150t复吹转炉熔池传质及合适的底吹气量

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1990.06.020 北京科技大学学报 第12港第6期 Vol.12 No.6 1990年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov,1990 150t复吹转炉熔池传质及合适的底吹气量 段丽· 陈襄武· 捕要：通过水快型实验研究了复吹转炉中顶吹、底吹及培池产生的CO气浅对培池的搅 拌作川。按正义实验设计法，由实鉴得出吹炼中期和后期影响培池内传质的士要因素及合适 的顶吹和底吹气量。在高速脱碳期，顾吹和底吹‘（流的搅拌作用与CO气流的相比可忽略不 计，在脱碳后期，底吹气流对格池的搅拌起上要作用。在吹炼后期，底吹气量为5Nm3/h时 可达到最佳的修拌效果。根据水模型实鉴结果，回归整理出混匀时间和容量传质系数的准数 方程。 关键词：投拌能，混时间，容盘传饭苏数 Mass Transfer and Optimal Bottom Blown Gas Amount in 150 t Top-Bottom Converter Bath Duan Li Chen Xiangwu ABSTRACT:By hydrodynamic model experiments,the effect of topblown gas, bottom blown gas and CO gas on bath stirring in 150 t top-bottom converter were studied.According to method of orthogonal experiment design,the cssetial factors and optimal amount of top and bottom gas were found.At high carbon range,compared with the stirring by CO,the stirring by top and bottom blown gas could be neglected;at low carbon range,the stirring by bottom blown gas was the main factor.The optimal gas amound was about 5 Nm3/h.The equa- tions of mixture lime and rate constant of mass transfer were established. KEY WORDS:stirring energy,mixture time,mass transfer rale constant 1989一08-04收腐 ·治金系(Department of Metallurgy) ·510·

结 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。， 户口 复吹转炉熔池传质及合适的底吹气量 段 丽 ’ 陈襄武 ‘ 尸 摘 要 通 过水 摸型 实脸 研 究 厂复吹 转炉 中顶 吹 、 底 吹 及熔 池 产 生 的 气流 对 熔 池 的悦 伴 作川 。 按 正 交 尖缝 设 计法 ， 由实验得 出吹 炼 中期 和 后期影 响 熔 池 内传质的上 要 因素 及 合 适 的顶 吹 和 底 吹 气盆 。 在商速 脱 碳 期 ， 顶吹 和底 吹 气 流 的 搅 拌 作用 与 班毛流 的相 比 可 忽略 不 计， 在 脱 碳 后 期 ， 底 吹气 流对 熔 池的 搅 并 起土 要作用 。 在吹 炼后期 ， 底 吹 气最 为 时 可 达 到最佳 的搅 伴 效 果 。 根据水 摸型 实验 结 果 ， 回 归整理 出 混匀 时间和 容里传质 系数 的 准数 方程 。 关锐 词 搅 拌能 ， 说 匀 时 ， 容 呈 传质 系数 一 护声 功 了 丁 ， ， 、 一 ， 、 ， ， ， 了 “ 。 ， ， ， 叫 尸 一 一 收 稿 冶金系 ， 尹产 · · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．06．020

