顶、底、复合吹炼转炉熔池流场及循环流量的试验研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.01.004 北京钢铁学院学报 1982年第4期 顶、底、复合吹炼转炉熔池流场 及循环流量的试验研究 技能工程系王尚槐 摘 要 对顶吹、中心底吹及复合吹三种工艺，在不同的气体流量条件下，用铝粉示踪 法研究了熔池内的流谱，用频闪光照象法测定了涡环中的速度分布。流谱试验指 出：熔池内形成一个封闭的涡环，三者都可当作轴对称二维流场。由测定结果计算出 涡环中心的位量为合=0,57,2级=0.83。还计第出不同的限火流量和不同的底 吹流量条件下的循环流量，回归出它们之问的定量关系式为，Q:=0.659Q,+ 5.175Q8-0.051Qr2-4.975Q:2-0.22QrQ。依此对熔池内的搅拌规律进行了分 析。在试验的参数值范围内，循环流量与顶吹气体流量之间的关系为具有一极大值 的曲线，循环流量和底吹气体流量之间的关系为一条逐渐变缓的上升曲线。复合吹 炼的循环流量小于单纯顶吹和单纯底吹时间两者循环流量的代数和。附加底吹所增 加的循环流量随顶吹量的增加而减小。 一、前言 近几年，转炉顶底复合吹炼炼钢新工艺受到广泛重视。它综合了顶、底吹的优点，是一 种很有前途的方法。实现复合吹炼的基本思想是在顶吹的基础上，附加小流量的底吹以强化 搅拌。众所周知，搅拌过程对转炉的熔炼过程起着重要作用，弄清搅拌规律对控制冶炼过程 有重要意义。多年来不少人都很重视对转炉熔池内搅拌规律的研究。 直接研究转炉熔池内的混合过程是很困难的，目前主要用物理模型或数学模型进行研 究。现已建立的数学模型所得的结果对指导实际过程还有相当大的距离，而物理模型的研究 结果可以为指导生产提供参考数据。利用模型试验研究转炉熔池搅拌混合规律的常用方法是 测“混合时间”，即向模拟钢液的水中加入一定量的电解质溶液，测加入后电导率的变化， 判断混合均匀所需的时间。这种方法简便、直观，是判断混合快慢的一种有效方法。但混合 时间只是表示最终的混合效果，而没有揭示搅拌混合过程。要了解搅拌混合过程就需研究熔 池流场，即研究熔池内的流动图象及速度分布。由速度分布可计算“循环流量”、“循环周 期”等判断混合快慢的重要指标。研究速度场是研究传热和传质过程的基础。速度场的实测 数据是建立和检验数学模型的依据。 用测混合时间的方法研究转炉熔池内的搅拌规律国内外都作过不少工作，而对转炉熔池 25

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 顶 、 底 、 复合吹炼转炉熔池流场 及循环流量的试验研究 热能工 程 系 王 尚槐 摘 要 对顶 吹 、 中心 底 吹及 复合 吹三 种工 艺 ， 在不 同 的气体流量 条件下 ， 用 铝 粉示 踪 法研 究 了熔 池 内的流谱 ， 用 频 闪光 照象法 测 定 了涡 环 中的速 度分 布 。 流谱 试验 指 出 熔 池 内形成 一 个封 闭的涡 环 ， 三 者 都可 当作 轴对称 二 维流场 。 由测定 结果 计算出 涡 环 中心 的位 置为浦一 ， 。 、 ‘ ‘ 一 ‘ 一 ， 一 ， 山 一百 一 二 · 还计 算 出 币 同 的 视 吠 况 和 小 问 时 低 吹流量 条件 下 的循 环 流量 ， 回 归 出它们 之 间 的 定 量 关 系式为 。 “ ， 。 一 忍 一 。 一 。 恢 此对熔池 内的搅拌规律进 行 分 析 。 在 试 验 的参数值 范 围 内 ， 循 环 流量 与顶 吹气体流 之 间的关 系为具有一 极大值 的 曲线 ， 循 环 流量 和底 吹气体流 量之 间的关 系为一 条 还 渐 变缓 的上 升 曲线 。 复合 吹 炼的循 环 流 量 小 于 单纯顶 吹和 单纯底 吹时 间两者循 环 流量 的代 数 和 。 附加底 吹所增 加 的循 环 流量 随顶 吹量 的增加 而 减 小 。 一 、 前 一中 玉目，一目目 口 近 几 年 ， 转炉顶 底复 合吹 炼炼钢 新工 艺受 到广 泛 重 视 。 它综 合 了顶 、 底吹 的 优点 ， 是一 种很有前途 的方 法 。 实现 复合吹炼的基 本思想是在顶 吹 的基 础 上 ， 附加小流量 的底 吹 以强 化 搅拌 。 众所 周 知 ， 搅拌过 程 对 转炉 的熔炼过 程 起 着重 要 作用 ， 弄清搅拌规律 对控 制冶炼过 程 有重 要意义 。 多年来 不 少人都很重视对转炉熔池 内搅拌规律 的研究 。 直接研究 转 炉熔池 内的 混合 过 程是很 困难 的 ， 目前主 要 用 物理模 型 或数学 模 型 进 行研 究 。 现 已建 立 的 数 学 模型所得 的 结果 对指 导实 际过 程还有 相 当大 吮距 离 ， 而物理模型 的 研究 结 果可 以 为指 导生 产提 供 参考数据 ， 利 用模型 试 验研究 转炉 熔池搅拌混 合规律的常用方 法 是 测 “ 混合 时 间 ” ， 即 向模 拟钢液 的水中加 入 一 定量 的 电解质 溶液 ， 测加入 后 电导率 的 变化 ， 判断 混 合 均匀所需的 时 间 。 这种方法简便 、 直 观 ， 是判 断混 合 快慢 的一种 有效方 法 。 但混合 时 间只是 表示 最 终的 混 合效果 ， 而没有揭示 搅拌混 合过 程 。 要 了解搅拌 混 合过 程就需研究熔 池 流场 ， 即研究 熔池 内的 流动图 象及速度分布 。 由速 度分布可计 算 “ 循环 流量 ” 、 “ 循环周 期” 等判 断 混 合 快慢 的 重要 指 标 。 研究速 度场是 研究 传 热 和传质 过 程 的 基础 。 速 度场 的实测 数据是建立和 检验数学模 型 的 依据 。 用测混 合 时 间的 方 法 研究 转炉熔 池 内的 搅拌规律国 内外 都作过不 少工 作 ， 而对转炉熔池 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．04．004

