張少勇，王月，劉海嘯，李勝利，張倍愷

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）

摘要：為了使鐵水快速脫氧、脫硫，快速提高合金收得率，改善頂吹工藝的熱力學(xué)和動力學(xué)條件，本文以鋼廠150 t 鐵水包為原型，通過建立尺寸比例為1：4 的幾何模型，采用正交實(shí)驗(yàn)法研究頂吹吹氣位置、吹氣量和吹氣高度對鐵水包內(nèi)鐵水混勻的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)得出，影響鐵水混勻時間的主次因素順序?yàn)椋喉敶荡禋饪着c鐵水包中心距離>頂吹吹氣孔距離鐵水面高度>吹氣量；當(dāng)頂吹吹氣孔距離鐵水面高度為200 mm、頂吹吹氣孔距離鐵水包中心0.7r 、吹氣量600 L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況）時鐵水的混勻時間最短。

關(guān)鍵詞：鐵水包；頂吹氣；鐵水混勻；水模

噴射冶金是鐵水預(yù)處理重要手段之一^［1］，具有快速脫氧、脫硫，提高合金元素的收得率，微合金化的功能^［2-5］。頂吹還可以改善精煉熱力學(xué)和動力學(xué)條件。在實(shí)際鐵水預(yù)處理過程中，通過改善預(yù)處理頂吹工藝條件，強(qiáng)化鐵水物理化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)條件，能夠?qū)崿F(xiàn)提高脫硫效率，縮短預(yù)處理時間，加快生產(chǎn)節(jié)奏，降低生產(chǎn)成本。本實(shí)驗(yàn)在相似原理的基礎(chǔ)上^［6-7］，建立了鐵水包頂吹模型物理實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)分析得出，控制頂槍吹氣位置、吹氣量、吹氣高度對鐵水包內(nèi)鐵水充分混合均勻的時間影響，為鐵水預(yù)處理中改進(jìn)合理的頂吹工藝提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/span>

原鐵水包與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绨凑?：1 的比例縮小，保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原包型幾何相似，詳細(xì)尺寸見表1。

模型與原型的修正Fr 準(zhǔn)數(shù)相等即可滿足動力學(xué)相似。由此得出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袊姵鰵怏w流量與鐵水包原型的關(guān)系為Qm =0.011 2 Qp 。式中：Qm 為實(shí)驗(yàn)氣體流量，Qp 為鐵水包氣體流量。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

鐵水包實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎袡C(jī)玻璃制成。實(shí)驗(yàn)中，用水模擬鐵水，用空氣模擬氬氣。圖1 是物理模型試驗(yàn)裝置圖，實(shí)驗(yàn)中通過對頂吹槍高度、位置和吹氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同水平的模擬效果。

1.3 實(shí)驗(yàn)混勻時間的測量方法

在實(shí)驗(yàn)過程中采用刺激—響應(yīng)技術(shù)：通過向鐵水包模型遠(yuǎn)離頂吹槍位置瞬時加入示蹤劑（飽和NaCl溶液），然后連續(xù)測定不同測量點(diǎn)的電導(dǎo)率變化，直至電導(dǎo)率變化不超過穩(wěn)定值（C∞）的±5%，即選取|Ct -C∞| ≤0.05 C∞ 為標(biāo)準(zhǔn)，所需的累積時間t0.95 即為實(shí)驗(yàn)混勻時間。

為了更好地消除實(shí)驗(yàn)誤差，每個測量點(diǎn)重復(fù)測量3 次，數(shù)據(jù)測量時間為3 min，測量數(shù)據(jù)時間間隔為0.05 s，取平均值。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計方案，變量包括頂吹槍的高度、位置和吹氣量三個因素，每個因素選擇五個水平，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了研究吹氣位置、吹氣高度、吹氣量對混勻時間的影響，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計，進(jìn)行了25 組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2.2 結(jié)果分析

采用極差分析法分析正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出頂吹吹氣高度、頂吹吹氣位置、吹氣量對鐵水混勻時間的影響。計算各水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果總和、平均值和極差，見表4。

由極差的大小可以得出，影響鐵水混勻時間的各因素中，主次順序?yàn)椋喉敶荡禋馕恢?gt;頂吹吹氣高度>吹氣量。

混勻時間與頂吹吹氣高度、頂吹吹氣位置、吹氣量關(guān)系如圖2所示。

隨著頂吹吹氣位置逐漸偏離中心，混勻時間先小幅增加，之后大幅度減少至最低值后又急劇增加。當(dāng)吹氣位置在水平4（0.7 r）時，混勻時間最短。

混勻時間隨著頂吹吹氣高度的增加先增后減。當(dāng)吹氣高度為水平4 時，混勻時間最長，吹氣高度為水平1 時混勻時間最短。吹氣高度為200mm時最有利于鐵水的混勻。

隨著吹氣量的不斷增加，混勻時間出現(xiàn)波動，在水平3 時達(dá)到最長，在水平4 時達(dá)到最短。當(dāng)吹氣量為600 L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況）時混勻時間短。

3 結(jié)論

（1）在本實(shí)驗(yàn)中，鐵水包頂吹位置、吹氣高度、吹氣量都會對鐵水包的混勻時間產(chǎn)生影響，影響混勻時間的主次因素順序?yàn)椋喉敶荡禋饪着c鐵水包中心距離>頂吹吹氣孔距離鐵水面高度>吹氣量。

（2）本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)頂吹吹氣孔距離鐵水面高度為200 mm、吹氣孔距離鐵水包中心0.7 r 、吹氣量600 L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況）時混勻時間最短，鐵水的混勻效果最佳。

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