邯钢250t转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究

工程科学学报，第38卷，增刊1：213-218,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:213-218,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.035:http://journals.ustb.edu.cn 邯钢250t转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究 邓建军12)，林路)☒ 1)中国钢研集团，北京1000812)邯钢集团公司，邯郸056000 3)北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:linlu_luke@sina.com 摘要渣钢间传质速度决定了熔池元素的反应速度（尤其是脱碳和脱磷反应速度），并直接影响元素在渣钢间分配.本文 以邯钢250：转炉为研究对象，利用相似比1：9建立水模型，考虑供气流量、枪位和底吹位置因素研究转炉内传质能力.结果 表明：加大顶吹供气强度和底吹供气强度能够大大提高熔池元素在渣钢间的分配：渣钢间传质系数随底吹气体流量降低而明 显降低，建议底吹气体流量不低于0.O6m3t·mn1:底吹孔数越多，渣钢间传质系数越大：底吹流量分配方案优于流量平均 分配方案，建议采用 关键词炼钢：转炉：传质系数：水模型：影响因素 分类号TF713.1 Experimental study on the effect of operating parameters on the mass transfer ability of Hangang 250t converter DENG Jian-jun'2),LIN L 1)China Iron Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China 2)Handan Iron Steel Group Co.,Ltd.,Handan 056000,China 3)National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:linlu_luke@sina.com ABSTRACT The mass transfer rate between steel and slag determines the reaction rates of elements in a molten bath (especially the reaction rates of desulphurization and dephosphorization),and has direct impact on the distribution ratios of elements between steel and slag.In this article,Hangang 250t converter was taken as the research object.Factors such as gas flow,lance position and bottom blowing location were taken into consideration to study the mass transfer ability of the convertor by a water model whose similarity ratio was 1:9.The results show that increasing the top-blowing intensity and the bottom-blowing intensity can greatly improve the distribu- tion ratios of elements in the molten bath between steel and slag.The mass transfer coefficient between steel and slag decreases obvi- ously with the drop of bottom-blowing air flow,thus a bottom-blowing air flow not lower than 0.06mtmin is suggested.The more the bottom-blowing holes are,the larger the mass transfer coefficient between steel and slag gets.A distribution plan of bottom- blowing air flow is presented,which is superior to the equal distribution plan of air flow. KEY WORDS steelmaking:converters:mass transfer coefficient:water models;influencing factors 转炉治炼过程中，渣一钢反应的主要限制性环节元素在渣钢间分配网.良好的熔池搅拌，有利于渣钢 为传质过程，渣钢间的传质速度决定了熔池元素的反 间传质过程，促进炉内反应达到平衡 应速度（尤其是脱碳、脱磷反应速度），并直接影响着 邯钢邯宝炼钢厂250t转炉在转炉吹炼中易造成 收稿日期：201601-11