内的速度场的研究却做得很少。除了六十年代D.H.Wakelin所做的工作12·！外，很少 见到这类研究工作的报导。肖泽强等人曾在钢包的水模刑中和实际钢包中测试过速度场：！， 其研究结果对了解小流量底吹转炉熔池中的混合过程有重要参考价值。 D.H,Wakelin对顶吹射流冲击下熔池内的速度分布只描绘出图象而没有定量关系式， 他没有研究底欧和复合吹。我们的研究工作是首先研究了熔池中的流谱（流动图象），然后 定量测定了熔池中的速度分布，从而计算其“循环流量”和“循环周期”。不仅研究了顶 吹，而且还研究了中心单孔底欧和复合吹。 二试验方法 测试工作在水模型中进行。模型用有机玻璃制作，直径290毫米，以30吨转炉为模拟对 象，比例为1：9。顶吹和底吹的供气系统见图1。 研究熔池流谱的方法是铝粉示踪法，用片光源照明拍摄熔池流谱照片！。为避免光经 过模型圆筒壁面的折射造成的流场图象变形失真，模型放置在一个方形水箱中观察和照象。 定量测试速度场的方法是用粒子 示踪频闪光照象法。所谓频闪光是以 接压气机 一定的固定频率间断照明的光源1。 利用这种光源照明，同一个示踪粒子 在拍援的爆光时间可能被照明若干 次，从而在照片上得到若干点。图2 即为所拍摄的照片之一例。利用图象 分析装置将图象放大，可准确地读出 每个点的座标位置。若粒子原先位置 在i点(Ri,Zi,),后一个位置在 j点(R,Z,),而频闪光的频率为 1.转子流量计，2.U型管压力计，3.支架，4.喷枪， 5.喷头，6.熔池7.透气砖，8.U型压力计，9.转子流 f,读图时的图象比模型放大B倍，量计，10.氧气瓶， 则i点处流体的分速度分别为： 图1试验设备简图 图2频闪照象拍摄的照片（右边为测试区） 26

内的 速度场 的 研究 却 做得 很 少 。 除 了六十年代 所做 的工 作 ‘ ’ ’ 外 ， 很 少 见 到这 类研究工 作 的报 导 。 肖泽 强等人 曾在钢 包的 水 模型 中和 实际钢 包 中测试过 速度场 ‘ 】 ， 其 研究 结 果 对 了解小 流量底 吹 转炉 熔 池 中的 混 合过 程 有 重 要 参考价 值 。 对顶 吹 射 流 冲击下熔 池 内的速 度分布只描绘 出图 象而没有定量 关系式 ， 他 没有 研 究底 吹 和 复 合吹 。 我们 的研究 工 作是 首先研 究 了熔 池 巾的 流谱 流动 图 象 ， 然后 定 量 测定 了 熔池 中的速 度分 布 ， 从 而计 算其 “ 循环 流量 ” 和 “ 循环 周 期 ” 。 不仅 研究 了顶 吹 ， 而且还 研究 了 中心 单孔底 吹 和复 合吹 。 二 试 验 方 法 测试工 作在水模型 中进 行 。 模 型 用有机玻 璃 制作 ， 直径 毫米 ， 以 吨转炉 为模 拟对 象 ， 比例为 。 顶 吹 和底 吹 的 供 气 系统 见 图 。 研究 熔 池 流 谱 的方 法是 铝 粉示 踪 法 ， 用 片光 源 照 明 拍摄 熔 池 流谱 照片 石 。 为 避免光经 过模型 圆筒壁 面 的 折射造 成 的 流场 图 象变形 失真 ， 模 型 放 置 在一个方 形 水 箱 中观察和 照 象 。 定量 测试速 度场 的方 法是 用 粒 子 示踪 频 闪光 照 象法 。 所 谓 频 闪光是 以 一定 的 固定频率 间断 照 明的 光源 】 。 利用这种 光源 照 明 ， 同一 个示 踪 粒 子 在 拍摄 的 爆光时 间可 能 被 照 明若 干 次 ， 从 而在照 片 上得 到若干 点 。 图 即为所 拍摄 的 照片之一例 。 利用 图 象 分析装置将 图 象放 大 ， 可 准确地读 出 每个点 的座 标位置 。 若粒 子原 先位 置 在 点 ， ， ， 后一 个位置 在 点 ，， ， ， 而频 闪光 的频率 为 ， 读 图 时 的 图 象比模型 放大 日倍 ， 则 点处流体 的 分速度分 别为 ， 转 子 流量 计 型 管压 力计， 支架 喷头， 熔 池 透 气砖 型压 力计 量 计 氧气 瓶， 图 试 验 设 备简 图 图 频闪照象 拍摄 的 照 片 右 边为 测试 区

