转炉吹炼过程喷溅机理及预报模型研究进展.pdf
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1、转炉吹炼过程喷溅机理及预报模型研究进展辛同泽1),王敏2,3),包燕平2)1)北京科技大学土木与资源工程学院,北京1000832)北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京1000833)北京科技大学金属冶炼重大事故防控技术支撑基地,北京100083通信作者,E-mail:摘要转炉作为一个高温高压、多元多相的反应容器,容易发生喷溅或溢渣事故.良好的熔池搅拌可以增大渣金反应面积,提高炼钢效率;异常的熔池搅拌则会造成金属损失,毁坏炉体及其附属设备,甚至威胁到炉前工作人员的人身安全.本文总结了前人对喷溅机理及影响因素的研究结果,转炉喷溅按产生的原因可以分为爆发性喷溅、泡沫性喷溅、金属性喷溅和其他
2、喷溅,其中爆发性喷溅的危害最大,泡沫性喷溅的发生频率最高.喷溅事故的产生总体可以归结为炉内激烈化学反应产生气泡驱动的高温熔体喷溅和顶底复吹为熔池提供的流动能量所产生的喷溅,且一次喷溅事故的发生常常是多种因素耦合引发,从单方面分析喷溅事故原因过于片面,研究出一套适用于转炉喷溅的安全评价模型是当务之急.并对现有的喷溅预报模型进行了综述,总结了炉气分析法、音频分析法、图像分析法的预测原理及部分应用结果,指出现有预测模型没有得到广泛应用的原因,未来喷溅预测模型会朝着更加智能化、精细化的方向发展.关键词转炉喷溅;溢渣;喷溅机理;影响因素;预测模型分类号X938Researchprogressofconv
3、ertersplashmechanismandpredictionmodeltechnologyXIN Tongze1),WANG Min2,3),BAO Yanping2)1)SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)StateKeyLaboratoryofAdvancedMetallurgy,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China3)TechnicalSuppo
4、rtCenterforPreventionandControlofDisastrousAccidentsinMetalSmelting,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTAs a high-temperature,high-pressure,multi-phase reaction vessel,the converter is vulnerable to splashing or slagoverflow.Goodmoltenpoolsur
5、gecanexpandtheslaggoldreactionareaandenhancesteelmakingefficiency.Abnormalmoltenpoolsurgecancausemetalloss,damagethefurnacebodyanditsauxiliaryequipment,andeventhreatenthepersonalsafetyofworkersworkinginfrontofthefurnace.Thispapersummarizesthepreviousresearchfindingsonsplashingmechanismsandinfluencin
6、gfactors.Accordingtotheoccurrenceprinciple,convertersplashescanbeclassifiedintoexplosivesplashes,foamsplashes,metallicsplashes,andothersplashes,amongwhichexplosivesplashesarethemostdangerousandfoamsplashesoccurmostfrequently.Theoccurrenceofsplashingaccidentscanbegenerallyattributedtothehigh-temperat
7、uremeltsplashingcausedbybubblesproducedduringthevigorouschemicalreactioninthefurnaceandthesplashingproducedbytheflowenergygeneratedduringthetopbottomcombinedblowingofthemoltenpool.Theinfluencingfactorsofsplashingarediscussedbasedonsixaspects:loadingsystem,slagmakingsystem,oxygensupplysystem,bottombl
8、owingsystem,temperaturesystem,andsafetysystem,andthefoamofslag,oxygenlanceblowingparameters,andbottomblowingparametersarethoroughlyexamined.Itisobservedthattheoccurrenceofasplashingaccidentisfrequentlycaused收稿日期:20220818基金项目:国家自然科学基金资助项目(52174297);中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-BD-19-022A)工程科学学报,第45卷,第10期:1716
