3) w4 = 0. 004 79τ 0. 233 h － 0. 172 θ 0. 169 ． ( 4) 由式( 3) 可知，p3 点 KCl 质量分数随枪位的升 高和喷孔倾角的增加而增大． 提高枪位，有利于增 大熔池环流半径，改善熔池侧壁底部区域( p3 点) 的 搅拌效果; 增大喷孔角度同样能够改善 p3 点区域的 搅拌效果． 由式( 4) 可知，p4 点( 即熔池环流中心区域) KCl 质量分数随枪位的降低和喷孔倾角的增加而增 大． 低枪位时，熔池环流半径小，虽然熔池侧壁搅拌 效果较差，但是环流中心 KCl 质量分数增加相对较 快; 当枪位提高，熔池环流半径增大，而溶质向环流 中心传质的动力减弱，所以 p4 点的混匀时间随枪位 升高而增大． 喷孔倾角增加，有利于提高熔池环流速 度，因此 p4 点的混匀时间随喷孔倾角增加而减小． 2. 2. 4 熔池局域传质速率分析 通过对熔池各测点电导率值随时间的变化进行 分析发现，p2、p3 和 p4 点 KCl 质量分数变化趋势相 似，且 p3 点混匀时间最长，KCl 质量分数达到稳定 值较慢． 图 6 为 p3 点的传质速率随时间的变化关 系． 由图可见，13°氧枪在低枪位时传质速率较慢; 但其传质速率受枪位影响较大，当枪位升高时，p3 点的传质速率逐渐增大，h = 0. 15 m 时达到最大值． 因此，13° 氧枪在高枪位下具有最佳的传质效果． 17°氧枪对应熔池传质速率较小，其传质速率随枪位 升高变化不大． 20°和 24°氧枪在全枪位范围对应熔 池的传质速率均较大，熔池侧壁和环流中心附近的 传质效果较好． 2. 3 讨论与分析 2. 3. 1 熔池能量利用率 根据 Nakanishi 经验公式［14］可以推导出本实验 条件下氧枪射流搅拌能的计算式为 εT = 1. 355 6 × 10 － 3Q3 T cos 2 θ n2 D3 eh ． ( 5) 式中: QT为顶枪射流气体流量，m3 ·min － 1 ; De为氧枪 喷孔出口直径，m; n 为喷孔数; h 为枪位，m． 由式 ( 5) 可知，射流搅拌能与喷孔倾角、气体流量和枪位 等有关． 射流搅拌能随气体流量的增加、喷孔倾角 的减小和枪位的降低而增大． 在纯底吹转炉条件下，熔池混匀时间与搅拌能 的关系式为［15］ τ = aε － b ． ( 6) 式中，a、b 为根据实验结果得到的拟合参数． 由式 ( 6) 可推导出与顶吹混匀时间相当的底吹气体搅拌 ·1069·