径向分度速： Vr=-B-(R,-R:) (1) ◆ 轴向分速度： V,=2,-z) (2) 知道分速度则可计算该点的速度大小和方向。 三、试验设计与试验结果 根据相似模化的要求确定试验参数。顶吹气体流量按下列的修正弗鲁德准数相等进行计 算： F=6((8)' (3) 式中u为喷枪出口气流速度，d为喷口直径，D为熔池直径，r。为喷口处气体重度，r为 熔池内液体重度。这一准数是按单位时间内从喷口喷出的气体动量与熔池内液体的重量之比 相似导出来的，它适用于喷枪出口直径与熔池直径之比不满足几何相似的情况。 底吹气体流量是按下列公式计算： ()=()(片)() (4) 式中G为气体的重量流量，D为熔池直径，r,为熔池内液体重度，r。为气体在标准准态下 的重度，P为气体出口处即熔化底部的绝对压力，T为熔池内液体的绝对温度。带撒号“”者 表示模型，不带者为实物。这一公式是由弗鲁德准数相等转换得来的。 顶吹气体选用压缩空气，径计算为模拟30吨转炉其流量应为8.2米3/小时。底吹选用透 气砖吹氧气。为了既减少试验工作量又能得到准确的结果，我们采用了回归正交试验设计方 法安排试验[7)。选定顶吹流量(Q)和底吹流量(Q)为二个试验因素，各选择三个水平，即 Qr为0,4,8米°/小时，Q为0,0.2,0.4米/分.吨)（相当于转炉底部吹氩0,0.034,0.068 标米3/分吨)按正交设计安排9种工况进行试验。具体安排见表1。 用频闪光照象法对每一工况拍摄若干张照片，取得如图3所示的几十个甚至上百个数据， 将这些数据在M-150计算机上回归可得(5)式和(6)式表达的回归方程： V2=A+A2Z+A3R+AZ2+AsR2+A.ZR (5) VR=B+B2Z+BR+BZ2+BR2+B.ZR (6) 式中Z、R的单位为厘米，V2,V的单位为厘米/秒。各工况的回归数据组数，回归系 数B及回归方程的信度列入表1中。从信度值可知用二元二次多项式回归可达到非常密切的相 关关系。 将(5)和(6)式联立求解得VR=0和V:=0的涡环中心位置(R,Z,)。用熔池深度(H)和 直径(D)换算得涡环中心位置的相对值(）和（费）。具体值见表1。 熔池内的液体绕涡心循环流动。根据流体的连续性，取通过涡心的任何一个截面都可算 出熔池内的循环流量，本试验中取误差较小的涡心以下的垂直截面进行计算。循环流量： 27

径 向分 度速 二 一 昔 ， 一 ‘ 轴 向分 速 度 ， ’ 一认 一 、 一 日 、 “ ’ 一 “ ‘ 产 知 道分 速度则可 计 算该点的速 度大小和方 向 。 三 、 试验 设 计 与 一 试验结果 根据 相 似 模 化的要 求确定试验参数 。 顶 吹气体 流量按 下列 的修正 弗舍德 准数相 等进 行计 算 ， 之 二 护 一 人 一 一 一 石一 口 口 式 中 。 为喷枪出 口 气流速度 ， 为喷 口 直径 ， 为熔池 直径 ， 。 为喷 口 处气体重 度 ， 为 熔池 内液体 重 度 。 这一准数是按 单位 时 间内从喷 口 喷 出的 气体 动 与熔池 内液体的重量 之 比 相似 导 出来 的 ， 它适 用于喷枪出 口 直径 与熔池直径 之 比 不 满足 几何相似 的情 况 。 底吹 气体流量 是按下列 公 式计算 答 ’ 号 ’ 哥 箫 令 干 “ ， 尹 厂 式 中 为气体 的 重量 流盆 ， 为熔池 直径 ， 为熔池 内液体重 度 ， 。 为气体 在标准准态 下 的 重度 ， 为 气体 出 口 处即熔 化底 部的 绝对压 力 ， 为熔池 内液体 的 绝对温 度 。 带撇号 “ 夕 ” 者 表示模型 ， 不带者为 实物 。 这一公式是 由弗鲁德准数相 等转换得来 的 。 顶 吹气体 选 用压 缩 空 气 ， 径计算为模拟 吨 转炉 其 流量 应为 米 小时 。 底吹选用 透 气砖吹氧 气 。 为 了既减 少 试验工 作量又 能得 到准确的 结果 ， 我们 采用 了 回归正交试验设计方 法安 排试验 〔 。 选定顶 吹 流量 和底吹 流量 为二个试验 因 素 ， 各选 择三 个水平 ， 即 为 ， ， 米 小时 ， 为。 ， ， 米 昌 分 吨 相 当于 转炉底部吹氛。 ， ， 标米 吕 分 吨 按 正 交设计安排 种工 况进 行试 验 。 具体安排见 表 。 用频 闪光照 象法对每一工 况 拍摄若干张照片 ， 取得如 图 所示 的几 十个甚 至 卜百个数据 ， 将这些数据 在 一 计算机 上 回归可得 式 和 式表 达 的 回归 方 程 。 ‘ 。 ， 、 ‘ 。 艺 。 式 中 、 的 单 位 为厘 米 ， 、 的 单位为厘米 秒 。 各工 况 的 回归数 据组数 ， 回归系 数 及 回归方 程 的 信 度列入 表 中 。 从信度值可知 用二元二次 多项式 回归 可达 到非 常密切 的相 关关系 。 将 和 式 联 立求解得 和 二 确勺涡环 中心位置 。 ， 。 。 用熔池 深度 和 一 、 、 ‘ ， 。 、 ， 、 ， ， 。 、 、 ， ， 一 直径 ‘ ’换 算得’“ 环 中 ‘ 。 位 置 的相 对值又节夕和 又分夕 。 具体值 见 表‘ 。 熔 池 内的液体 绕涡 心循环 流动 。 根据 流体 的连 续性 ， 取通过 涡心 的任何一个截面都可算 出熔池 内的循环 流量 ， 本试验 中取 误 差较小 的 涡心 以 下的垂直截面进行计算 。 循环 流

