ZHU Jiangjun,CHEN Chao,FAN Jinping,et al.Study on motion melting and mixing of ice samples in a water model of ladle[J].Journal of Taiyuan University of Technology,2023,54(6):1063-1069.
炉外精炼中钢包冶金的主要作用包括合金料加入及其均匀化、调节温度、钢液脱硫、非金属夹杂物的去除等[1-2]。大部分合金料及石灰辅料是以块状或整袋从料仓加入或从LF精炼炉炉口抛入[3],其快速熔化和在钢包中均匀分布,决定了精炼过程的生产节奏。近年来,一些企业报道了在LF中加入废钢的新工艺[4]。研究上述固态物质在钢包精炼过程的熔化及均匀化机理,能够优化精炼工艺,有利于加快生产节奏。
目前已有学者通过工业试验[5-6]、高温实验[7]、数值模拟[8]、计算流体力学模型[5,9-10]等方法对合金在钢包中熔化混匀的相关问题展开了研究。也有研究通过高温实验[11-12]、微观传热模型等[13]研究了废钢的微观熔化过程。相比而言,水模型模拟是一种可以直接观察且实用的研究方法。大量研究使用盐水溶液示踪剂测量钢包水模型中的各种参数对混匀时间的影响[14-17],以探寻优化的设计参数。仅有个别研究使用固体盐粉剂[18-19]研究合金在冶金反应器中的混匀过程。对于熔化较慢的废钢以及整袋的合金或辅料等[20],用盐水溶液或融化较快的盐粉剂较难模拟其熔化过程,仅能在水模型中研究其混匀过程。此外,有部分学者使用冰块研究其在强制对流过程的融化[21-23]。也有学者对电弧炉水模型[24-26]、转炉水模型中[27-28]冰的融化展开研究。仅有文献[29]研究了钢包水模型中冰的融化。
上述研究只分析了融化过程或已融化物质的混匀过程,而对于废钢或体积较大的整袋合金或辅料,其熔化及在钢包中均匀化是一个连续的过程,其在钢包中的运动、熔化及扩散混匀机理尚不明晰。本文通过水模型类比实验,以水和饱和KCl溶液冻成的冰样分别模拟轻、重固体物质(下文简称为冰球、盐球),研究温度、底吹气量、液面高度、加入位置等因素对冰样融化以及运动状态的影响,通过监测钢包水模型中KCl浓度,探究重型物质(盐球)在钢包中“运动—融化—混匀”的影响规律。为优化合金及辅料在钢包精炼炉中的熔化及均匀化提供参考。
本实验中使用的水模型尺寸参数是基于某厂260 t钢包原型,根据相似原理1∶8制作而成。本文在设计钢包时采用修正弗鲁德准数相似:
(1)
(2)
(3)
(4)
式中:Fr′为修正的弗鲁德准数;U为气体的特征速度,m/s;ρg、ρl分别表示气体和液体的密度,kg/m3;g为重力加速度,m2/s;H为熔池高度,m;Q为吹气量,m3/s;d为透气砖直径,m.
基于SHUKLA et al[23]提出的相变准数(Ph)作为冰样类比研究固体物质熔化的依据,其表达式如下:
(5)
式中:ΔH是熔化潜热;Cps是固体比热;ΔT是过热度。
钢包水模型及实验参数如表1所示,物理模型如图1所示。图中A与B分别代表加入冰样的两个位置,即吹气孔上方与远离吹气孔另一侧上方。本实验将两种冰样分别在不同的位置加入,用相机记录其运动状态与融化过程,每个方案重复实验5次以上。冰球及盐球的制备在直径为50 mm 的塑料模具中冷冻足够时间后完成。盐球的密度为1.175 g/cm3.对于盐球在测量融化的同时,在水模型中设置电导率探头监测水中KCl的浓度变化,使用DDSJ-318A电导率仪同步测量实时的电导率值变化。在贴近壁面处分别距液面和距底部50 mm设置电导率探头1和2,与此同时底部设置电导率探头3.根据检测的电导率值转换为溶液中KCl的浓度,根据98%的标准确定混匀时间。本文研究的底吹气量、液面高度、加入位置、温度等变量如表1所示,常用工况为液面高度420 mm,吹气流量1 L/min,对应于原型钢包液面高度3.36 m,吹气流量为22.4 Nm3/h.