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 213--218，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 213--218，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 035; http: / /journals． ustb． edu． cn 邯钢 250 t 转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究 邓建军1，2) ，林 路3)  1) 中国钢研集团，北京 100081 2) 邯钢集团公司，邯郸 056000 3) 北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术中心，北京 100083  通信作者，E-mail: linlu_luke@ sina． com 摘 要 渣钢间传质速度决定了熔池元素的反应速度( 尤其是脱碳和脱磷反应速度) ，并直接影响元素在渣钢间分配． 本文 以邯钢 250 t 转炉为研究对象，利用相似比 1∶ 9建立水模型，考虑供气流量、枪位和底吹位置因素研究转炉内传质能力． 结果 表明: 加大顶吹供气强度和底吹供气强度能够大大提高熔池元素在渣钢间的分配; 渣钢间传质系数随底吹气体流量降低而明 显降低，建议底吹气体流量不低于 0. 06 m3 ·t － 1·min － 1 ; 底吹孔数越多，渣钢间传质系数越大; 底吹流量分配方案优于流量平均 分配方案，建议采用． 关键词 炼钢; 转炉; 传质系数; 水模型; 影响因素 分类号 TF713. 1 Experimental study on the effect of operating parameters on the mass transfer ability of Hangang 250 t converter DENG Jian-jun1，2) ，LIN Lu3)  1) China Iron ＆ Steel Ｒesearch Institute Group，Beijing 100081，China 2) Handan Iron ＆ Steel Group Co． ，Ltd． ，Handan 056000，China 3) National Engineering Ｒesearch Center of Flat Ｒolling Equipment，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: linlu_luke@ sina． com ABSTＲACT The mass transfer rate between steel and slag determines the reaction rates of elements in a molten bath ( especially the reaction rates of desulphurization and dephosphorization) ，and has direct impact on the distribution ratios of elements between steel and slag． In this article，Hangang 250 t converter was taken as the research object． Factors such as gas flow，lance position and bottom blowing location were taken into consideration to study the mass transfer ability of the convertor by a water model whose similarity ratio was 1∶ 9． The results show that increasing the top-blowing intensity and the bottom-blowing intensity can greatly improve the distribu￾tion ratios of elements in the molten bath between steel and slag． The mass transfer coefficient between steel and slag decreases obvi￾ously with the drop of bottom-blowing air flow，thus a bottom-blowing air flow not lower than 0. 06 m3 ·t － 1·min － 1 is suggested． The more the bottom-blowing holes are，the larger the mass transfer coefficient between steel and slag gets． A distribution plan of bottom￾blowing air flow is presented，which is superior to the equal distribution plan of air flow． KEY WOＲDS steelmaking; converters; mass transfer coefficient; water models; influencing factors 收稿日期: 2016--01--11 转炉冶炼过程中，渣--钢反应的主要限制性环节 为传质过程，渣钢间的传质速度决定了熔池元素的反 应速度( 尤其是脱碳、脱磷反应速度) ，并直接影响着 元素在渣钢间分配［1--3］． 良好的熔池搅拌，有利于渣钢 间传质过程，促进炉内反应达到平衡． 邯钢邯宝炼钢厂 250 t 转炉在转炉吹炼中易造成

·214 工程科学学报，第38卷，增刊1 炉渣返干，底吹供气模式单一化，低碳钢生产较多，炉 Q3=0.00175Q4 (4) 底下降较快，造成了底吹供气元件维护困难，终渣F0 表1转炉原型与模型有关参数 含量过高，渣钢间传质能力差，反应动力学不足等问 Table 1 Related parameters of the prototype and the model 题，因此有必要对邯钢2501转炉治炼传质能力进行研 参数 原型 模型 究.转炉治炼过程是一高温反应过程，物理模拟研究 熔池直径/mm 6600 733.7 手段成为治金工作者常用的研究手段网.因此，本研 熔池深度/mm 1800 200 究针对邯钢250t转炉建立相似比为1：9的物理模型， 转炉高度/mm 10900 1121.1 研究不同工艺参数（底吹流量、顶吹流量、氧枪枪位、 底枪布置方式等)对转炉吹炼过程传质能力的影响， 炉口高度/mm 2869 318.8 从而优化相关参数，为改善邯钢转炉治炼工艺提供 炉口直径/mm 3600 400 指导. 炉身高度/mm 5379 598 炉底高度/mm 1506 167.3 1实验原理及方法 顶吹气体流量/(m3h1) 50400~63000 80.64-100.8 1.1实验原理 底吹气体流量/(m3h1) 720~1800 1.26-3.15 根据顶底复吹转炉中流体特点，为了保证模型现 表2 氧枪喷头结构及尺寸参数 象和原型现象相似，只须满足模型与原型几何相似及 Table 2 Structure and size of the oxygen lance nozzle 动力相似.