&1 试验数据 试幽 翻 归系 数 信 回归 涡环中心位置 循环 数据 u Z。 2 B B2 B B. B, Be 组数 D 0 0 0 2 0.2 -12.9020.302i1.7670.104 -0.09180.02130.0000134 0.55 0.81 0.956 3 0 0.4 -11.0350.2761.421 0.242 -0.0738-0.05190.0026 42 0.605 0.8221.281 4 0 -6.441 0.3700.2560.01330.050 0.157 0.0000 80 0.553 0.832 1.963 5 40.2 5.771 2.3341.6010.2690.0270 0.229 0.0000 74 0.6140.845 2.460 6 4 0.4 -2.15 0.701-0.6630.159 -0.01780.228 0.0000 46 0.54 0.8662.602 7 8 0 -8.316 1.027 0.326 0.0992-0.04080.0408 0.0000 53 0.592 0.803 2.002 89 8 0.2 -16.6612.086 2.396 -0.3390.201610.2699 0.0000 60 0.518 0.821 2.38 8 0.4 -11.8591.848 0.035 0.0598-0.01650.0473 0.0000 62 0.597 0.813 2.677 10 11 12 13 R…·Cm 图3频闪照象测试点综合图（第2工况） 图4顶吹熔池流谱照片 28

炎 试验数据 信度 数组回归据数 酬娓参崔 仪 甘甘︸︶︵﹄ 口 ， … 日八廿︸︸︶﹄ “甘︸ ，刀、 任内二八君 兮，曰八月︸ 回 归 系 数 。 涡 环 中心位 置 多、 。 循环 流量 升 移 试工验况 参喇娓降 卜 甘 一 口︹ 日︸﹃ 目二」， 八 卜 日一﹃︸︺ 嘴︺一刀 叮日 八 八八︹ 司 一 一 八八 日八︹︸ 八 八八 一 一 一 一 一 一 ， 遵 匕丹﹄ 口内民 二口 曰，，工 洲一月川曰日日川叫口 ，、 上，︼凡邢︸月吮﹄匕内，‘︸随﹄， 弓口吐且 邑 图 频闪照象测 试 点综合 图 第 工 况 图 顶 吹熔池流谱 照片

图5中心底吹溶池流谱原片 图6项底复合吹溶池流谱凰片 图？中心底吹熔池横刮面的流谱照片 Q.-fx.Vd. (7) 将(6)式代入积分得： Qc=2πR〔(B1+BsRg+B,R,2)Z。 +号(B+RR)Z,+号B,Z,3 (8) 各工况的循环流量值列入：1。将循环流量(Q:)付顶吹气体流昼(Q)和底吹气体流 (Q)进行回归得下列回归方程： 29

砂娜粼 图 中心 底 吹熔 池流谱 牌 片 图 顶底 复合 吹熔 池 流诣 照 中心 底 吹熔 池横 刮面 的流谱 照 片 。 兀 。 ， ， ，尸 乞 一 图 。 将 式 代入 积分 得 。 九 。 〔 ， 。 。 弓 。 “ 。 】 。 、 。 。 ‘， 各工 况 的循 环 流量值列 入 ’ 。 将 循环 流量 。 讨顶 吹 气体 流见 种 和底吹 气体 流最 。 进行 回归得 下列 回归方 程

Qc=0.659Qx+5.175QB-0.051Qr2 …-4.975Qa2-0.229QxQB (9) 式中QT、Q:的单位是米/小时，Qc的单位是升/秒。 四、对试验结果的讨论 1.嬉池流灌及涡环中心位置 图4至图7为用铝粉示踪法拍摄的部份熔池流谱照片。如图4所示，顶吹情况下熔池中的 液体在顶吹气流的冲击下形成凹坑，坑底是流动驻点。凹坑表面的液体在高速气流的作用下 向四周作加速运动。液体在凹坑边缘处速度最大形成凸起的唇边。当气流速度超过一定值后 则造成喷溅。从凹坑中流出的液体速度较大，在其作用下熔池上部液体向四周运动。同时凹 坑下部的液体被抽引向上流动。结果在熔池内形成一个轴对称的封闭的涡环。涡环中液体作 循环运动。涡环与边角之间及凹坑下方靠底部处有局部旋涡区，不过其占的比例不大。中心 底吹（图5）的情况下熔池内的流谱与顶吹情况基本相似，只是带动液体流动的动力不再是顶 吹气体的喷射作用而是底吹气泡上浮对液体的拖动作用。复合吹的情况下（图6）熔池内的流 谱与上述两情况也基本相似。这时熔池的搅拌动力是上述两种作用的复合。从三种情况的熔 池横剖面流谱（见图7）可以看出流线都是指向中心的，因此圆周方向上分速度很小可忽略， 整个流场可看作轴对称的二维流场。 转炉熔池中涡环的中心位置是描述流场的承要参数，它决定向上、向下、向内、向外流 动区城的大小。表1所列的涡心位置的值各不相等有一些差别。进行方差分析发现其差别是 随机因鰲造成的。换句话说，不论是顶吹、中心底吹还是复合吹，也不论流量大小，涡环中 心的位置是若本相同的。将表1所列数值平均得合=0，.57,2，=0,83。 2.遮度分布 转炉熔池为轴对称二维流场，故其速度大小(V)和速度与水平线的夹角()可接下式计 算 V=√V,+VR2 (10) 0=g() (11) 图8为利用(6)、(7)、(10)、(11)式计算出的第2.工况的速度分布图。图中标有“+”字 处为涡心位置。9和图10所示。从图中不仅能定性地看到熔池内的流动图象，而且能定量地 知道各部位的速度大小和方向。其他工况也可得到类似的结果。 文献〔3)、〔9)用数学模型研究转炉熔池流场时都是iD.H.Wakeiln的试验结果对照。 本研究工作所得到的各种工况下的定量数据为完善现有数学模型和建立新的数学模型提供了 更准确、更丰富的依据。 从图3可以看出，不同照片所得的流线有相交现象，这说明熔池内的流场实际是不稳定 的。图8所示数据是统计平均值。用回归方法所得的回归方程一般只适用于所回归的区域。 而从图3知，测试点集中在涡环内部，長面上和气泡流股内部没有测试数据，因此(6)和(7) 式不适用于这些地方。关于气泡流股及其邻近的区域内以及熔池表面的流速分布有待进一步 研究。肖泽强对钢包做过这方面的工作，。 30