9、1728,2023年10月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.10:17161728,October2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.18.002;http:/bythecouplingofmultiplefactors.Itismainlyone-sided,andhencethecauseofthesplashingaccidentcannotbeunilaterallyanalyzed.Currently,nomethodsarepresentthatcaneffectively
10、quantifytheeffectofeachfactoronthesplashing.Thus,developingasetofsafetyevaluationmodelssuitableforconvertersplashingisimperative.Furthermore,theauthorsummarizestheexistingsplashpredictionmodels,examinesthebenefitsanddrawbacksofsomesplashpredictionmodels,andsummarizesthepredictionprinciplesandsomeapp
11、licationoutcomesofthefurnacegasanalysis,audioanalysis,andimageanalysismethods.Althoughpreliminaryprogresshasbeenmadeinthestudyofpredictionmodels,therearestillchallengesthatneedtobeovercome.Itispointedoutthatthereasonwhytheexistingpredictionmodelshavenotbeenwidelyusedisduetothelowpredictionaccuracy,s
12、hortpredictiontime,highcost,andlowpracticability.Severalresearchershaveusedacombinationofseveralmodelstopredictsplashinconverter.Thefindingsrevealthatvariousmodelscanlearnfromeachother,andthepredictionaccuracyofthecomprehensivemodelishigherthanthatofthesinglemodel.Furthermore,thesplashpredictionmode
13、lwillbecomemoreintelligentandrefinedinthefuture.KEYWORDSconvertersplashes;slagoverflow;splashmechanism;influencefactor;predictionmodel转炉是高温、高压、多元多相的反应容器,吹炼过程易发生原料致爆、喷溅、氧枪漏水爆炸、炉底烧穿泄漏等典型事故,其中吹炼过程的喷溅是最为频繁的事故类型之一.转炉喷溅是吹炼过程氧气流股的冲击及脱碳反应的气体逸出导致炉内熔渣及金属液外溢的现象1,对转炉冶炼的安全性、经济性有重大影响.据统计,转炉喷溅导致的烧烫伤害事故占炉前烧烫伤害事故的 8
14、0%以上2;转炉喷溅导致的金属损失率在 0.5%5%,发生严重喷溅时,金属料的损失甚至可达到 10%以上3,转炉喷溅还会造成钢液温度和渣料的损失,影响钢液脱磷和脱硫效果4.本文系统归纳了转炉吹炼过程各类喷溅的形成机理及影响因素,分析了转炉喷溅不同预测方法的特点,旨在从源头上降低和消除转炉吹炼过程喷溅导致的事故.1转炉喷溅类型及影响因素1.1转炉喷溅类型转炉正常冶炼过程中会产生一定程度的喷溅现象,在熔渣或金属液滴飞溅的过程中,增大了渣金相的反应面积,对强化过程速率有着积极的影响,且其飞溅的范围较小,通常只在炉内发生,不会造成金属大量损失或危险事故发生.而当这种熔渣或金属液滴飞溅由于某种原因超出炉
15、内可控的范围,猛烈的冲击炉衬且从炉口飞出,严重时会大量涌出炉口,造成危险事故的发生,即我们常说的转炉喷溅.转炉喷溅按产生的原因分为以下几类:爆发性喷溅、泡沫性喷溅、金属性喷溅2,5、其他喷溅;按照喷溅发生的时期分为:前期喷溅、中期喷溅、后期喷溅.表 1 对按产生原因进行分类的三种喷溅类型进行了对比分析,泡沫性喷溅发生频率是最高的6,爆发性喷溅的危害是最大的.图 1 是转炉吹炼过程中冶炼前、中、后期常发生喷溅的类型和具体原因:冶炼前期主要是由于碳氧反应的突然启动引起爆发性喷溅;冶炼中期受吹炼枪位的影响较大,长时间软吹会引起泡沫化严重,进而易产生泡沫性喷溅,长时间硬吹会引起炉渣返干,进而易产生金属
16、性喷溅;冶炼后期主要是由于冷却剂加入过多或拉碳过快使碳氧反应突然剧烈,易引起爆发性喷溅.1.2转炉喷溅的影响因素影响转炉喷溅的因素很多,图 2 从装入制度、造渣制度、供氧制度、温度制度、底吹制度、安全制度六个方面整理了转炉喷溅的影响因素710.在这些因素中,存在许多的连锁反应关系,即由一种因素的非正常状态可能导致其他因素处于异常状态,因此,一次转炉喷溅事故的产生可能是由于多种因素共同作用的结果.1.2.1炉渣泡沫化炉渣的泡沫化情况是影响转炉喷溅事故的一个重要因素,而导致炉渣泡沫化处于异常状态也表表1不同喷溅类型对比表Table1ComparisonofdifferentsplashtypesS
17、plashtypeMaincauseMainoccurrenceperiodOccurrencefrequency(relative)MainhazardsExplosivesplashViolentreactionofcarbonandoxygenEarlyandlatestagesofsmeltingModerateLargecostlossandpossibleinjuryFoamsplashSeriousfoamofslagMiddlestageofsmeltingHighfrequencyLargecostloss,resultinginshutdownMetallicsplashP
