转炉侧吹熔炼水模型计算机仿真实验

摘要：本文针对侧吹喷吹总气量与喷枪内径开展水模拟及计算机仿真实验研究，通过顶吹吹气搅拌运动状态、搅拌混匀时间、熔池搅拌强度的对比对比分析，探索转炉侧吹熔炼的最佳喷吹气量和喷枪尺寸的等设计参数。

关键词：侧吹熔炼;水模型;计算机仿真;研究

1前言

某厂阳极泥和贵铅处理主要采用转炉表吹熔炼，存在能耗较高的缺点。国内侧吹转炉主要用于炼钢，项目组拟通过实验研究，探索炼钢的侧吹转炉用于处理阳极泥和贵铅的相关参数。国内外公开报道研究侧吹转炉炉内熔熔炼体行为的研究很少。项目组开展转炉侧吹熔炼水模型及计算机仿真实验研究，达到以下目的。1.1试验研究得到的规律可以用来解释实际冶金过程的规律；1.2实验过程中发现和总结出一些具有参考价值的数据，指导实际冶炼过程中工艺的改进；1.3成本低、重复试验性强、试验周期短。

2实验方案

根据工程实际需求以及实际生产经验先确定炉型尺寸并建立水模型有机玻璃反应器.1，模型相关研究参数及实验变量实验主体为在卧式圆柱体模型炉体的基础上，用水作为流体模拟阳极泥和贵铅进行实验。图2为侧吹吹气方式简图，实验主要设置变量为喷吹总气量与喷枪内径。实验主体基于粒子图像测速系统对不同变量下的熔池流场进行拍摄观测，每一组实验连续拍摄30张流场图片。同时辅以高速摄像系统观测各变量下熔池的实际运动状态及其变化，使用电导率仪以饱和食盐水为介质对熔池电导率进行测定以确定熔池搅拌混匀时间。通过对实验数据大量对比综合分析以确定反应器最佳参数。

3熔池顶吹吹气搅拌运动状态分析

本实验基于粒子图像测速系统与高速摄像系统进行了大量系统性的物理模拟实验，、喷吹总气量10m3/h下的侧吹吹气方式的瞬时状态图.实验条件下的侧吹吹气方式的瞬时矢量云图，气方式的熔池运动状态简图。双排侧吹过程使用水平喷吹射流时熔池能量损耗较少，喷吹射流能量不会部分消耗于强喷射造成的喷溅，也不会部分消耗与射流穿透。侧吹过程中，熔池主流区主要存在于熔池中上部，萧泽强老师在单排侧吹研究中提到：侧吹射流前方熔池内形成一股可基本占据全熔池的主循环流。在作者的研究中，双排侧吹过程将在熔池下部形成两股循环流，在理想状态下，双循环流能够相互循环。

4熔池侧吹吹气搅拌混匀时间对比

熔池混匀速度的大小，由记录到的熔池电导率变化曲线确定。电导率曲线的不断变化或激剧波动，均表示混合尚未均匀，当电导率曲线的上下波动稳定的等于或小于平均值的5%时，即可认定混匀时间足够均匀，所消耗的时间即位混匀时间。实验利用DDSJ-308A电导率仪对熔池侧吹吹气搅拌混匀时间进行测定，测定结果如下图所示。，当侧吹气量较小时，随侧吹气体流量的增加，熔池搅拌混匀时间随之下降较快；当侧吹气量较大时，随侧吹气体流量的增加，熔池搅拌混匀时间随之下降较慢。这表明在低的侧吹气体流量范围，随侧吹气体流量增加，熔池的水平搅拌作用逐渐增强，使熔池的混匀时间随之下降；而当侧吹气体流量较大时，再增加侧吹气体流量，对熔池的搅拌混匀影响很小。随侧吹喷枪内径的增加，熔池搅拌混匀时间变化规律大体相当。在此实验条件下，每种喷枪内径下熔池搅拌混匀时间都存在一个拐点，当侧吹气体流量小于拐点时，随侧吹气体流量的增加，熔池的混匀时间随之下降较快；当侧吹气体流量大于拐点时，随侧吹气体流量的增加，熔池的混匀时间随之下降较满。喷枪内径2.5mm时，临界气体流量为7.5m3/h，此时熔池搅拌混匀时间约为25s～30s；喷枪内径5mm时，临界气体流量为10m3/h，此时熔池搅拌混匀时间约为28s～33s；喷枪内径7.5mm时，临界气体流量为7.5m3/h，此时熔池搅拌混匀时间约为30s～38s；喷枪内径10mm时，临界气体流量为12.5m3/h，此时熔池搅拌混匀时间约为28s～30s。由此可知在侧吹过程中，小的侧吹气量下应选用相对小喷枪内径有利于降低搅拌混匀时间；大的侧吹气量下应选择相对较大喷枪内径。