。 。 一 “ 一 。 ， 一 。 式 中 ， 、 。 的 单位是 米 小时 ， 。 的 单位是 升 秒 。 四 、 对试 验结果 的计论 络池流，及润环 中心 位 图 罕 图 为用 铝粉示踪法拍摄 的 部份 熔池 流谱照 片 。 如 图 所示 ， 顶 吹情 况 下熔 池 中的 液体 在顶 吹 气流 的 冲击 下形成 凹坑 ， 坑 底是 流动 驻 点 。 凹 坑表面 的液体 在高速气流的作用 下 向四周 作加速运 动 。 液 体在 凹坑 边缘 处速度最大 形 成 凸起 的唇 边 。 当气 流速度超过一定值后 则造成喷 溅 。 从 凹 坑 中流出的液体速度较大 ， 在 其作 用 下熔池 上部液体向四 周运 动 。 同时 凹 坑下部的液体被抽 引向上流动 。 结果 在熔 池 内形 成一个轴对称 的封 闭的 涡环 。 涡环 中液体 作 循环运动 。 涡环 与边 角 之间及 凹 坑下方 靠底 部处有局 部旋 涡 区 ， 不过 其 占的 比例不大 。 中心 底吹 图 的情况下熔池 内的 流谱与顶 吹情 况 基 木相似 ， 只是带 动 液体 流动 的动 力不再是顶 吹 气体 的喷 射作用 而是底吹 气泡 上 浮对液体 的拖 动作用 。 复合吹 的情 况 下 图 熔池 内的 流 ’ 谱与 上述 两情 况 也基 本 相似 。 这 时熔 池 的搅 拌动 力是 上述 两种 作用 的 复合 。 从三种 情 况的熔 池横剖面 流谱 见 图 可 以看 出流线都是 指 向 中心 的 ， 因此 圆周 方向上分 速度很小可 忽略 ， 整个流场可看 作轴对称 的二 维 流场 。 转炉熔 池 中涡环 的 中心 位 置是描述 流场 的 币要 参数 ， 它决 定 向 匕 向下 、 向 内 、 向外 流 动 区域 的大 小 。 表 所列 的 禺心 位置 的 值 各不相 等有一 些 差 别 。 进 行方差 分析发 现其差 别是 随机因 我造成的 。 换 句话说 ， 不论是顶 吹 、 中心底吹 还 是 复 合吹 ， 也 不论 流量大小 ， 涡环 中 、 二 ‘ 二 … 、 … 二 ， 。 心的 位 置是基 本相 间 的 。 将 表 拚列致值 平 均得一 才 二 ， 百 “ 。 此度分 布 转炉熔池为轴 对称 二 维 流场 ， 故其 速度 大小 和速度与水平线 的 夹角 可 接下式计 算 侧 ， 户下 产 ， ” ” ‘ 一 ‘ 戈丈 夕 图 为利用 、 、 、 式计算出的 第 工 况 的速度分布 图 。 图 中标有 “ ” 字 处为涡心位置 。 和 图 所示 。 从 图 中不 仅能 定性地 看 到熔 池 内的 流动 图 象 ， 而且能 定量 地 知 道 各部位 的速度大 小和 方 向 。 其他工 况 也 可 得 到类似 的 结果 。 文献 〕 、 的 用 数学模型 研究 转炉熔 池 流场 时都是 和 的试 验 结 果对照 。 本研究工 作所得到的 各种工 况 下的 定量 数据 为完善现有数 学 模型 们建 立 新 的数 学 模型提 供 了 更准确 、 更丰富 的依据 。 从 图 可 以 看 出 ， 不 同照 片所得 的 流线 有相 交 现 象 ， 这说 明熔池 内的 流场 实际是 不稳 定 的 。 图 所示 数据 是 统计平 均值 。 用 回归 方 法所得 的 回 归方 程一 般只 适用于所 回归 的 区 域 。 而从 图 知 ， 测试 点集中在涡环 内部 ， 表面 上和 气泡 流股 内部 没有测试数据 ， 因此 和 式 不适 用于 这些地方 。 关于 气泡 流股 及 其邻近 的 区域 内以 及熔池 表面 的 流速分布有待 进一 步 研究 。 肖泽 强对钢 包做过 这方 面 的工 作 ”

8 长 7 之心快到计财以必 e 阳g正些 N3 9 必 女玉 红 多 5.7 78910 11121314 cm 图8根据回归方程画出的涡环内速度分布图（第2工况） N 0 68101214 -8-404 R cm V:,Va cm/s 图9通过涡环中心的水平面上 图10通过涡环中心的垂直面上 的速度分布 的速度分布 3.顶吹时循环流量与顶吹流量间的关系 (9)式中令Q。=0即可得頂吹情况下循环流量与頂吹流量间的关系式为： Qc=0.659Qr-0.051Q2 (12) 已知模型中水的体积为V=5.614升，故循环周期（τ）可按下式计算： Te=Qc 秒 (13) 将Qc、t:对Q,作图得图11。从此图看出，Q一Q,曲线为一条具有极大值的曲线。顶吹 流量较小时增大顶吹流量使钢液循环流量有明显增加，循环周期显著缩短，顶吹流量较大 时，再增加顶吹量对钢液的循环不再产生显著影响，甚至超过一定值厅钢液循环量略有减小。 顶吹流量较小时，随着顶吹流量增加，冲击熔池的动量也增加。相应地，传递给熔池的 动量也增加。此时，熔池凹坑的形状基本相似，流量加大后，凹坑扩大，推动液体流动的作 用力基本上与气体射流的动量成比例增加。当顶吹流量较大时，凹坑形状变成深锥形，坑表 面液体所受的水平分力变化不大，主要是垂直分力加大。水平分力才是推动熔池液体循环的 动力，故顶吹气体流量大时，增大气量对循环流量的增加影响不显著。另一方面，坑表面液 31

