顶、底、复合吹炼转炉熔池流场及循环流量的试验研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.01.004 北京钢铁学院学报 1982年第4期 顶、底、复合吹炼转炉熔池流场 及循环流量的试验研究 技能工程系王尚槐 摘 要 对顶吹、中心底吹及复合吹三种工艺，在不同的气体流量条件下，用铝粉示踪 法研究了熔池内的流谱，用频闪光照象法测定了涡环中的速度分布。流谱试验指 出：熔池内形成一个封闭的涡环，三者都可当作轴对称二维流场。由测定结果计算出 涡环中心的位量为合=0,57,2级=0.83。还计第出不同的限火流量和不同的底 吹流量条件下的循环流量，回归出它们之问的定量关系式为，Q:=0.659Q,+ 5.175Q8-0.051Qr2-4.975Q:2-0.22QrQ。依此对熔池内的搅拌规律进行了分 析。在试验的参数值范围内，循环流量与顶吹气体流量之间的关系为具有一极大值 的曲线，循环流量和底吹气体流量之间的关系为一条逐渐变缓的上升曲线。复合吹 炼的循环流量小于单纯顶吹和单纯底吹时间两者循环流量的代数和。附加底吹所增 加的循环流量随顶吹量的增加而减小。 一、前言 近几年，转炉顶底复合吹炼炼钢新工艺受到广泛重视。它综合了顶、底吹的优点，是一 种很有前途的方法。实现复合吹炼的基本思想是在顶吹的基础上，附加小流量的底吹以强化 搅拌。众所周知，搅拌过程对转炉的熔炼过程起着重要作用，弄清搅拌规律对控制冶炼过程 有重要意义。多年来不少人都很重视对转炉熔池内搅拌规律的研究。 直接研究转炉熔池内的混合过程是很困难的，目前主要用物理模型或数学模型进行研 究。现已建立的数学模型所得的结果对指导实际过程还有相当大的距离，而物理模型的研究 结果可以为指导生产提供参考数据。利用模型试验研究转炉熔池搅拌混合规律的常用方法是 测“混合时间”，即向模拟钢液的水中加入一定量的电解质溶液，测加入后电导率的变化， 判断混合均匀所需的时间。这种方法简便、直观，是判断混合快慢的一种有效方法。但混合 时间只是表示最终的混合效果，而没有揭示搅拌混合过程。要了解搅拌混合过程就需研究熔 池流场，即研究熔池内的流动图象及速度分布。由速度分布可计算“循环流量”、“循环周 期”等判断混合快慢的重要指标。研究速度场是研究传热和传质过程的基础。速度场的实测 数据是建立和检验数学模型的依据。 用测混合时间的方法研究转炉熔池内的搅拌规律国内外都作过不少工作，而对转炉熔池 25