对一座具体的复吹转炉，确定其合适的底吹供气制度是一项重要工作。本文结合国内 150t复吹转炉的生产条件，通过水模型按正交试验设计法研究了整个吹炼周期内渣-钢相间 传质、钢液内部混匀情况与顶吹、底吹和CO气量的关系。 1试验方法 1.1相似模型的建立 将参与复吹过程的物理参数，根据下定理整理出准数方程。根据实验条件，在只以底 吹喷嘴的出口速度为变量的情况下，得出： K,=f(Fr') (1) 式中，人，是被决定的准数F'是决定性准数，即修正的弗劳德准数。因此，只要保证模 型与原型的几何比例和修正的弗芳德准数相等，即可保证模型与原型内的流动状态相似。 (1)儿何相似模型的顶吹喷枪的孔径、底吹喷嘴的孔径和溶池深度等，按照模型与 150t转炉的相似比为1：11.5确定。另外，顶吹喷枪与熔池表面之间的距离由静止熔池的深 度L。和由顶吹气体射流产生的凹坑深度L之比来计算。 (2)动力相似模型的顶吹等气体流量由生产实际的气体流堂，按修正的弗劳德准数相 等的原则确定，计算结果见表1。 表1现场及模型的气体流置和顶吹喷枪位置 Table 1 Top-bottam blowing parameters in coverter and model 底吹气量 产生CO气量 顶枪位 顶枪气量 Nm3/h Nm3/h L/L。 Nm3/h 现场模型 现场模型 现场模型 现场模型 4321.3 9034 5 0.2 0.2 1920013.1 7562,3 21888 8 0.3 0.3 一 9723.0 32832 10 0.40.4 (3)模拟熔池内产生CO气量的确定由于CO气体是在熔池内产生的，对熔池的作用 只有上浮功。然而模拟CO气流时必须从外面吹入气体，对熔池的作用除上浮功以外还要考 虑气流的动能。按CO气体在熔池内的上浮功W与模拟气体的上浮功W:和在出口处动能 W2等效的原则，并考虑实际吹炼各期脱碳速度来确定模拟的CO气量（见表1）。实验中 在模型底上中央位置采用多孔板为模拟熔池中产生CO气体的装置。 1.2实验采用的介质及方法 (1)两相传质的模拟实验中考虑模拟介质与钢和渣的运动粘度相等，分别用脱离子水 和10号机油模拟钢液和渣液。它们的运动粘度的数值如下：20℃水，水=0.01,1550℃钢 液，v倒=0.01；20℃10号机油机油=0.35；1595℃渣液渣=0.1~0.33。 实验中采用与150t转炉原型几何比为1：11.5的圆柱形有机玻璃容器，用溶于油并微溶 。511·

对 一座具体的 复吹转炉 ， 确定其合适的底吹供 气制 度是一项重要工作 。 本文 结 合 国 内 复吹转炉的生产条件 ， 通过水模型按 正交试验设 计法 研究 了整个吹炼 周期 内渣 一 钢 相 间 传质 、 钢液 内部混 匀情况与顶吹 、 底 吹和 气量 的 关 系 。 试 验 方 法 、 、 、 。 相 似 模型的建 立 将参与复吹过程 的物 理参 数 ， 根 据 二 定理整 理 出准数 方程 。 根据实验 条 件 ， 在 只 以 底 吹喷嘴 的 出 口 速度为 变量 的情况下 ， 得 出 ， ‘ 式 中 ， ， 是 被决定的准数 ‘ 是决定性准数 ， 即 修正 的弗 劳德准数 。 因此 ， 只要保证 模 型 与原型 的 几何 比 例 和 修正的弗 劳德准数 相 等 ， 即 可保证模 型 与 原型 内的流 动状态 相似 。 儿 何相似 模 型 的顶吹喷枪 的孔 径 、 底 吹 喷 嘴的 孔 径和 熔池深度等 ， 按 照 模 型 与 转炉 的 相似 比 为 确定 。 另 外 ， 顶吹 喷枪与熔 池表面之 间的距 离 由静止熔池 的 深 度 。 和 由顶吹 气体射流产 生的 凹坑深度 之 比来 计算 。 动力相似 模型 的顶吹 等 气体流量 由生产实际 的 气体流量 ， 按修正的 弗 劳德准数 相 等的原则确定 ， 计算 结果见表 。 表 现场 及模型的气体流 最和顶 吹喷枪位置 叭‘ 、 一 底吹气量 现 场 模型 产生 气量 现 场 模型 顶 枪位 毛。 现 场 模 型 顶 枪气量 爪 现 场 模型 。 。 。 。 。 。 。 。 。 模 拟熔池 内产生 气量的确定 由于 气体是在熔池 内产生 的 ， 对 熔池 的 作 用 只有上浮功 。 然而模拟 气流 时必须从外面吹 入气体 ， 对 熔池的作 用除上浮功 以外还要 考 虑气流的动能 。 按 气体在熔池 内的上浮 功 班 与模拟 气体的上浮功 牙 和在出 口 处 动 能 平 等效 的 原则 ， 并考虑实际吹炼各期脱碳速度来 确定模拟 的 气量 见 表 。 实验 中 在模型底上 中央位置采用多孔 板为模拟熔池 中产生 气体的 装置 。 实 验采用 的介质及方 法 两 相传质 的模拟 实验 中考虑模拟 介质与钢和渣的运动粘度相 等 ， 分别 用脱 离子水 和 号机油模拟钢液和渣液 。 它 们的运动 粘度的数值如下 ℃ 水 ， ， 水 ℃ 钢 液 ， ， 钢 。 ℃ 号机油 ， 机油 。 ， 渣液 渣 一 。 实验 中采 用与 转炉 原型几何比为 的 圆柱形 有机 玻璃 容器 ， 用 溶于油 并微 溶