模型以邯钢250t转炉为原型，按模型与原 参数 原型 模型 型相似比1：9来设计模型尺寸.同时为满足模型与原 型动力相似，实验中需保证模型和原型的修正佛鲁德 孔数 5 5 准数相等 喉口直径/mm 48.5 5.4 喷孔直径/mm 64.5 7.2 (1) P.8dP.gd2’ 中心夹角/() 15 15 是-()广（经）广 扩张段长度/mm 130.8 14.5 (2) 收缩段长度/mm 32 3.6 式中：p.为室温20℃时的空气密度，kgm3po,为标态 炉底高度/mm 1506 167.3 下氧气的密度，kgm3p.为水的密度，kgm3:p.为 枪位/mm 1700~2300 189-256 钢水密度，kgm3:g为重力加速度，ms2:d1和d2分 别为模型和原型的喷枪出口直径，mm:V。和V。,分别为 1.2 实验装置 模型和原型的喷枪出口气流速度，m·s1;Q,和Q2分 实验模型加工时保持模型与原型的几何相似比为 别为模型与原型喷吹气体的流量，m3h;Q,和Q,分 1:9.转炉模型、五孔拉瓦尔喷头的氧枪和转炉底部透 别为模型和实际的底枪供气量，m3h. 气砖等均采用有机玻璃加工制作.具体实验设备如图 将相关参数带入代入式(1)和式(2)中，可得到原 1所示，实验装置流程如图2所示，主要包括：(1)由转 型与模型顶吹气体流量关系式，见式(3).类似地，原 炉、喷枪、底部透气砖和熔池组成的吹炼系统：(2)由 型与模型底吹气体流量关系见式(4)所示.邯钢250： 转子流量计和压力表组成的气体流量控制系统：(3) 转炉和氧枪模型和原型的相关参数见表1和表2. 由酸度仪、电导率仪等组成的数据采集系统.图3为 Q1=0.0016Q2, (3) 转炉熔池底吹供气元件布置图 图1实验装置照片 Fig.1 Photo of the experiment device

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 炉渣返干，底吹供气模式单一化，低碳钢生产较多，炉 底下降较快，造成了底吹供气元件维护困难，终渣 FeO 含量过高，渣钢间传质能力差，反应动力学不足等问 题，因此有必要对邯钢 250 t 转炉冶炼传质能力进行研 究． 转炉冶炼过程是一高温反应过程，物理模拟研究 手段成为冶金工作者常用的研究手段［4--9］． 因此，本研 究针对邯钢 250 t 转炉建立相似比为 1∶ 9的物理模型， 研究不同工艺参数( 底吹流量、顶吹流量、氧枪枪位、 底枪布置方式等) 对转炉吹炼过程传质能力的影响， 从而优化相关参数，为改善邯钢转炉冶炼工艺提供 指导． 1 实验原理及方法 1. 1 实验原理 根据顶底复吹转炉中流体特点，为了保证模型现 象和原型现象相似，只须满足模型与原型几何相似及 动力相似． 模型以邯钢 250 t 转炉为原型，按模型与原 型相似比 1∶ 9来设计模型尺寸． 同时为满足模型与原 型动力相似，实验中需保证模型和原型的修正佛鲁德 准数相等． ρaV2 a ρw gd1 = ρO2 V2 O2 ρsgd2 ， ( 1) Q1 Q2 ( = ρO2 ρw ρaρ ) s ( 1 2 d1 d ) 2 5 2 ． ( 2) 图 1 实验装置照片 Fig． 1 Photo of the experiment device 式中: ρa 为室温 20 ℃时的空气密度，kg·m － 3 ; ρO2 为标态 下氧气的密度，kg·m － 3 ; ρw 为水的密度，kg·m － 3 ; ρs 为 钢水密度，kg·m － 3 ; g 为重力加速度，m·s － 2 ; d1 和 d2 分 别为模型和原型的喷枪出口直径，mm; Va 和 VO2 分别为 模型和原型的喷枪出口气流速度，m·s － 1 ; Q1 和 Q2 分 别为模型与原型喷吹气体的流量，m3 ·h － 1 ; Q3 和 Q4 分 别为模型和实际的底枪供气量，m3 ·h － 1 ． 将相关参数带入代入式( 1) 和式( 2) 中，可得到原 型与模型顶吹气体流量关系式，见式( 3) ． 类似地，原 型与模型底吹气体流量关系见式( 4) 所示． 邯钢 250 t 转炉和氧枪模型和原型的相关参数见表 1 和表 2． Q1 = 0. 0016Q2， ( 3) Q3 = 0. 00175Q4 ． ( 4) 表 1 转炉原型与模型有关参数 Table 1 Ｒelated parameters of the prototype and the model 参数 原型 模型 熔池直径/mm 6600 733. 7 熔池深度/mm 1800 200 转炉高度/mm 10900 1121. 1 炉口高度/mm 2869 318. 8 炉口直径/mm 3600 400 炉身高度/mm 5379 598 炉底高度/mm 1506 167. 3 顶吹气体流量/( m3 ·h － 1 ) 50400 ～ 63000 80. 64 ～ 100. 8 底吹气体流量/( m3 ·h － 1 ) 720 ～ 1800 1. 26 ～ 3. 15 表 2 氧枪喷头结构及尺寸参数 Table 2 Structure and size of the oxygen lance nozzle 参数 原型 模型 孔数 5 5 喉口直径/mm 48. 5 5. 4 喷孔直径/mm 64. 5 7. 2 中心夹角/( °) 15 15 扩张段长度/mm 130. 8 14. 5 收缩段长度/mm 32 3. 6 炉底高度/mm 1506 167. 3 枪位/mm 1700 ～ 2300 189 ～ 256 1. 2 实验装置 实验模型加工时保持模型与原型的几何相似比为 1∶ 9． 转炉模型、五孔拉瓦尔喷头的氧枪和转炉底部透 气砖等均采用有机玻璃加工制作． 具体实验设备如图 1 所示，实验装置流程如图 2 所示，主要包括: ( 1) 由转 炉、喷枪、底部透气砖和熔池组成的吹炼系统; ( 2) 由 转子流量计和压力表组成的气体流量控制系统; ( 3) 由酸度仪、电导率仪等组成的数据采集系统． 图 3 为 转炉熔池底吹供气元件布置图． · 412 ·