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 顶 、 底 、 复合吹炼转炉熔池流场 及循环流量的试验研究 热能工 程 系 王 尚槐 摘 要 对顶 吹 、 中心 底 吹及 复合 吹三 种工 艺 ， 在不 同 的气体流量 条件下 ， 用 铝 粉示 踪 法研 究 了熔 池 内的流谱 ， 用 频 闪光 照象法 测 定 了涡 环 中的速 度分 布 。 流谱 试验 指 出 熔 池 内形成 一 个封 闭的涡 环 ， 三 者 都可 当作 轴对称 二 维流场 。 由测定 结果 计算出 涡 环 中心 的位 置为浦一 ， 。 、 ‘ ‘ 一 ‘ 一 ， 一 ， 山 一百 一 二 · 还计 算 出 币 同 的 视 吠 况 和 小 问 时 低 吹流量 条件 下 的循 环 流量 ， 回 归 出它们 之 间 的 定 量 关 系式为 。 “ ， 。 一 忍 一 。 一 。 恢 此对熔池 内的搅拌规律进 行 分 析 。 在 试 验 的参数值 范 围 内 ， 循 环 流量 与顶 吹气体流 之 间的关 系为具有一 极大值 的 曲线 ， 循 环 流量 和底 吹气体流 量之 间的关 系为一 条 还 渐 变缓 的上 升 曲线 。 复合 吹 炼的循 环 流 量 小 于 单纯顶 吹和 单纯底 吹时 间两者循 环 流量 的代 数 和 。 附加底 吹所增 加 的循 环 流量 随顶 吹量 的增加 而 减 小 。 一 、 前 一中 玉目，一目目 口 近 几 年 ， 转炉顶 底复 合吹 炼炼钢 新工 艺受 到广 泛 重 视 。 它综 合 了顶 、 底吹 的 优点 ， 是一 种很有前途 的方 法 。 实现 复合吹炼的基 本思想是在顶 吹 的基 础 上 ， 附加小流量 的底 吹 以强 化 搅拌 。 众所 周 知 ， 搅拌过 程 对 转炉 的熔炼过 程 起 着重 要 作用 ， 弄清搅拌规律 对控 制冶炼过 程 有重 要意义 。 多年来 不 少人都很重视对转炉熔池 内搅拌规律 的研究 。 直接研究 转 炉熔池 内的 混合 过 程是很 困难 的 ， 目前主 要 用 物理模 型 或数学 模 型 进 行研 究 。 现 已建 立 的 数 学 模型所得 的 结果 对指 导实 际过 程还有 相 当大 吮距 离 ， 而物理模型 的 研究 结 果可 以 为指 导生 产提 供 参考数据 ， 利 用模型 试 验研究 转炉 熔池搅拌混 合规律的常用方 法 是 测 “ 混合 时 间 ” ， 即 向模 拟钢液 的水中加 入 一 定量 的 电解质 溶液 ， 测加入 后 电导率 的 变化 ， 判断 混 合 均匀所需的 时 间 。 这种方法简便 、 直 观 ， 是判 断混 合 快慢 的一种 有效方 法 。 但混合 时 间只是 表示 最 终的 混 合效果 ， 而没有揭示 搅拌混 合过 程 。 要 了解搅拌 混 合过 程就需研究熔 池 流场 ， 即研究 熔池 内的 流动图 象及速度分布 。 由速 度分布可计 算 “ 循环 流量 ” 、 “ 循环周 期” 等判 断 混 合 快慢 的 重要 指 标 。 研究速 度场是 研究 传 热 和传质 过 程 的 基础 。 速 度场 的实测 数据是建立和 检验数学模 型 的 依据 。 用测混 合 时 间的 方 法 研究 转炉熔 池 内的 搅拌规律国 内外 都作过不 少工 作 ， 而对转炉熔池 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．04．004

内的速度场的研究却做得很少。除了六十年代D.H.Wakelin所做的工作12·！外，很少 见到这类研究工作的报导。肖泽强等人曾在钢包的水模刑中和实际钢包中测试过速度场：！， 其研究结果对了解小流量底吹转炉熔池中的混合过程有重要参考价值。 D.H,Wakelin对顶吹射流冲击下熔池内的速度分布只描绘出图象而没有定量关系式， 他没有研究底欧和复合吹。我们的研究工作是首先研究了熔池中的流谱（流动图象），然后 定量测定了熔池中的速度分布，从而计算其“循环流量”和“循环周期”。不仅研究了顶 吹，而且还研究了中心单孔底欧和复合吹。 二试验方法 测试工作在水模型中进行。模型用有机玻璃制作，直径290毫米，以30吨转炉为模拟对 象，比例为1：9。顶吹和底吹的供气系统见图1。 研究熔池流谱的方法是铝粉示踪法，用片光源照明拍摄熔池流谱照片！。为避免光经 过模型圆筒壁面的折射造成的流场图象变形失真，模型放置在一个方形水箱中观察和照象。 定量测试速度场的方法是用粒子 示踪频闪光照象法。所谓频闪光是以 接压气机 一定的固定频率间断照明的光源1。 利用这种光源照明，同一个示踪粒子 在拍援的爆光时间可能被照明若干 次，从而在照片上得到若干点。图2 即为所拍摄的照片之一例。利用图象 分析装置将图象放大，可准确地读出 每个点的座标位置。若粒子原先位置 在i点(Ri,Zi,),后一个位置在 j点(R,Z,),而频闪光的频率为 1.转子流量计，2.U型管压力计，3.支架，4.喷枪， 5.喷头，6.熔池7.透气砖，8.U型压力计，9.转子流 f,读图时的图象比模型放大B倍，量计，10.氧气瓶， 则i点处流体的分速度分别为： 图1试验设备简图 图2频闪照象拍摄的照片（右边为测试区） 26