狼、 飞妞 义衡 琳瑞、、 夕宁刁平 三 舜 钾 钾 扩 粼 命 会 悦 褚 对 刁 刃 乏 备 猛 习 幼 、 衡 添 狠 毕 铃 委 蚤 玲 冷 够 会 蚤 洛 咚 夺 华 耘 俘 方 命 弓弟 乡多资 组‘ 经毛 气分 尸 终 命 幸 钾 条 官 俗 礴 够 专 幼 洛 令 杏 址 之 欲查 灸蚤 丢委 会补 查交 肚整 ‘ 口 口 叉 图 根 据 回 归方 程 画 出的 涡 环 内速度分 布 图 第 工 况 受 日 ” 、 一 支 一 沪 入 ︸︸ 一 叮 卜 图 通过 涡 环 中心 的水 平 面上 的速度分 布 顶 吹时循环 流级与质吹 流 间的关 系 ” 怡扮亡字一十一寸 ， 图 通 过 涡 环 中心 的垂 直 面 上 的速 度分 布 式 中令 即可得琉吹情 况 下循环 流量 与顶 吹 流量 间的关系 式 为 。 二 一 之 二 “ 巳知 模型 中水 的体 积 为 二 升 ， 故循环 周 期 。 可按 下 式 计算、 下 二 而 将 ， 丫 。 对 作 图得 图 。 从此 图看 出 ， 一 曲线为一 条具 有极大值 的 曲线 。 顶吹 流最 较小时 增大 顶 吹流量 使钢液 循环 流量 有 明显 增加 ， 循环 周 期显 著 缩 短 ， 顶 吹 流 量 较 大 时 ， 再增加顶 吹量 对纲液 的 循环 不再产生显著影 响 ， 甚 至 超 过 一 定 值 后 钢 液 循环 量 略 有减小 。 顶 吹 流且 较小时 ， 随着顶 吹 流量 增加 ， 冲击熔 池 的动 量 也 增 加 。 相 应地 ， 传递 给 熔 池的 动量 也 增加 。 此 时 ， 熔池 凹 坑 的形状基 本相似 ， 流 量 加 大后 ， 凹 坑 扩大 ， 推 动液 体流 动 的作 用力基 本 上与 气体射 流 的 动量 成比例增加 。 当顶 吹 流量 较 大 时 ， 凹坑 形 状 变成深锥形 ， 坑 表

体受的垂直分力增大后增加了液体的喷溅和熔池表面的波动，这些都增加了能量损失。当顶 坎流量超过一定值后，由于大量喷藏、剧烈的波动和幌动造成大量能量损失，以致使循环变 坏。 4.底吹时循环流量与底吹流量间的关系 (9)式中令Q,=0即可得底吹情况下循环流量与底吹流量间的关系式： Qc=5.175Qm-4.975QB2 (14) 用(13)式可算出底吹时的循环周期。除了用循环流量和循环周期表示搅拌强度外，抽引 比也是评价宾吹搅拌效果的另一重要指标。】。体积抽引比定义为： Qe m=0 (15) Qc、Te和m随Q的变化关系见 图12。从该图可以看出Qc-Q曲线为 一条逐渐变缀的上升曲线，相应地循 环周期则是一条逐渐变缓的下降曲 20 线。体积抽引比则随着底吹流量增加 真线下降。 8 用透气砖供小流量的气体底吹搅 10 拌时，气泡出口动量可以忽略。因此， 液体的搅拌动力主要来自气泡上浮过 程中对液体的推动力。气体流量相同 Qr m'/h 的条件下，气泡越小越分散，被它直 接带动的液体量越多。因此，底吹气体 图11顶吹时循环流量(Q)循环周期(xc) 的流量和气泡的分散程度都是影响循 和顶吹流量(QT)间的关系 环流量的承要因素。如果单位面积透 30 气砖而积上通过的气体流量过大，则 气泡变大从而减弱其抽引效果。循环 2 20 流量随底吹流量的变化关系曲线是斜 率逐渐变小的曲线就是因为气泡由小 变大的缘故。为了保证生成分散的小 10 气泡，单位面积透气砖上通过的流量 G 要有一定限制。透气砖面积不足时应 选用较大断而的透气砖或增加其个 0.1 0.2 0.3 0.4 Q: m/h 数。 当底吹流量在0.1~0.4米3/小时 图12底吹时循环流量(Q:)、循环周期 的范围内，体积抽引比约由17减至 (:)、体积抽引比(m)与底火流量间的关系11，质量抽引比约为15000~10000，这 一数值比钢包中的数值小【81。显然这是因为转炉熔池的相对深度比钢包浅，气泡在底部具有 的位能比钢包小的缘故。 5.复合吹时循环流量与顶吹流量、底吹流量间的综合关系 (9)式即表示复合吹循环流量与顶吹流量、底吹流量间的综合关系。由此式作图得图13 32