18、ost-dryingofslagMiddlestageofsmeltingLowfrequencyMetallossandpossibleinjury辛同泽等:转炉吹炼过程喷溅机理及预报模型研究进展1717受多种条件的影响,表 2 整理了部分导致炉渣泡沫化严重的因素.文献 1114 的研究都表明,泡沫化程度随着炉渣黏度的增加而增大,随着炉渣表面张力、密度和气泡直径的增加而降低.其中表面张力和黏度对泡沫的生成影响最为直接:表面张力小意味着气泡容易生成;黏度大意味着气泡难以排出12.由此可以看出,表面张力越小,黏度越大,炉渣越容易产生泡沫化.而泡沫量的非正常增加,会导致脱碳反应产生的气体难以排出,
19、随着不断的堆积膨胀,待压力突破了气泡膜所承受的极限后,就会产生溢渣或喷溅事故.1.2.2氧枪吹炼参数转炉喷溅产生的动力学原因离不开吹氧冲击搅拌产生的能量,良好的熔池涌动可以增大渣金界面,进而提高冶炼效率,缩短冶炼时间,但不合理的氧枪吹炼参数则会引起喷溅安全事故,降低钢水收得率1819.如图 3 所示,在吹炼过程中,氧气射流所产生的能量对熔池液面进行冲击,产生冲击坑,而射流沿冲击坑表面向上反射,剪切形成一种表面波,在冲击坑边缘携带金属液飞出,因而产生喷溅1921.影响喷溅的转炉吹炼参数主要包括氧枪喷孔数、氧流量和枪位等.氧枪一般采用拉瓦尔型喷孔22,通常来说,氧流沿竖直向下的一定角度喷出,不但减
20、轻了对熔池的直接冲击力,而且增强了搅拌功能,利于冶炼的快速平稳进行23.如图 4 所示,传统的氧枪喷孔进口和出口仅有一个错位角度,而漩流氧枪喷孔进口和出口则有两个错位角度.Higuchi 和 Tago24通过水模型实验研究了不同扭转角度的漩流氧枪对熔池喷溅行为的影响,得出了扭转角为 11.4时,Explosive splashMctallic splashEnd ofconverterblowingLate stage ofconverter smeltingMiddle stage ofconverter smeltingEarly stage ofconverter smeltingFoa
21、m splashExplosive splashThe temperature is high in the late stage ofconverter smelting.A considerable amount ofcooling material is added or the endpoint carbon is pulled too fastHigh slag viscosity,low surface tensionand serious foamStart ofconverterblowingHard blowing for long durationscause post-d
22、rying of slagIn the early stage,the temperaturerises slowly and FeO accumulates.When the temperature rises,carbon andoxygen suddenly react violently图图1转炉吹炼不同阶段的喷溅特征Fig.1CharacteristicsofsplashingindifferentstagesofconverterblowingContent of Si and PMolten iron compositionCharging amountVolume-capaci
23、ty ratioPool depthDamp or enclosed spaceNumber of spray holesOxygen lance nozzleSpray angleOxygen supply flowOxygen supply parametersOxygen supply systemOxygen supply pressureBottom blowing flowLance position controlBottom blowing parametersBottom blowing pressureBottom blowing systemSteel scrapLoad
24、ing systemConverter splashSlag making systemTemperature systemSafety systemSecurity managementEquipment safetyEmployee awarenessAmount and timing of cooling material additionCarbon oxygen reactionTemperature of molten ironViscositySurface tensionFoam degreeBasicitySlag composition contentAmount of s
25、lagging material addedFeO、P2O5、SiO2图图2转炉喷溅事故影响因素图Fig.2Influencingfactorsoftheconvertersplashingaccident1718工程科学学报,第45卷,第10期喷溅率最低的结论;Li 等19通过水模型实验,得出了扭转角在 1020时,扭转角对降低喷溅量的影响最为显著的结论.多孔氧枪的设计可以分散氧气射流,使氧流的冲击力降低,冲击面积增加,利于平稳的冶炼.Yang 等25通过水模型实验研究了单孔喷头和三孔喷头对喷溅率的影响,如图 5(a)所示,单孔喷头的喷溅率要高于三孔喷头 4.28 倍左右;Ma 等26通过水
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