内的 速度场 的 研究 却 做得 很 少 。 除 了六十年代 所做 的工 作 ‘ ’ ’ 外 ， 很 少 见 到这 类研究工 作 的报 导 。 肖泽 强等人 曾在钢 包的 水 模型 中和 实际钢 包 中测试过 速度场 ‘ 】 ， 其 研究 结 果 对 了解小 流量底 吹 转炉 熔 池 中的 混 合过 程 有 重 要 参考价 值 。 对顶 吹 射 流 冲击下熔 池 内的速 度分布只描绘 出图 象而没有定量 关系式 ， 他 没有 研 究底 吹 和 复 合吹 。 我们 的研究 工 作是 首先研 究 了熔 池 巾的 流谱 流动 图 象 ， 然后 定 量 测定 了 熔池 中的速 度分 布 ， 从 而计 算其 “ 循环 流量 ” 和 “ 循环 周 期 ” 。 不仅 研究 了顶 吹 ， 而且还 研究 了 中心 单孔底 吹 和复 合吹 。 二 试 验 方 法 测试工 作在水模型 中进 行 。 模 型 用有机玻 璃 制作 ， 直径 毫米 ， 以 吨转炉 为模 拟对 象 ， 比例为 。 顶 吹 和底 吹 的 供 气 系统 见 图 。 研究 熔 池 流 谱 的方 法是 铝 粉示 踪 法 ， 用 片光 源 照 明 拍摄 熔 池 流谱 照片 石 。 为 避免光经 过模型 圆筒壁 面 的 折射造 成 的 流场 图 象变形 失真 ， 模 型 放 置 在一个方 形 水 箱 中观察和 照 象 。 定量 测试速 度场 的方 法是 用 粒 子 示踪 频 闪光 照 象法 。 所 谓 频 闪光是 以 一定 的 固定频率 间断 照 明的 光源 】 。 利用这种 光源 照 明 ， 同一 个示 踪 粒 子 在 拍摄 的 爆光时 间可 能 被 照 明若 干 次 ， 从 而在照 片 上得 到若干 点 。 图 即为所 拍摄 的 照片之一例 。 利用 图 象 分析装置将 图 象放 大 ， 可 准确地读 出 每个点 的座 标位置 。 若粒 子原 先位 置 在 点 ， ， ， 后一 个位置 在 点 ，， ， ， 而频 闪光 的频率 为 ， 读 图 时 的 图 象比模型 放大 日倍 ， 则 点处流体 的 分速度分 别为 ， 转 子 流量 计 型 管压 力计， 支架 喷头， 熔 池 透 气砖 型压 力计 量 计 氧气 瓶， 图 试 验 设 备简 图 图 频闪照象 拍摄 的 照 片 右 边为 测试 区