于水的弱电解质苯甲酸(C。H,COOH)为 示踪剂。在吹气搅拌时，根据分配定律油中 苯甲酸将向水中传递。通过水中电极可测出 水中电导率的变化，并由预先标定的标准曲 线得出水中苯甲酸浓度的变化，由此来定量 油水之间的传质速度。实验装置如图1所 (1) 示。 从实验条件：水的体积Va(I),机油的 体积Va(I),苯甲酸总量M(mg)及平衡后水 图1揽拟装置示庶图 中苯甲酸浓度CB求出分配系数工。用下列 (1)气源(2)混气(3)压力张()流量计 (2)式整理实验结果，求出定量地表示渣-钢 (5)增池(6)电辞电极(7)顶枪(8)电导仪 间传质速度的参数KA,称为容量传质系 (9)记录仪 数。 Fig.1 Scheme of simidative cquipment 1n2 In m2-C8 =mif (2) 上列(2)式中： m1=( ）(1+),m=()(1+) (2)单相传质的模拟用水模拟钢液，用KC1作示踪剂。在熔池某处加KC1饱和水溶 液，同时在另一处测定溶液导电率的变化。待溶液中电导率稳定时，达到此状态的时间即为 熔池混合均匀时间。 1.3实验设计 (1)高速脱碳期同时考虑顶吹、底吹及熔池中产生的CO三个气流对熔池的搅拌作 用，在顶吹气流量一定而改变顶吹喷枪位置时，采用L1。(3?)正交表设计实验；在顶吹气流 量和顶吹喷枪位置均一定时采用L(22)正交表设计实验。实验采用的因子和水平分别见表 2、表3。 (2)脱碳后期仅考虑底吹气流对熔池的搅拌作用，做7水平的单因子实验，此时实验 表2L1B(3?)正交试验选择的因子和水平 表了L4(22)正交试验选择的因 Table 2 Factor and level in 子和水平 orthogonal experiment L1s(37) Table 3 Factor and level in orthogonat experiment L (42) 水平 A愿欧B感陈外生 C,产生CO气址 Nm3/h 水业A,底气量Nm/hB,CO气量Nm/h 1 0.2 1.4 5.0 2 0.3 2.3 8.0 2.0 4.0 3 0.4 3.0 10.0 2 4.0 6.0 ·512·