邓建军等：邯钢250t转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究 215 ○○，压力表+ 流量计 CO:压力表 顶吹气体 流量计 储气罐 旋拧阀 转炉 D个 安全阀 安全阀 空气压缩机 电导率仪 油水分离器 水 K入 计算机 旋拧阀 44 底吹气体 图2实验装置流程 Fig.2 Flow chart of the experimental apparatus 钢 表3容量传质系数测定的实验方案 Table 3 Capacity experiment scheme for determining the mass transfer 22.59 coefficient 氧枪枪位/ 顶吹流量/ 底吹供气强度/ 0479 序号 方案 mm (m3.h-1) (m3.t-1.min-1) 5 (1) 256 92.16 0.04 8孔对称 (2) 256 92.16 0.06 8孔对称 (3) 256 92.16 0.08 8孔对称 (4) 256 92.16 0.06 4孔对称 (5) 256 92.16 0.06 6孔对称 (6) 256 92.16 0.06 8孔对称 下2 (7) 256 92.16 0.06 12孔布置 兑铁侧 (8) 189 89.28 0.08 12孔布置 图3底吹供气元件布置图 (9) 189 97.92 0.08 12孔布置 Fig.3 Device layout of bottom blowing gas supply (10) 256 97.92 0.08 12孔布置 1.3实验方案及方法 本实验采用水、机油和苯甲酸分别模拟钢水、熔渣 测得熔池水溶液中V.值，结果如表4所示.而溶解在 和钢中溶质元素.通过测定溶于机油中的苯甲酸向水 水中苯甲酸浓度与V值之间的关系如下式： 中的传递速率，进而得到不同条件时钢中溶质元素在 [C]。=9.19×10-6+9.84×10-6V. (10) 两相中的传递速率，从而来考察工艺参数（底吹流量、 式中：[C.为溶解在水中的苯甲酸浓度，molL:V 顶吹流量、氧枪枪位、底枪布置方式等)对钢中溶质元 为熔池水溶液的氧化还原电位 素在渣一钢间的传质速率。本实验机油中苯甲酸浓度 由于钢中传质过程为渣一钢反应限制性环节，可 为0.033mol/L,实验方案如表3所示. 知油一水两相间传质过程总速率可表示如下： 实验时，将模型中注入一定量水，水液面高203 (11) mm,随后分别依次设定氧枪枪位、底气孔个数、顶吹流 G=6()G-c)=k.c-G. 量、底吹流量等工艺参数.待吹气后模型内状态保持 积分后可得容量传质系数如下： 稳定后，向模型中熔池加入已配置好的含一定苯甲酸 n【c.-C)/(C。-C)] k= (12) 浓度的机油：同时考虑到优化转炉加入物料的熔化过 程的方案，用颗粒状苯甲酸模拟物料在吹炼过程中在 为了更直观地分析苯甲酸从机油向水中的传递速 耳轴两侧加入，加入时用事先放置在熔池底部的酸度 度，将式(12)中苯甲酸浓度差比值的对数定义为无因 仪采集数据，数据采集时间为l0min. 次量C,即有 2实验结果分析及讨论 Cx =In- C.-C (13) C.-Co 实验采用酸度仪在不同实验方案、不同时刻分别 式中：C。为与油水平衡时水中苯甲酸的浓度，molL;

邓建军等: 邯钢 250 t 转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究 图 2 实验装置流程 Fig． 2 Flow chart of the experimental apparatus 图 3 底吹供气元件布置图 Fig． 3 Device layout of bottom blowing gas supply 1. 3 实验方案及方法 本实验采用水、机油和苯甲酸分别模拟钢水、熔渣 和钢中溶质元素． 通过测定溶于机油中的苯甲酸向水 中的传递速率，进而得到不同条件时钢中溶质元素在 两相中的传递速率，从而来考察工艺参数( 底吹流量、 顶吹流量、氧枪枪位、底枪布置方式等) 对钢中溶质元 素在渣--钢间的传质速率． 本实验机油中苯甲酸浓度 为 0. 033 mol / L，实验方案如表 3 所示． 实验时，将模型中注入一定量水，水液面高 203 mm，随后分别依次设定氧枪枪位、底气孔个数、顶吹流 量、底吹流量等工艺参数． 待吹气后模型内状态保持 稳定后，向模型中熔池加入已配置好的含一定苯甲酸 浓度的机油; 同时考虑到优化转炉加入物料的熔化过 程的方案，用颗粒状苯甲酸模拟物料在吹炼过程中在 耳轴两侧加入，加入时用事先放置在熔池底部的酸度 仪采集数据，数据采集时间为 10 min． 2 实验结果分析及讨论 实验采用酸度仪在不同实验方案、不同时刻分别 表 3 容量传质系数测定的实验方案 Table 3 Capacity experiment scheme for determining the mass transfer coefficient 序号 氧枪枪位/ mm 顶吹流量/ ( m3 ·h － 1 ) 底吹供气强度/ ( m3 ·t － 1·min － 1 ) 方案 ( 1) 256 92. 16 0. 04 8 孔对称 ( 2) 256 92. 16 0. 06 8 孔对称 ( 3) 256 92. 16 0. 08 8 孔对称 ( 4) 256 92. 16 0. 06 4 孔对称 ( 5) 256 92. 16 0. 06 6 孔对称 ( 6) 256 92. 16 0. 06 8 孔对称 ( 7) 256 92. 16 0. 06 12 孔布置 ( 8) 189 89. 28 0. 08 12 孔布置 ( 9) 189 97. 92 0. 08 12 孔布置 ( 10) 256 97. 92 0. 08 12 孔布置 测得熔池水溶液中 Vm值，结果如表 4 所示． 而溶解在 水中苯甲酸浓度与 Vm值之间的关系如下式: ［C］B = 9. 19 × 10 － 6 + 9. 84 × 10 － 6Vm ． ( 10) 式中: ［C］B为溶解在水中的苯甲酸浓度，mol·L － 1 ; Vm 为熔池水溶液的氧化还原电位． 由于钢中传质过程为渣--钢反应限制性环节，可 知油--水两相间传质过程总速率可表示如下: dCi dt = ( k ) A V ( Ce － Ci ) = ka ( Ce － Ci ) ． ( 11) 积分后可得容量传质系数如下: ka = ln［( Ce － Ci ) /( Ce － C0) ］ t ． ( 12) 为了更直观地分析苯甲酸从机油向水中的传递速 度，将式( 12) 中苯甲酸浓度差比值的对数定义为无因 次量 Ck，即有 Ck = ln Ce － Ci Ce － C0 ． ( 13) 式中: Ce 为与油水平衡时水中苯甲酸的浓度，mol·L － 1 ; · 512 ·