径向分度速： Vr=-B-(R,-R:) (1) ◆ 轴向分速度： V,=2,-z) (2) 知道分速度则可计算该点的速度大小和方向。 三、试验设计与试验结果 根据相似模化的要求确定试验参数。顶吹气体流量按下列的修正弗鲁德准数相等进行计 算： F=6((8)' (3) 式中u为喷枪出口气流速度，d为喷口直径，D为熔池直径，r。为喷口处气体重度，r为 熔池内液体重度。这一准数是按单位时间内从喷口喷出的气体动量与熔池内液体的重量之比 相似导出来的，它适用于喷枪出口直径与熔池直径之比不满足几何相似的情况。 底吹气体流量是按下列公式计算： ()=()(片)() (4) 式中G为气体的重量流量，D为熔池直径，r,为熔池内液体重度，r。为气体在标准准态下 的重度，P为气体出口处即熔化底部的绝对压力，T为熔池内液体的绝对温度。带撒号“”者 表示模型，不带者为实物。这一公式是由弗鲁德准数相等转换得来的。 顶吹气体选用压缩空气，径计算为模拟30吨转炉其流量应为8.2米3/小时。底吹选用透 气砖吹氧气。为了既减少试验工作量又能得到准确的结果，我们采用了回归正交试验设计方 法安排试验[7)。选定顶吹流量(Q)和底吹流量(Q)为二个试验因素，各选择三个水平，即 Qr为0,4,8米°/小时，Q为0,0.2,0.4米/分.吨)（相当于转炉底部吹氩0,0.034,0.068 标米3/分吨)按正交设计安排9种工况进行试验。具体安排见表1。 用频闪光照象法对每一工况拍摄若干张照片，取得如图3所示的几十个甚至上百个数据， 将这些数据在M-150计算机上回归可得(5)式和(6)式表达的回归方程： V2=A+A2Z+A3R+AZ2+AsR2+A.ZR (5) VR=B+B2Z+BR+BZ2+BR2+B.ZR (6) 式中Z、R的单位为厘米，V2,V的单位为厘米/秒。各工况的回归数据组数，回归系 数B及回归方程的信度列入表1中。从信度值可知用二元二次多项式回归可达到非常密切的相 关关系。 将(5)和(6)式联立求解得VR=0和V:=0的涡环中心位置(R,Z,)。用熔池深度(H)和 直径(D)换算得涡环中心位置的相对值(）和（费）。具体值见表1。 熔池内的液体绕涡心循环流动。根据流体的连续性，取通过涡心的任何一个截面都可算 出熔池内的循环流量，本试验中取误差较小的涡心以下的垂直截面进行计算。循环流量： 27

径 向分 度速 二 一 昔 ， 一 ‘ 轴 向分 速 度 ， ’ 一认 一 、 一 日 、 “ ’ 一 “ ‘ 产 知 道分 速度则可 计 算该点的速 度大小和方 向 。 三 、 试验 设 计 与 一 试验结果 根据 相 似 模 化的要 求确定试验参数 。 顶 吹气体 流量按 下列 的修正 弗舍德 准数相 等进 行计 算 ， 之 二 护 一 人 一 一 一 石一 口 口 式 中 。 为喷枪出 口 气流速度 ， 为喷 口 直径 ， 为熔池 直径 ， 。 为喷 口 处气体重 度 ， 为 熔池 内液体 重 度 。 这一准数是按 单位 时 间内从喷 口 喷 出的 气体 动 与熔池 内液体的重量 之 比 相似 导 出来 的 ， 它适 用于喷枪出 口 直径 与熔池直径 之 比 不 满足 几何相似 的情 况 。 底吹 气体流量 是按下列 公 式计算 答 ’ 号 ’ 哥 箫 令 干 “ ， 尹 厂 式 中 为气体 的 重量 流盆 ， 为熔池 直径 ， 为熔池 内液体重 度 ， 。 为气体 在标准准态 下 的 重度 ， 为 气体 出 口 处即熔 化底 部的 绝对压 力 ， 为熔池 内液体 的 绝对温 度 。 带撇号 “ 夕 ” 者 表示模型 ， 不带者为 实物 。 这一公式是 由弗鲁德准数相 等转换得来 的 。 顶 吹气体 选 用压 缩 空 气 ， 径计算为模拟 吨 转炉 其 流量 应为 米 小时 。 底吹选用 透 气砖吹氧 气 。 为 了既减 少 试验工 作量又 能得 到准确的 结果 ， 我们 采用 了 回归正交试验设计方 法安 排试验 〔 。 选定顶 吹 流量 和底吹 流量 为二个试验 因 素 ， 各选 择三 个水平 ， 即 为 ， ， 米 小时 ， 为。 ， ， 米 昌 分 吨 相 当于 转炉底部吹氛。 ， ， 标米 吕 分 吨 按 正 交设计安排 种工 况进 行试 验 。 具体安排见 表 。 用频 闪光照 象法对每一工 况 拍摄若干张照片 ， 取得如 图 所示 的几 十个甚 至 卜百个数据 ， 将这些数据 在 一 计算机 上 回归可得 式 和 式表 达 的 回归 方 程 。 ‘ 。 ， 、 ‘ 。 艺 。 式 中 、 的 单 位 为厘 米 ， 、 的 单位为厘米 秒 。 各工 况 的 回归数 据组数 ， 回归系 数 及 回归方 程 的 信 度列入 表 中 。 从信度值可知 用二元二次 多项式 回归 可达 到非 常密切 的相 关关系 。 将 和 式 联 立求解得 和 二 确勺涡环 中心位置 。 ， 。 。 用熔池 深度 和 一 、 、 ‘ ， 。 、 ， 、 ， ， 。 、 、 ， ， 一 直径 ‘ ’换 算得’“ 环 中 ‘ 。 位 置 的相 对值又节夕和 又分夕 。 具体值 见 表‘ 。 熔 池 内的液体 绕涡 心循环 流动 。 根据 流体 的连 续性 ， 取通过 涡心 的任何一个截面都可算 出熔池 内的循环 流量 ， 本试验 中取 误 差较小 的 涡心 以 下的垂直截面进行计算 。 循环 流

