180t转炉超音速射流和聚...流与炼钢熔池作用下实验研究_刘海鹏.pdf
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1、23Metallurgical smelting冶金冶炼180t转炉超音速射流和聚合射流与炼钢熔池作用下实验研究刘海鹏摘要:为了延长180t转炉炉龄,简化转炉结构,以顶底复吹转炉为原型,按照10:1的比例设计模型,利用该模型开展复吹转炉超音速射流水模实验、聚合射流水模实验。超音速射流水模实验中,以枪位高度、气体流量作为变量,统计均混时间数据。实验结果显示,顶吹气体流量39m3/h,枪位150mm条件下,均混时间达到最佳,为11.2s。聚合射流水模实验中,以枪位为变量,根据均混时间变化特点,建议取消底吹系统,从而达到实验目的。关键词:聚合射流;枪位;均混时间;超音速射流;气体流量我国在炼钢技术变
2、革方面投入了大量资金,尝试采用聚合射流、超音速射流工艺,展开顶底复吹搅拌实验研究。均匀混合时间作为熔池内混合特性参数,对炼钢技术中的吹炼工艺实施效果影响较大,所以需要探究该参数与氧枪枪位、顶吹气体流量之间的关系。根据参数变化特点,确定最佳氧枪枪位、顶吹气体流量。另外,为了提高炉龄,简化转炉设备,还需要展开聚合射流与熔池之间相互作用实验,以气体流量作为固定条件,观察顶底复吹搅拌效果,判断聚合射流工艺方案可靠性。由于顶底复吹搅拌实验研究时间尚短,受多项因素影响,未能得到较为可靠的实验方案与结论。本文尝试以鞍钢180t转炉为例,设计一套模拟实验方案进行深入探究。1 实验设计1.1实验装置为了保证实验
3、的有效性,本研究以鞍钢180t转炉作业装置及作业环境要求为实验装置部署要求,按照10:1的比例缩小180t转炉,制备模拟实验装置。实 验 装 置 的 主 要 参 数 为:顶 枪 枪 位 范 围1300mm 2100mm;顶枪压力范围0.85MPa 1.18MPa;顶枪流量3200m3/h;熔池深度1675mm;熔池直径5150mm;底枪流量480m3/h。1.2实验条件提出氧枪喷头、模型几何尺寸设计方案,从而为本实验的顺利开展创造有利条件。1.2.1氧枪喷头设计为了得到较为准确的实验模拟结果,本次试验选取超音速射流氧枪作为模拟工具,根据转炉实际作业参数要求,设计氧枪喷头结构尺寸。本设计方案建立
4、在相似理论基础上,与相似准数为核心,采用修正处理方法,得到Froude准数。关于氧枪尺寸的设计,采用流量计算公式求解尺寸参数。超音速射流氧枪工艺出口处,通过查询等熵流表,获取氧枪作业压力与温度相关参数数值,计算喉口面积7.8mm2,由此推算喉口直径,利用直径计算公式得到此参数数值为3.14mm。根据出口面积与喉口面积之间的关系,求解出口参数数值,得到出口半径数值为4.1mm。如果采用 4 孔喷头布设方式加以设计,会增加制作难度。为了降低模拟装置制作难度,本次模拟实验采用单孔形式制作喷头。从理论层面来看,这种结构调整,不会对几何相似造成影响。1.2.2模型几何尺寸设计设计模型几何尺寸同样采用几何
5、相似方法,根据各个参数之间的关系求解几何尺寸数值。此处以熔池直径为例,根据原型的直径数值、原型直径与模型直径关系,计算模型直径数值。其中,原型直径数值为5140mm,则模型直径计算结果为514mm。另外,为了满足实验要求,在开展实验之前,本研究还确定了模型供气参数。以转炉实际作业参数为标准,设计模型供气参数,通过计算各项指标数值,判断模拟参数设定是否合理,从而为模拟实验可靠性提供保障。依据转炉实际作业数据采集资料可知,转炉实际作业期间底吹氧枪实际流量和顶吹氧枪实际流量分别为475m3/h、32000m3/h。本次模拟实验,设计底吹、顶吹氧枪24Metallurgical smelting冶金冶
6、炼实际流量范围200m3/h 640m3/h、30000m3/h 34500m3/h。按照模型与原型流量关系,模拟流体动力相似情况,得到模型中气体流量等参数结果1.3实验方案1.3.1复吹转炉超音速射流水模实验方案本实验方案确定底吹工艺为最佳状态,取该状态下的各项参数数值。其中,枪位高度、气体流量作为变量,通过调整变量数值,探究均匀混合时间在不同复吹工艺条件下所受影响。以下为顶吹和底吹操控实验方案:顶吹实验设计:设定气体流量参数取值方案。本次试验以1m3/h为顶吹气体流量间隔,取5组参数:1组参数38m3/h,2组参数39m3/h,3组参数40m3/h,4组参数41m3/h,5组参数42m3/
7、h。接下来,设定枪位参数取值方案。本次试验以20mm为顶吹枪位间隔,取5组参数,1组参数130mm,2组参数150mm,3组参数170mm,4组参数190mm,5组参数210mm。这两组参数均为变量数值,探究不同变量条件下的均混时间。底吹实验设计:底枪位置0.3D(两直径比为0.3,即喷嘴的同心圆直径、炉体熔池直径的比值),气体流量设定为0.7m3/h。实验操作中,底吹实验条件保持不变,调整顶吹实验条件来调整变量,记录不同氧枪枪位条件下的均匀混合时间模拟结果。1.3.2聚合射流水模实验方案以往开展的聚合射流水模实验,需要修正枪位,采用亚音速氧枪作为模拟工具,生成超音速射流氧枪。这个过程较为复杂
8、,存在很多因素影响枪位修正效果。为了避免产生枪位修正问题,本此实验采用超音速射流氧枪作为试验工具,运用该工具模拟聚合射流氧枪。与传统超音速射流相比,聚合射流技术的应用增加了一个射流核心区域。由于增加此区域,为射流距离需求提供了保障。从理论层面分析,聚合射流技术的应用,支持顶部与顶部复吹搅拌,满足熔池加强搅拌要求,因而作业期间取消底吹操作。根据水模实验结果,确定最佳枪位,根据该项参数与氧枪出口直径关系,计算超音速射流中心线上速度,统计技术应用下的冲击面积变化数值。由统计结果可知,低枪位41mm处,传统超音速射流技术的应用与聚合射流氧枪技术的应用效果相似,产生的冲击面积变化幅度较小。因此,在开展聚
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