于水的弱 电解质 苯 甲 酸 。 为 示踪剂 。 在吹 气搅拌 时 ， 根据分配 定律油 中 苯 甲酸 将 向水 中传递 。 通过水 中电极可侧 出 水中电导率的变化 ， 并 由预先标定的标准 曲 线 得 出水 中苯 甲酸浓 度的变化 ， 由此来 定量 油 水之 间的传质速度 。 实验 装 置 如 图 所 示 。 从 实验条件 水的体积 犷 ， 机油 的 体积 ， 苯 甲酸 总量 及平衡后 水 中苯 甲酸浓 度 丢求 出分 配系数 。 用下 列 式整理实验结果 ， 求出定量地 表示渣 一 钢 间传质 速度的 参数 人 ， 称为 容 量 传 质 系 数 。 … 门 匹 巨巨 图 模 拟 装 置示 意 图 一 气 源 混 气 包 压 力表 络 流且 计 熔池 电导 电极 顶枪 电 导 仪 记录 仪 ，‘ 而 二七 。 附 匕 上列 式 中 犷 十 犷人 工曰 户、 ‘了、 川 会 · 会 。 会梦 单 相 传质的模 拟 用 水模 拟钢液 ， 用 作示踪剂 。 在熔 池某处加 饱 和水 溶 液 ， 同时在另一处侧定溶 液导 电率的变化 。 待溶液 中电导率稳定时 ， 达到此 状态 的时 间即 为 熔池 混合均匀时 间 。 实 验设计 高速脱碳 期 时 考虑顶吹 、 底吹 及熔池 中产生的 三个 气流对熔 池 的 搅 拌 作 用 ， 在 顶吹 气流量一定而改 变 顶吹喷枪位置时 ， 采 用 。 正交表设 计实 验 ， 在顶吹 气流 量和顶吹喷枪位置 均一 定时采用 ‘ “ 正交表 设计实验 。 实验采用的 因子和水平分 别 见 表 、 表 。 脱碳后期 仅考虑底吹 气流对熔池的 搅拌 作 用 ， 做 水平的单 因子 实验 ， 此 时实验 衰 。 正 交试 验选 择 的 因子 和水平 。 水 平 ， 顶吹。 ， 底吹 气 盘 ， 产 生 气盆 表 ‘ “ 正 交试 脸选择 的 因 子 和 水平 一 ‘ 水 平 ， 底气 且 ， 气 。 。 。 。 。 。 口 。 。 。 。 口 口 目

设计如下： 水 B2 B3 B: B7 底气量，Nm3/h 1. 2.3 3.0 .0 5.0 6.0 8.0 2实验 结果 按L:8(3)正交实验结果，对容量传质系数和混匀时间进行方差分析，结果见表4和表 5。 表4容置传质系数的方差分析结果 Table 1 Square deviations analysis of mass transfer rale conslant 差异来源 平方和 自由度 平均平方和 F值 临界值 显苦性 2467.11 1233.56 0.2727 F(3,11) B 3950.78 2 I975.4 0.567 =3.98 36838.78 3 18419.1 .07 误差 19753.11 11 4523 总和 93009.78 17 表5混匀时间的方差分析表 Table 5 Suquare deviations analysis of mixture time 差异来源 平方和 自由度 平均平方和 F值 临界位 显著性 ” 月 2.55 1.275 0.081 F(2,11) B 6.05 2 3.025 0.200 =2.86 C 102.13 2 51.067 3.378 误差 166.27 1 15.1 总和 277 必 表6混匀时间的方差分析表 Table 6 Suquare deviation analysis of mixture time 差异来源 平方和 自由度 平均平方和 F值 临值 显著性 A 45.56 1 45.56 81.37 F(1.1) B 18.06 18.06 32.26 =39.9 误差 0.56 0.56 总和 C4.19 3 ·513·

、 、 设 计如下 水 平 底 气量 ， 。 。 实 验 。 结 果 按 乙 ‘ 正交 实 验 结果 ， 对 容量 传质系数 和 混 匀 时 间进 行方差 分析 ， 结 果见 表 和表 。 表 容 量传质 系 数 的方 差分 析 结 果 注 、 厂 一 手 · ’ 二 差异来源 平方 和 自 由度 平均平 方和 润泣旧值 临 界值 ， 二 。 显 著性 。 八曰曰 。 连 。 自，︸了，，‘ 一土 。 叮上‘ ，土一 几才‘ 误 差 总 和 了 。 表 混 匀 时 间 的方 差 分析表 差异来源 平 方和 自由度 平均平方和 值 。 二 临界值 显 著性 ， 工 。 。 。 。 自曰，， 」八， 片创 卜 。 认 一了一 自勺，山，土 误差 总和 。 。 、 卜 表 混 匀 时 间 的方 差分析表 差异来源 平 方和 自由度 平 均平 方和 值 临 界值 显 著性 误差 总 和 。 。 。 。 。 。 户 ︵卜︺汽 … 任刀 乃八一 。 。 、 、 · ·