图1 实验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of experiment apparatus
表1 水模型实验参数
Table 1 Parameters of water model experiment
项目水模型参数钢包直径/mm480液面高度/mm530、420、300吹气孔位置(r/R)0.58气体流量/(L·min-1)0.5、1、2、4、6、8冰样(球)直径/mm50加入位置A、B水温控制/℃20、25、30
2.1.1冰球的运动
图2为冰球在常用工况下的照片,冰球加入钢包模型下降一段距离后会回到表面呈漂浮状态,由于冰球的密度比水轻,接下来冰球会在表面漂浮直到完全融化。表面的流场推动冰球运动到远离羽流眼的另一侧,直到完全融化。
图2 冰球在底吹气体流量为1 L/min时的状态照片
Fig.2 Photo of ice sphere at a bottom blowing gas flow rate of 1 L/min
2.1.2盐球的运动
在常用工况下,盐球从吹气孔上方(后文简称A侧)加入,下降过程中会受到上升气泡及流场的影响导致落在远离吹气孔一侧,典型运动过程的照片见图3;但在大多数情况下,气泡产生的能量不足以影响下降的盐球,盐球几乎垂直下降落在吹气孔上方或落在吹气孔附近融化,实际照片如图4所示。
图3 从A侧加入盐球的典型运动照片
Fig.3 Typical photos of motion of salt sphere added fromAside
图4 从A侧加入盐球被羽流区冲刷的典型照片
Fig.4 Typical photos of salt sphere washed by gas plume when the sphere is added fromAside
从远离吹气孔一侧(后文简称B侧)加入盐球典型运动过程的照片如图5所示,盐球从远离吹气孔上方另一侧加入,盐球在下降过程中会往右侧稍稍偏移,落在靠近中心的底部,一段时间后盐球体积变小,盐球被流场带动向吹气孔方向缓慢运动,直至完全融化。
图5 从B侧加入盐球的典型运动照片
Fig.5 Typical photos of the motion of salt sphere added fromBside
2.2.1温度对冰样融化时间的影响
图6为在常用工况下温度对冰样融化时间的影响,随温度的升高,冰球和盐球的融化时间均呈下降趋势。整体上温度由20 ℃升高至30 ℃,冰球的平均融化时间由562 s降至374 s,降低比例约33%,盐球的平均融化时间由322 s降至226 s,降低比例约30%.
图6 不同温度下冰球与盐球的融化时间
Fig.6 Melting time of ice sphere and salt sphere at different temperatures
温度每升高5 ℃,冰球的融化时间降低90 s左右,而盐球的融化时间降低60 s左右,即冰球的融化时间受温度的影响要比盐球大。
2.2.2液面高度对冰样融化时间的影响
图7为1 L/min流量下不同液面高度时冰球和盐球的融化时间对比。结果显示,液面高度在420～530 mm之间变化对盐球的融化时间影响不大,盐球仍保持沉底的状态。液面高度在420 mm时冰球的融化时间最长,300 mm次之,530 mm的液面高度下融化时间最短,这和冰球所处的位置及水模型中流场情况有关。液面高度为300 mm时,冰球在顶部液面中心,而其他高度时,冰球在靠近壁面处,受流场影响程度有所减弱。但是,液面高度增加后,底吹气柱充分发展,液面表面流速增加,有利于冰球的融化。两种因素综合作用导致在液面高度较高时(高径比为1.1),冰球的融化时间较短。
图7 液面高度对冰球和盐球融化时间的影响
Fig.7 Effect of liquid level height on the melting time of ice sphere and salt sphere
2.2.3气体流量及加入位置对冰样融化时间的影响
图8为加入位置对冰球和盐球融化时间的影响(A、B分别为吹气孔上方和远离吹气孔一侧)。冰球的结果如图8(a)所示,在不同气体流量下,无论是从A侧加入还是B侧加入,对冰球的融化时间影响不大。如图8(b)所示,A侧加入的盐球融化时间明显要快于B侧加入的盐球。结合盐球的运动规律看,在A侧羽流区上方加入盐球,盐球被羽流区冲刷,融化加快;而从B侧加入的盐球则在底部停留,融化较为缓慢。即加入位置对轻质合金的融化时间影响不大,对于重质合金来说,从靠近吹气口一侧加入能够加快其融化。
图8 加入位置对冰球和盐球融化时间的影响