·216 工程科学学报，第38卷，增刊1 表4实验测定结果(V值) t为时间，s.通过预备实验测定C.为0.001456molL1 Table 4 Measured results of V by experiment (147mV).下面将根据测定结果讨论吹炼参数对传输 时间/min 物质在钢渣间传质的影响. 序号 012345678910 2.1底吹气量对渣钢间容量传质系数的影响 (1)081416.18202224262828 图4分别为不同底吹气量时水中苯甲酸浓度和无 (2) 014182224283436384042 因次量C,与吹气时间的关系.由图可见，随着底吹气 (3) 018252728333640444648 (4) 0 6 8 10 12162024 26 2830 量的增加，机油中苯甲酸向水中传递速度加快.C:与 (5) 010 1216 18202426 28 3032 吹气时间基本上是呈线性关系，证明不同条件下传质 (6) 0 14 18 22 24 28 34 36 38 40 42 (7) 0 18 22 26 29 32 39 41 45 48 47 系数k,是一个常数，与文献中0]结论是一致的.根 (8) 0 101211 1215 15 19 222431 据式(13)和图4计算出不同底吹气量时苯甲酸的容 (9) 025 313637 394545 475357 量传质系数.测定结果可得：底吹供气强度为 (10)028323441474648504951 0.04m3/(1mim)时，k.为3.21×104s:底吹供气强 C,为不同时刻水中苯甲酸浓度，molL;C。为水中初 度为0.06m3/(tmin)时，k,为5.12×10-4s:底吹气 始苯甲酸浓度，moL;k为传质系数，ms;k.为容 量供气强度为0.08m3/(t·min)时，k.为5.67× 量传质系数，s;V为熔池容积，m3:A为传质面积，m2: 104s 0.0005(a 005 0 0.004 -0.05 -0.0 0.03 -0.15 -0.30 0.0002 底吹强 -0.25 底吹强度 0.04m1im -0.30 0.04m'tin 0.00I 。0.06t*iml -0.35 。0.06m·in) ▲0.08m/tmi -0.40 0 10 -0.4s 0 6 10 I/min e 图4不同底吹气量时水中苯甲酸浓度()和无因次量C:(b)随吹气时间的变化 Fig.4 Changes of benzoic acid concentration in water (a)and dimensionless variable C(b)with blowing time at differ- ent bottom blowing flows 根据上述测定结果，得到底吹气量与苯甲酸容量 2.2顶吹流量对渣钢间容量传质系数的影响 传质系数之间关系，即随着底吹气量的增加，苯甲酸容 图5为不同顶吹气流量时水中苯甲酸浓度和无 量传质大大增加。由此说明底吹气量对苯甲酸容量传 因次量C随时间的变化.由图可见，随着顶吹气流 质系数影响较大，建议底吹气体流量不低于0.06m3/ 量的增加，溶入水中苯甲酸浓度相应增加.测得顶吹 (tmin) 气量为89.28m3h时，k为3.0×104s1:顶吹气 0.0006m 真吹流量 0.0005 89.28m ·97.92m'h -0.1 0.0004 0.2 0.0003 -0.3 ● 002 资吹流量 -0.4 0.0001 ▣89.28m/M ·97.92m/ 0.5 10 0 2 6 10 I/min tmin 图5不同顶吹气流量时水中苯甲酸浓度(a)和无因次量C,(b)随吹气时间的变化 Fig.5 Changes of benzoic acid concentration in water (a)and dimensionless variable C(b)with blowing time at different top blowing flows

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 表 4 实验测定结果( Vm值) Table 4 Measured results of Vm by experiment 序号 时间/min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ( 1) 0 8 14 16 18 20 22 24 26 28 28 ( 2) 0 14 18 22 24 28 34 36 38 40 42 ( 3) 0 18 25 27 28 33 36 40 44 46 48 ( 4) 0 6 8 10 12 16 20 24 26 28 30 ( 5) 0 10 12 16 18 20 24 26 28 30 32 ( 6) 0 14 18 22 24 28 34 36 38 40 42 ( 7) 0 18 22 26 29 32 39 41 45 48 47 ( 8) 0 10 12 11 12 15 15 19 22 24 31 ( 9) 0 25 31 36 37 39 45 45 47 53 57 ( 10) 0 28 32 34 41 47 46 48 50 49 51 Ci 为不同时刻水中苯甲酸浓度，mol·L － 1 ; C0 为水中初 始苯甲酸浓度，mol·L － 1 ; k 为传质系数，m·s － 1 ; ka 为容 量传质系数，s － 1 ; V 为熔池容积，m3 ; A 为传质面积，m2 ; t 为时间，s． 通过预备实验测定 Ce 为 0. 001456 mol·L － 1 ( 147 mV) ． 下面将根据测定结果讨论吹炼参数对传输 物质在钢渣间传质的影响． 2. 1 底吹气量对渣钢间容量传质系数的影响 图 4 分别为不同底吹气量时水中苯甲酸浓度和无 因次量 Ck 与吹气时间的关系． 由图可见，随着底吹气 量的增加，机油中苯甲酸向水中传递速度加快． Ck 与 吹气时间基本上是呈线性关系，证明不同条件下传质 系数 ka 是一个常数，与文献中［10］结论是一致的． 根 据式( 13) 和图 4 计算出不同底吹气量时苯甲酸的容 量 传 质 系 数． 测 定 结 果 可 得: 底 吹 供 气 强 度 为 0. 04 m3 /( t·min) 时，ka 为 3. 21 × 10 － 4 s － 1 ; 底吹供气强 度为 0. 06 m3 /( t·min) 时，ka 为 5. 12 × 10 － 4 s － 1 ; 底吹气 量供 气 强 度 为 0. 08 m3 /( t·min ) 时，ka 为 5. 67 × 10 － 4 s － 1 ． 图 4 不同底吹气量时水中苯甲酸浓度( a) 和无因次量 Ck ( b) 随吹气时间的变化 Fig． 