体 受 的垂 直 分 力增大后 增加 了液体 的喷 溅和 熔 池 表面 的 波动 ， 这 些 都增 加 了能量 损失 。 当顶 吹流 量 超 过一 定值后 ， 由于 大量 喷 溅 、 剧 烈 的 波动 和 幌动造成大量 能量 损 失 ， 以 致使循环 变 坏 。 底 吹 时循环 流 与雇吹 流 间的 关 系 式 中令 ， 二 即可得 底吹情 况下循环 流量 与底吹 流量 间的关 系式 。 。 一 。 “ 用 式可 算出底吹 时 的循环周 期 。 除 了用循环 流量 和循环 周 期表示搅拌强度外 ， 抽 引 比 也是 评 价 宜吹搅拌效果 的 另一重要指 标 。 “ 。 体积抽 引比定义 为 。 飞兀 。 、 和 随 。 的 变化 关系见 图 。 从该图可 以 看 出 。 一 ， 曲线 为 一条逐渐 变缓 的 上升 曲线 ， 相应地循 环周 期 则 是 一条逐渐 变缓 的 下降 曲 线 。 体 积 抽引比 则随 着底 吹 流量 增加 直 线 下降 。 用 透 气砖供小流量 的 气体底 吹搅 拌时 ， 气泡出 口 动量 可 以 忽略 。 因此 ， 液体 的搅拌动 力主要来 自气泡 上浮过 程 中对液体 的 推动 力 。 气体 流量 相 同 的 条件 下 ， 气泡越 小越 分 散 ， 被 它直 接带动 的液体 量 越 多 。 因此 ， 底 吹气体 的流量 和 气泡的分散程度都是影响循 口口一 厂 洲尸沪 产 、 、 侧之 之 ， 图 顶和 顶吹 时吹循 环 流量 。 循 环 周 期 丫 流量 间的关 系 任 仍 声 图 底 吹 时循 环 流量 一、 。 、 循 环周 期 体积 抽 引比 与底 吹流量 间 的关 系 环 流量 的 贡要 因素 。 如 果单位面 积透 气砖面 积 上通 过 的 气体 流量 过 大 ， 则 气泡 变 大从 而减弱 其抽 引效 果 。 循 环 流量 随底吹 流量 的 变 化关系 曲线 是 斜 率 逐渐 变小的 曲线就 是 因 为气泡 由小 变大 的缘 故 。 为 了保证生 成分 散的 小 气泡 ， 单位 面 积透气砖 上通 过 的 流量 要 有一定 限 制 。 透气砖面积 不足 时应 选 用 较大 断 而 的 透 气砖 或增 加 其个 数 。 当底 吹 流量 在 米 。 小时 的 范围 内 ， 体 积 抽 引 比 约 由 减至 ， 质 量抽 引比 约为 ， 这 场尸介 一数值 比钢 包 中的数 值小 〔 “ 。 显然这是 因为转炉熔池 的相 对深度比 钢 包浅 ， 气泡在底 部具有 的位能 比钢 包小的 缘 故 。 妞合吹时循环 流 与顶 吹 流 、 底吹流皿 间的综合关 系 式 即表示 复合吹 循环流量 与顶 吹 流量 、 底吹 流量 间 的综 合关系 。 由此 式作图得图

和图14。总的来看，顶吹的基础上附加小流量的底吹可以强化搅拌，但有两点需要特别指 出。 首先，复合吹炼的循环流量小于单纯顶吹和单纯底吹条件下循环流量的代数和。其减少 的数值即为(9)式中最后的交互作用项。图15表示出Q=0.4米3/小时的条件下，其减少值 与顶吹流量的关系。 △Q。=-0.229Q-Qm (16) 复合吹炼时顶吹与底吹的交互作用为何是负值，这可用上：升气泡流股与顶吹射流之间互 相碰击造成能量损失来解釋。流量越大，能量损失的比例越大。 3 Q=0.4 Q26 QT=8 Ce0 1 Q=1 Q=2 总 Q7=0 6 0.1 0.2 0.3 0.4 Q.m/h Q. m/h 图13复合吹时不同的底吹流量(Q。) 图14复合吹时不同的顶吹流量(Q,) 的情况下循环流量(Q:)和项吹 的情况下循环流量(Q:)与底吹 流量(Q)间的关系 流量(Q)间的关系 30 20 % 10 0 2 6 Qt m/h 1-单纯项吹与单纯底吹循环流量代数和Q:(T+B), 2-复合吹时的循环流量Q,(T,B), 3-曲线1和2的差值（△Qc): 4-AQ/Q(TB) 图15复合吹时循环流堂（曲线2）与单纯顶吹和单纯底吹循 环流量代数和（曲线1)之间的比较 33

和 图 。 总的 来 看 ， 顶 吹 的 基 础 上附加 小 流 量 的底 吹可 以 强 化搅拌 ， 但 有两 点需要 特 别指 出 。 首先 ， 复 合 吹 炼的 循 环 流量 小于 单纯顶 吹 和 单纯底吹 条件下循 环流量 的 代数 和 。 其减 少 的数值 即为 式 中最 后 的 交互 作 用 项 。 图 表示 出 ， 米 小 时 的 条件下 ， 其减 少 值 与顶 吹 流量 的 关系 。 。 一 。 复 合吹炼时顶 吹 与底吹 的 交 互作用 为何 是 负值 ， 这可 用 上升气泡 流 股 与顶 吹 射流 之 间互 相碰 击造成能 量 损失 来解 释 。 流量 越 大 ， 能量 损失 的 比例越 大 。 黔 麟 沙 、 二 工 ， 业 丫 ，，，， 图 复合 吹时不 同 的底 吹流量 。 图 夏合 吹时不 同 的顶 吹 流重 神 的情 况 下 循 环 流量 。 和 顶 吹 的情况 下 循 环 流童 。 与底 吹 流量 刀 间 的关 系 流量 。 间 的关 系 冬 ‘ 、 洲丫 口 。。、 · 一 单纯顶 吹与单纯底 吹循 环 流量 代 数和 。 ， 一 复合 吹时的循 环 流量 。 ， 一 曲线 和 的差 值 八 。 ， 卜态 。 。 ， 图 弓 夏 合吹 时 循 环 流量 曲线 与 单纯顶 吹和 单纯 底 吹循 环 流 量 代数和 曲线 之 间 的 比较