Fig.8 Effect of adding position on the melting time of ice sphere and salt sphere
总体来看,随吹气流量的增加,冰球和盐球的融化时间均在逐渐减短。吹气流量从0.5 L/min增加到8 L/min,冰球的融化时间从500 s左右下降到150 s左右,融化时间缩短了70%左右;盐球的融化时间从300 s左右下降到200 s左右,融化时间缩短了33%左右;即气体流量对冰球融化时间的影响要比盐球大。这与冰球和盐球的运动状况有很大关系,冰球漂浮于液面,流量增加后,液面波动越剧烈,冰球在表面的上下运动也有所增强,加速冰球的融化;而盐球加入水模型后会出现多种运动状态,受羽流区气泡冲刷能够加速其运动,但大部分时间会停留在底部静置融化。
2.3.1吹气孔上方加入盐球的混匀过程
图9为常用工况下从吹气孔上方加入盐球后典型无量纲浓度随时间的变化图。从吹气孔上方(A侧)加入盐球后,在底吹气体产生的羽流影响下会产生不同的运动路径,浓度变化曲线会出现如图9所示两种不同的变化趋势,且差别较大。图9的两种变化趋势分别与图3和图4中的两种运动状态相对应。
图9 流量为1 L/min时从吹气孔上方加入盐球后的典型无量纲浓度随时间变化图
Fig.9 Evolution of dimensionless concentration as a function of time when the salt sphere is added above the nozzle with a gas flow rate of 1 L/min
图9(a)为落点在远离吹气孔一侧的典型方案,从整体趋势上看,无量纲浓度的增长趋势比较缓慢。盐球长时间在底部停留和融化,盐球融化后释放的盐分在底部向周围扩散,同时受底部微弱的逆时针方向循环流影响,融化的盐分不时地随着流动扩散到监测点3处,因而3处浓度曲线存在波动。盐球在278 s完全融化,混匀时间为535 s(98%的混匀标准),比融化时间长92.4%,接近一倍。盐球长时间位于不活跃区,盐分很难传输和扩散,混匀时间大幅度增加。
图9(b)为落点在吹气孔上方的典型方案,气泡会对盐球进行不断冲刷,此时盐球快速融化并释放大量盐分,释放的盐分随流场带至整个钢包内,监测点处的无量纲浓度曲线迅速上升。盐球在184 s完全融化,190 s便达到了混匀。在气泡冲刷下,盐球融化有所加快,混匀过程也随之加快。
2.3.2远离吹气孔一侧加入盐球的混匀过程
图10为B侧加入盐球的典型无量纲浓度随时间变化图,从整体趋势上看,和A侧加入的图9(a)相似,无量纲浓度随着时间变化缓慢升高。从图中可以观察到,在达到混匀之前,位于底部的监测点3和监测点2的无量纲浓度略高于顶部监测点1处。这是由于从B侧加入盐球后,盐球大部分时间在底部停留,盐球融化后的盐分首先在底部扩散然后再随着流动传输到钢包水模型顶部。盐球在275 s完全融化,混匀时间为508 s,比融化时间长84.7%.
图10 流量为1 L/min时从吹气孔另一侧加入盐球后的无量纲浓度随时间变化图
Fig.10 Change of dimensionless concentration as a function of time when salt sphere is added far away from the nozzle with gas flowrate of 1 L/min
本文通过水模型类比实验,以水和饱和KCl溶液冻成的冰样分别模拟轻、重固体物质,研究其在260 t精炼钢包中的运动熔化及混匀规律,得到结论如下:
1) 温度对冰样融化影响较大,水模型中温度由20 ℃升高至30 ℃,两种冰样的融化时间降低约30%.
2) 密度低于水的冰球,在本研究中液面高度较高时(高径比为1.1),气泡羽流区发展充分,液面波动较明显,融化时间较短。流量越大,液面波动越剧烈,冰球的融化时间越短。在不同位置加入冰球,其融化时间相差不大。
3) 密度大于水的盐球,增大气体流量能够缩短其融化时间,但是当气体流量超过6 L/min(对应于工厂134.2 Nm3/h)以后,融化时间不再随气体流量增大而减小。1 L/min(对应于工厂22.4 Nm3/h)流量下,液面高度对盐球的融化时间影响较弱。
4) 加入位置对盐球融化过程影响较大。从吹气孔上方加入盐球,若落在气孔附近,其与羽流区气泡冲刷机会增加,有利于缩短融化时间和混匀时间;若落在远离羽流区的区域,盐球被羽流区冲刷较少及其在底部不活跃区长时间停留,导致混匀时间远长于盐球的融化时间。从吹气孔另一侧加入,盐球会在钢包底部流场不活跃区停留,融化与混匀均较慢。
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