4 Changes of benzoic acid concentration in water ( a) and dimensionless variable Ck ( b) with blowing time at differ￾ent bottom blowing flows 图 5 不同顶吹气流量时水中苯甲酸浓度( a) 和无因次量 Ck ( b) 随吹气时间的变化 Fig． 5 Changes of benzoic acid concentration in water ( a) and dimensionless variable Ck ( b) with blowing time at different top blowing flows 根据上述测定结果，得到底吹气量与苯甲酸容量 传质系数之间关系，即随着底吹气量的增加，苯甲酸容 量传质大大增加． 由此说明底吹气量对苯甲酸容量传 质系数影响较大，建议底吹气体流量不低于 0. 06 m3 / ( t·min) ． 2. 2 顶吹流量对渣钢间容量传质系数的影响 图 5 为不同顶吹气流量时水中苯甲酸浓度和无 因次量 Ck 随时间的变化． 由图可见，随着顶吹气流 量的增加，溶入水中苯甲酸浓度相应增加． 测得顶吹 气量为 89. 28 m3 ·h － 1时，ka 为 3. 0 × 10 － 4 s － 1 ; 顶吹气 · 612 ·

邓建军等：邯钢250t转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究 217 量为97.92m3h1时，k为6.34×104s1.由此看 量C,随时间变化.由图可见，采用低枪位时水中苯甲 出，当增大顶吹供气流量时，苯甲酸的容量传质系数 酸的浓度稍大一些.当氧枪枪位为l89mm时，k,为 大大增加. 6.34×10-s:枪位256mm时，k.为5.65×104s. 2.3氧枪枪位对渣钢间容量传质系数的影响 由此可见，采用低枪位可使苯甲酸的容量传质系数有 图6为不同氧枪枪位时水中苯甲酸含量和无因次 所增加，提高熔池元素反应速率 0.0007 (a) 0.0006 。 枪位 。189mm 0.0005 :E 0.1 。256m1 0.0004 -0.2 0.0003 0.3 0.0002 枪位 0.4 兰0.0001 ·189mm ·256mm -0.5 0 4 8 10 0 4 6 10 tmin t/min 图6不同氧枪枪位时水中苯甲酸浓度(a)和无因次量C,(b)随吹气时间的变化 Fig.6 Changes of benzoic acid concentration in water (a)and dimensionless variable C(b)with blowing time at different oxygen lance positions 2.4底吹布置方式对渣钢间容量传质系数的影响 底吹布置为四孔对称布置时，k.为3.81×10-4s:底 图7为不同底吹布置方式时水中苯甲酸浓度和无 吹布置为六孔对称布置时，k,为3.7×104s:底吹 因次量C,随吹气时间的变化.由图可见，采用不同底 布置为八孔对称布置时，k.为5.12×104s1:底吹布 吹布置对苯甲酸的传递速度有一定的影响.计算得到 置为十二孔布置时，k.为5.98×104s 0.0005-a 0 0.0004 0.1 0.0003 0.2 底吹布置 0.0002 底吹布置 ■四孔对称 0.3 ·四孔对称 4 ·六孔对称 ·六孔对称 .40)1 ▲八孔对称 ▲八孔对称 0 十二孔布置 0.4 ，十二孔布置 0 2 6 8 10 0 2 6 /m11 /min 图7不同底吹布置时水中苯甲酸浓度()和无因次量C:(b)随吹气时间的变化 Fig.7 Changes of benzoic acid concentration in water (a)and dimensionless variable C(b)with blowing time under different bottom blowing ar- rangements 根据上述测定结果，得到不同底吹布置与苯甲酸 6.0 容量传质系数之间的关系，见图8.由图可见，采用不 5.5 同的底吹布置方式，苯甲酸容量传质系数有很大的变 化，底吹孔数为4和6时容量传质系数区别不大；但随 5.0 着底吹孔数进一步增多时，溶入水中苯甲酸容量传质 4.5 系数增大很多 2.5底吹气流量分配对渣钢间容量传质系数的影响 4.0 从图9可以看出，底吹流量非对称分配（化渣底吹 35 四孔对称 六孔对称八孔对称十二孔布置 流量方案即耳轴两侧底吹流量大)时，水中苯甲酸的 底吹布置方式 浓度大，对应的容量传质系数为1.63×104s,大于 图8不同底吹布置时水中苯甲酸容量传质系数 底吹流量平均分配方案（对应的容量传质系数为1.36 Fig.8 Volumetric mass transfer coefficient of benzoic acid in water ×104s).主要是由于加强了耳轴两侧（物料加入 under different bottom blowing arrangements 和堆积处)的搅拌，改善了此处的动力学条件.考虑到 实际生产过程中加入物料量较大，在耳轴处的堆积现 象明显，采用此方案效果会更加明显

邓建军等: 邯钢 250 t 转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究 量为 97. 92 m3 ·h － 1时，ka 为 6. 34 × 10 － 4 s － 1 ． 由此看 出，当增大顶吹供气流量时，苯甲酸的容量传质系数 大大增加． 2. 3 氧枪枪位对渣钢间容量传质系数的影响 图 6 为不同氧枪枪位时水中苯甲酸含量和无因次 量 Ck 随时间变化． 由图可见，采用低枪位时水中苯甲 酸的浓度稍大一些． 当氧枪枪位为 189 mm 时，ka 为 6. 34 × 10 － 4 s － 1 ; 枪位 256 mm 时，ka 为 5. 65 × 10 － 4 s － 1 ． 由此可见，采用低枪位可使苯甲酸的容量传质系数有 所增加，提高熔池元素反应速率． 图 6 不同氧枪枪位时水中苯甲酸浓度( a) 和无因次量 Ck ( b) 随吹气时间的变化 Fig． 6 Changes of benzoic acid concentration in water ( a) and dimensionless variable Ck ( b) with blowing time at different oxygen lance positions 2. 