其次，在顶吹基础上加小流量底吹后产生的附加搅拌效果与顶吹量有关。图16表示在不 同的顶吹量条件下，附加底吹0.4米/小时与不加底吹，两种情况下循环流量的差别△Q。 显然顶吹流量较小熔池搅拌不足的情况下附加底吹可增加较多的循环流量。换句话说，顶吹 搅拌强度较大时，附加底吹的效果不如顶吹流 量较小时显著。这一现象可以从气泡与液体之 间的相对速度发生变化来解釋。 顶吹流量较小时，熔池内液体的循环速度 比较小，气泡上浮过程中与液体之间产生较大 的速度差，因而能对液体产生较大的推动力， 0 从而增加较多的循环流量。当顶吹流量较大、 0 Qt m'/h 熔池内液体的循环速度本来较大时，气泡上浮 图16不同的顶吹流量条件下附加 过程中与液体间的速度差较小，对液体的作用 0.4m3/h的底吹与不加底吹两种情况 力也减小，因而增加的循环流量就不多。 下循环流量的差别（△Q) 五、结论 1.顶吹、中心底吹及复合吹的情况下熔池流谱是基本相似的，都可看作轴对称二维 流场。三种情况下熔池内都形成一封闭的渴环，祸环中心位置约为：=0,57,2=083。 2.涡环内的径向分速度和轴向分速度的分布可用二元二次多项式表示，但气泡流股 内、液体的表面层内及拐角处的旋涡区内的速度分布还需进一步研究。 3.熔池中的循环流量(Q)与顶吹气体流量(Q)、底吹气体流量(Q)之间存在下列关 系式： Qc=0.659Qx+5.175Qa-0.051Qr2-4.975Q2-0.229QrQ: 4.頂吹情况下，循环流量与顶吹流量之间的关系为具有一极大值的曲线。顶吹流量很 大时，由于喷溅、液面的波动及熔池内的幌动加剧，使循环流量随顶吹量的增加不显著甚至 略有减小。 5.用透气砖小流壁底吹的情况下，循环流量与底吹流量间的关系为斜率逐渐变小的上 升曲线。分散的小气泡群比集中的大气泡群搅拌效果好。单位面积透气砖通过的气体量应有 一定的限制。 6,复合吹炼的循环流量小于单纯顶吹与单纯底吹循环流量的代数和。流量越大，相差 越大。 7.附加小流量底吹所增加的搅拌效果，在顶吹搅拌不强烈时较显著，随着顶吹置增加 效果减小。可见，转妒精炼未期熔池搅拌不足时附加适当的底吹可以显著地加强搅拌混合。 致 谢 本文所引用的试验工作先后有黄志伟、冯诚芝、冯相、蒋智、张岩、柳传杨、甘萍等参 加，在此对他们表示感谢。 31

其次 ， 在顶吹基 础 上加 小流量 底吹后 产生的附加搅拌效果与顶 吹量 有关 。 图 表示在不 同的顶 吹量 条件下 ， 附加底 吹 米 昌 小时 与不加底吹 ， 两种 情 况 下循环流 量 的差别 △ 。 。 显然顶 吹流最 较 小熔池搅拌 不 足的情 况 下附加底 吹可增 加较多的循环流量 。 换 句话说 ， 顶 吹 搅拌强度较大时 ， 附加底吹 的 效果不如顶 吹 流 较小时显著 。 这一现象可 以 从气泡与液 体之 间的相 对速度发生变化来解释 。 顶 吹 流量 较小时 ， 熔池 内液 体的循环速度 比 较小 ， 气泡 上浮过程 中与液体之 间产生 较大 的速度差 ， 因而能对液体产生 较大的 推动 力 ， 从而增加较多的循 环 流量 。 当顶 吹流量 较大 、 熔池内液体 的循环速度本来 较大时 ， 气泡 上浮 过 程 中与液 体间的速 度差较小 ， 对液体 的 作用 力也减小 ， 因而增加的循 环流量 就不 多 。 、 、 、 、 、 、 、 一 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 图 不 同 的顶 吹流 条件下 附加 “ 的底 吹与不 加 底 吹两种 情况 下 循 环 流量 的差 别 △ 五 、 结论 顶 吹 、 中心底吹 及 复 合吹 的情况 下熔池 流谱 是基 本相 似 的 ， 都可 看 作 轴对称二维 ， ， 、 一 一 、 ， 一 ， 一 二 ， 、 ， 、 ， 、 ， 一 一 、 一 ， ， 、 ， 。 。 流场 。 三种情 况 下熔池 内都形成一封闭的涡环 ， 涡环 中心 位置 约为 计 ” ， 笼子 “ ” 。 涡环 内的 径 向分速 度和 轴 向分速 度的分布可用二 元 二 次多项式表示 ， 但 气泡流 股 内 、 液体 的表 面层 内及拐角处的旋涡 区 内的 速度分布还 需进一步研究 。 系式 熔池 中的循 环流量 。 与顶 吹 气体流量 、 底吹 气体流量 。 之 间存在 下列关 。 了 。 一 一 。 一 。 填 吹情 况 下 ， 循 环流 量 与顶 吹流量 之 间的 关系为具有一极大 值的 曲线 。 顶 吹 流量 很 大时 ， 由于喷 溅 、 液 面 的 波动 及熔池 内的 幌动加剧 ， 使循 环流量 随顶 吹 量 的增加 不显著甚至 略有减小 。 用 透气砖小流量 底吹 的情况 下 ， 循 环流量 与底吹 流量 间的关系为斜率逐渐 变小的 上 升 曲线 。 分 散的小气泡群 比 集中的大 气 泡群搅拌效果好 。 单位面 积 透气砖通过 的气体量应 有 一定 的 限制 。 复合吹炼的循环流量 小于 单纯顶 吹与单纯底吹循 环流量 的代数和 。 流量越大 ， 相差 越大 。 附加小流量 底吹所 增加 的搅拌效 果 ， 在顶 吹搅拌不 强烈 时较显著 ， 随 着顶 吹里 增加 效 果减 小 。 可见 ， 转 炉 精炼末期 熔 池搅拌 不足 时附加适 当的底吹可 以 显著地 加 强搅拌 混合 。 致 谢 木文所 引用 的试 验工 作先 后有黄 志伟 、 冯诚芝 、 冯 旭 、 蒋智 、 张岩 、 柳 传杨 、 甘萍 等 参 加 ， 在此 对 他 们 表示 感 谢