5熔池侧吹吹气熔池搅拌强度对比

通过粒子图像测速技术（PIV）得到的不同喷枪内径不同喷吹总气量熔池瞬时照片经由Tecplot软件进行分析处理，从而得到喷枪不同插入深度熔池运动矢量云图（图中VelMag表示在云图中流场某处微元的融合速度，单位m/s；右侧色柱为速度强度的强弱由低到高）。由于粒子图像测速激光片光源性质，本实验激光拍摄位置全部为卧式圆柱形炉体偏右侧1/4处。由图7与表2可知道，对比侧吹过程不同气量单个喷枪内径熔池片光源截面平均速度，喷吹气量变化规律为：当喷吹气量为5m3/h～12.5m3/h时，熔池片光源截面平均速度随喷吹气量增加而增加，当喷吹气量超出12.5m3/h时，熔池片光源截面平均速度随喷出气量增加变化相对较缓，说明侧吹过程喷吹气量临界值为12.5m3/h左右。对比侧吹过程不同气量不同喷枪内径熔池片光源截面平均速度，喷枪内径5.0mm时，各喷吹气量下熔池片光源截面平均速度皆大于其余喷枪内径，因此认为喷枪内径5.0mm左右为此种炉型侧吹状态下的最佳喷枪尺寸。

6结论

（1）侧吹过程中，熔池主流区主要存在于熔池中上部，水平流股喷入熔池后，侧吹射流的能量带动熔池运动，射流在风压作用下喷入一定距离后，变成大小各异的离散气泡或气泡团，此时熔池左右两侧上部区域会形成气液两相区。（2）侧吹熔池上部到液面区域运动相对强烈，而熔池下部区域运动较为缓慢。喷枪内径越大，气泡尺寸越大，同时随喷吹气量增大，气泡尺寸也增大。（3）在此实验条件下，每种喷枪内径下熔池搅拌混匀时间都存在一个拐点，当侧吹气体流量小于拐点时，随侧吹气体流量的增加，熔池的混匀时间随之下降较快；当侧吹气体流量大于拐点时，随侧吹气体流量的增加，熔池的混匀时间随之下降较满。由此可知，在小的侧吹气量下应选用相对小喷枪内径有利于降低搅拌混匀时间；大的侧吹气量下应选择相对较大喷枪内径。（4）侧吹过程喷吹气量拐点为7.5m3/h左右，喷枪内径5.0mm左右为此种炉型侧吹状态下的最佳喷枪尺寸。

参考文献:

[1]吴成江，侧吹转炉设计[M]，冶金工业出版,2015

[2]赫培峰，崔建江，潘峰，计算机仿真技术[M]，机械工业出版,2009

[3]萧泽强，熔池侧吹氧技术的开发.应用和研究[M],冶金工业出版,2015。

[4]包丽明，刘坤，吕国成，180t转炉聚合射流流场的水力学模型的实验研究[J]，特殊钢,2014,35(3):11-14.

作者:吴红林 漆鑫 代龙果 单位:云南驰宏锌锗股份有限公司 云南铅锌资源综合利用企业重点试验室 昆明理工大学