4 底吹布置方式对渣钢间容量传质系数的影响 图 7 为不同底吹布置方式时水中苯甲酸浓度和无 因次量 Ck 随吹气时间的变化． 由图可见，采用不同底 吹布置对苯甲酸的传递速度有一定的影响． 计算得到 底吹布置为四孔对称布置时，ka 为 3. 81 × 10 － 4 s － 1 ; 底 吹布置为六孔对称布置时，ka 为 3. 7 × 10 － 4 s － 1 ; 底吹 布置为八孔对称布置时，ka 为 5. 12 × 10 － 4 s － 1 ; 底吹布 置为十二孔布置时，ka 为 5. 98 × 10 － 4 s － 1 ． 图 7 不同底吹布置时水中苯甲酸浓度( a) 和无因次量 Ck ( b) 随吹气时间的变化 Fig． 7 Changes of benzoic acid concentration in water ( a) and dimensionless variable Ck ( b) with blowing time under different bottom blowing ar￾rangements 根据上述测定结果，得到不同底吹布置与苯甲酸 容量传质系数之间的关系，见图 8． 由图可见，采用不 同的底吹布置方式，苯甲酸容量传质系数有很大的变 化，底吹孔数为 4 和 6 时容量传质系数区别不大; 但随 着底吹孔数进一步增多时，溶入水中苯甲酸容量传质 系数增大很多． 2. 5 底吹气流量分配对渣钢间容量传质系数的影响 从图9 可以看出，底吹流量非对称分配( 化渣底吹 流量方案即耳轴两侧底吹流量大) 时，水中苯甲酸的 浓度大，对应的容量传质系数为 1. 63 × 10 － 4 s － 1，大于 底吹流量平均分配方案( 对应的容量传质系数为 1. 36 × 10 － 4 s － 1 ) ． 主要是由于加强了耳轴两侧( 物料加入 和堆积处) 的搅拌，改善了此处的动力学条件． 考虑到 实际生产过程中加入物料量较大，在耳轴处的堆积现 图 8 不同底吹布置时水中苯甲酸容量传质系数 Fig． 8 Volumetric mass transfer coefficient of benzoic acid in water under different bottom blowing arrangements 象明显，采用此方案效果会更加明显． · 712 ·

·218· 工程科学学报，第38卷，增刊1 0.00016 0.05 0.00014 (a) 0 0.00012 -0.05 三0.00010 是0.0000s -0.10 0.00006 -0.15 是0.0304 -0.20 -0.00002 ·底吹流量非对称分配 ·底枪流量非对称分配 0· ·底吹流量平均分配 -0.25 ·底枪流量平均分配 0 46 8 10 0.302 0246 81012 tmin 图9不同底吹流量方案时水中苯甲酸浓度(）和无因次量C(b)随吹气时间的变化 Fig.9 Changes of the benzoic acid concentration in water (a)and dimensionless variable C.(b)with blowing time by different bottom blowing flow schemes 11(1):36 3结论 (陈敏，廖广府，李光强，等.210t顶底复吹转炉水模型实验研 (1)加大顶吹供气强度和底吹供气强度能够大大 究.过程工程学报，2011,11(1)：36) 促进渣钢反应，提高熔池元素在渣钢间分配比（满足 [5]Jin YL,Wang JJ.Zhou L.Study of hydraulic model experiment on lining protection by slag splashing in 50t BOF-BE.Steelmak- 其他工艺需求的同时，选取大的顶吹、底吹供气 img,2004,20(5):47 强度). (金友林，王建军，周俐.50t复吹转炉溅渣护炉水模试验研 (2)随着底吹气体流量降低，渣钢间容量传质系数 究.炼钢，2004,20(5)：47) 降低得明显，建议底吹气体流量不低于0.06m3/(min). [6 Nakanishi K,Kato Y,Nozaki T,et al.Cold model study on the (3)底吹布置方式对渣钢间传质系数有重要影 mixing rate of slag and metal bath in Q-BOP.Tetsu-to-Hagane, 1980,66(9):1307 响。底吹孔数越多，渣钢间容量传质系数越大，底吹孔 7]Paul S,Ghosh D N.Model study of mixing and mass transfer rates 数最好控制在8或12.优化底吹流量分配方案优于流 of slag-metal in top and bottom blown converters.Metall Trans B, 量平均分配方案，建议采用. 1986,17(3):461 [8]Yu YY,Tang P,Zhou L,et al.Water modeling for a 85 t top- 参考文献 bottom combined blown converter at Chongqing Steel.Spec Steel, [1]ZhangH S,Xiao ZQ.Influence of slag/steel mixing state on mass 2006,27(2):31 transport rate.Iron Steel,1987,22(9):21 (鱼洋洋，唐萍，周亮，等.重钢85t复吹转炉的水模型试验 (张华书，肖泽强.渣一钢混合状态对治金速率的影响.钢铁， 特殊钢，2006,27(2)：31) 1987,22(9):21) [9]Zeng Y N,Li J G,Han Z J,et al.Experimental study on water Liu L,Guo Z,Li Z.A study of transfer phenomena in a stirred model for a 50t top and bottom combined blown converter at Tang- bath.J Northeast Univ Nat Sci,1998,19(Suppl 1):85 steel.Spec Steel,2010,31(2):21 (刘浏，郭征，李正.搅动熔池中的传质过程.东北大学学报 (曾亚南，李俊国，韩志杰，等.唐钢501复吹转炉水模型的实 (自然科学版)，1998,19（增刊1）：85) 验研究.