按L4(22)正交实验结果，对混匀时间进行方差分析，结果见表6。 单因子实验得出底吹气量与容量传质系数 和混匀时间的关系，见图2和图3。 051 在无底吹的情况下，顶吹枪位与混匀时间 的关系如图4所示。 50 3实验结果的回归整理 3 对整个吹炼周期内熔池混匀时间(？，)随搅 ,m21 拌能e:的变化，回归出下列方程： 出2底吹气量与容量传质系数的关系 Fig.2 Relationship between bottom Tw=570(e:)-0.71 blown gas amount and mass (相关系数r=0.9498) transfer rate constant 0下 50 10 190 Q,m,h 0.00.20.30.10.5 围3底吹气量与混匀时间的关系 Fig.3 Relationship between bottom L.Le blown gas amount and 图4顶吹枪位与混匀时间的关系 mixture time Fig.4 Relationship between lance height and mizture time 利用甲斐幹()作出的将水模型实验结果用于实 际时的修正式，求出实际转炉的混匀时间下，与￡：的关系为： 下，=5556.4(e:)-0·71 另外，在单一底吹的梢况下整理出容盘传质系数的准数方程如下： K Dd=3.25×10°(r04:3 式小：Fr一弗劳德准数；K—容量传质系数；D一扩散系数；一底吹嘴孔径。 4讨 论 任转炉复合吹炼技术的发展中，国内外对顶吹或底吹气流在熔池传质中的作用进行了大 量的研究1~3，但是很少单独考虑熔池产生的CO的作用。通过综合考虑顶吹、底吹和CO ·514·

按 正交实验结果 ， 对混 匀时 间进行方差分析 ， 单 因子实验得 出底吹 气量与容量传质 系数 和混匀时 间的 关系 ， 见 图 和 图 。 在无 底吹的情况下 ， 顶吹枪位与混 匀时 间 的 关系如图 所示 。 毛 ，叫 结果见 表 。 实验结果 的 回 归整理 一‘ 二 一 丫 孔一 犷 才 ， 刁︸ 们 ， 川 一 对整个吹 炼周期 内熔池 混 匀时 间 了 ， 随搅 拌 能 。 。 的变化 ， 回 归出下列 方程 ， 一 。 ‘ 相 关系数 图 名 底 吹 气 旦 与容且 传质系 数的 关系 火、 」 、 闷城、 川洲 门‘呻杏，土 卜︺卜 了一下 卜 山 。 图 底吹气盆与混 匀时间的关系 口 利用 甲斐斡 〔 ‘ ’ 作出的将水模 型实验结果 用 于实 际 时的修正式 ， 求出实际转沪 的混 匀时间了 ， 与 、 几 儿。 图 顶 吹枪位与混 匀时间的 关系 的关系为 。 。 一 ‘ 另 外 ， 在单 一底吹 的情况下整理 出容量传质系数 的准数 方程 如 卜 怎与 。 。 ’ 。 · ‘ 了 式 中 － 弗劳德准数 人 － 容量传质系数 － 扩散 系数 － 底吹 嘴孔径 。 讨 论 在转炉 复合 吹 炼技术的 发展 中 ， 国 内外对顶吹 或 底吹 气流在 溶池传质 中的作 用进 行 了大 最的研究 「 ‘ 一 ， 但 是很 少单独 考虑熔池 产生 的 的 作用 。 通 过综 合考虑顶吹 、 底吹 和