&1 试验数据 试幽 翻 归系 数 信 回归 涡环中心位置 循环 数据 u Z。 2 B B2 B B. B, Be 组数 D 0 0 0 2 0.2 -12.9020.302i1.7670.104 -0.09180.02130.0000134 0.55 0.81 0.956 3 0 0.4 -11.0350.2761.421 0.242 -0.0738-0.05190.0026 42 0.605 0.8221.281 4 0 -6.441 0.3700.2560.01330.050 0.157 0.0000 80 0.553 0.832 1.963 5 40.2 5.771 2.3341.6010.2690.0270 0.229 0.0000 74 0.6140.845 2.460 6 4 0.4 -2.15 0.701-0.6630.159 -0.01780.228 0.0000 46 0.54 0.8662.602 7 8 0 -8.316 1.027 0.326 0.0992-0.04080.0408 0.0000 53 0.592 0.803 2.002 89 8 0.2 -16.6612.086 2.396 -0.3390.201610.2699 0.0000 60 0.518 0.821 2.38 8 0.4 -11.8591.848 0.035 0.0598-0.01650.0473 0.0000 62 0.597 0.813 2.677 10 11 12 13 R…·Cm 图3频闪照象测试点综合图（第2工况） 图4顶吹熔池流谱照片 28

炎 试验数据 信度 数组回归据数 酬娓参崔 仪 甘甘︸︶︵﹄ 口 ， … 日八廿︸︸︶﹄ “甘︸ ，刀、 任内二八君 兮，曰八月︸ 回 归 系 数 。 涡 环 中心位 置 多、 。 循环 流量 升 移 试工验况 参喇娓降 卜 甘 一 口︹ 日︸﹃ 目二」， 八 卜 日一﹃︸︺ 嘴︺一刀 叮日 八 八八︹ 司 一 一 八八 日八︹︸ 八 八八 一 一 一 一 一 一 ， 遵 匕丹﹄ 口内民 二口 曰，，工 洲一月川曰日日川叫口 ，、 上，︼凡邢︸月吮﹄匕内，‘︸随﹄， 弓口吐且 邑 图 频闪照象测 试 点综合 图 第 工 况 图 顶 吹熔池流谱 照片

图5中心底吹溶池流谱原片 图6项底复合吹溶池流谱凰片 图？中心底吹熔池横刮面的流谱照片 Q.-fx.Vd. (7) 将(6)式代入积分得： Qc=2πR〔(B1+BsRg+B,R,2)Z。 +号(B+RR)Z,+号B,Z,3 (8) 各工况的循环流量值列入：1。将循环流量(Q:)付顶吹气体流昼(Q)和底吹气体流 (Q)进行回归得下列回归方程： 29

砂娜粼 图 中心 底 吹熔 池流谱 牌 片 图 顶底 复合 吹熔 池 流诣 照 中心 底 吹熔 池横 刮面 的流谱 照 片 。 兀 。 ， ， ，尸 乞 一 图 。 将 式 代入 积分 得 。 九 。 〔 ， 。 。 弓 。 “ 。 】 。 、 。 。 ‘， 各工 况 的循 环 流量值列 入 ’ 。 将 循环 流量 。 讨顶 吹 气体 流见 种 和底吹 气体 流最 。 进行 回归得 下列 回归方 程