特殊钢，2010,31(2)：21) B]Lai Z Y,Xie Z,Zhong L C.Influence of bottom tuyere configura- [10]Yang C G,Li Q,Zou Z S.Studyon transfer coefficient of liquid- tion on bath stirring in a top and bottom combined blown convert- liquid system in a metallurgical reactor.Chin J Process Eng, er.1SJ1mt,2008,48(6):793 2009,9(Sppl):226 4]Chen M,Liao G F,Li G Q,et al.Watermodel study on a 210t (杨春光，李强，邹宗树.液一液治金反应器传质系数的模拟研 top-bottom combined blown converter.Chin J Process Eng,2011, 究.过程工程学报，2009,9（增刊）：226)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 9 不同底吹流量方案时水中苯甲酸浓度( a) 和无因次量 Ck ( b) 随吹气时间的变化 Fig． 9 Changes of the benzoic acid concentration in water ( a) and dimensionless variable Ck ( b) with blowing time by different bottom blowing flow schemes 3 结论 ( 1) 加大顶吹供气强度和底吹供气强度能够大大 促进渣钢反应，提高熔池元素在渣钢间分配比( 满足 其他 工 艺 需 求 的 同 时，选 取 大 的 顶 吹、底 吹 供 气 强度) ． ( 2) 随着底吹气体流量降低，渣钢间容量传质系数 降低得明显，建议底吹气体流量不低于0. 06 m3 /( t·min) ． ( 3) 底吹布置方式对渣钢间传质系数有重要影 响． 底吹孔数越多，渣钢间容量传质系数越大，底吹孔 数最好控制在 8 或 12． 优化底吹流量分配方案优于流 量平均分配方案，建议采用． 参 考 文 献 ［1］ ZhangH S，Xiao Z Q． Influence of slag / steel mixing state on mass transport rate． Iron Steel，1987，22( 9) : 21 ( 张华书，肖泽强． 渣--钢混合状态对冶金速率的影响． 钢铁， 1987，22( 9) : 21) ［2］ Liu L，Guo Z，Li Z． A study of transfer phenomena in a stirred bath． J Northeast Univ Nat Sci，1998，19( Suppl 1) : 85 ( 刘浏，郭征，李正． 搅动熔池中的传质过程． 东北大学学报 ( 自然科学版) ，1998，19( 增刊 1) : 85) ［3］ Lai Z Y，Xie Z，Zhong L C． Influence of bottom tuyere configura￾tion on bath stirring in a top and bottom combined blown convert￾er． ISIJ Int，2008，48( 6) : 793 ［4］ Chen M，Liao G F，Li G Q，et al． Watermodel study on a 210 t top-bottom combined blown converter． Chin J Process Eng，2011， 11( 1) : 36 ( 陈敏，廖广府，李光强，等． 210 t 顶底复吹转炉水模型实验研 究． 过程工程学报，2011，11( 1) : 36) ［5］ Jin Y L，Wang J J，Zhou L． Study of hydraulic model experiment on lining protection by slag splashing in 50 t BOF-LBE． Steelmak￾ing，2004，20( 5) : 47 ( 金友林，王建军，周俐． 50 t 复吹转炉溅渣护炉水模试验研 究． 炼钢，2004，20( 5) : 47) ［6］ Nakanishi K，Kato Y，Nozaki T，et a1． Cold model study on the mixing rate of slag and metal bath in Q-BOP． Tetsu-to-Hagane， 1980，66( 9) : 1307 ［7］ Paul S，Ghosh D N． Model study of mixing and mass transfer rates of slag-metal in top and bottom blown converters． Metall Trans B， 1986，17( 3) : 461 ［8］ Yu Y Y，Tang P，Zhou L，et al． Water modeling for a 85 t top￾bottom combined blown converter at Chongqing Steel． Spec Steel， 2006，27( 2) : 31 ( 鱼洋洋，唐萍，周亮，等． 重钢 85 t 复吹转炉的水模型试验． 特殊钢，2006，27( 2) : 31) ［9］ Zeng Y N，Li J G，Han Z J，et al． Experimental study on water model for a 50 t top and bottom combined blown converter at Tang￾steel． Spec Steel，2010，31( 2) : 21 ( 曾亚南，李俊国，韩志杰，等． 唐钢 50 t 复吹转炉水模型的实 验研究． 特殊钢，2010，31( 2) : 21) ［10］ Yang C G，Li Q，Zou Z S． Studyon transfer coefficient of liquid￾liquid system in a metallurgical reactor． Chin J Process Eng， 2009，9( Suppl) : 226 ( 杨春光，李强，邹宗树． 液--液冶金反应器传质系数的模拟研 究． 过程工程学报，2009，9( 增刊) : 226) · 812 ·