·62 工程科学学报，第38卷，增刊1 抑制碳氧反应的发生-)，同时强化熔池搅拌效果，促 因此在几何相似的条件下采用修正的roude准数 进钢液中磷元素向渣中扩散. (Fr)为决定性相似准数a,即当原型的修正Froude 目前，国内外研究者对铁水与脱磷及转炉高效脱 准数与模型的修正Froude准数相等时，原型与模型的 磷做了大量的实验室基础研究和工业应用试验-团 流体运动状态相似，关于复吹流量换算计算过程如下： 其中，Heay提出了以熔池温度、渣中石灰及全铁含 F=Fi,即 x-Pr (2) 量为变量的，用于计算熔池中平衡磷分配比的理论计 gd"p-P:gd Pu-Pa 算公式. 由此得出模型对应于原型的流量为： g骨-20+00sc0)+25%e,-16 d d ）x-xu=,M-x Pu-Pa Ps Pu-Pa Ps (1) (3) Mukawa和Mizukami圆认为在搅拌能(s)与氧流 式中：M为模型几何相似比；u,山1为模型与原型气流 量()满足e=1.512+3.31V的关系时，增加氧流量 速度，ms;Q,Q为模型与原型气体流量，m3h;d, 可有效提高熔池的脱磷效果.Yoshida与Yamazaki等 人报告了SRP法(Simple Refining Process)在住友金 d1为模型与原型氧枪的喉口直径，mmp,pu为模型与 属鹿岛厂的生产效果，报告指出在提高脱磷效率的同 原型的液体密度，kgm3P。,Pu为模型与原型的气体 时，石灰的用量可减少一半，渣中(FO)含量降低，终 密度，kgm3g为重力加速度，ms2:下标l,g为液 点锰质量分数也能达到0.17%~0.18%.报告提 体与气体缩写.模型与原型基本特征参数如表1 出在转炉治炼过程中喷入石灰粉可同时提高熔池 所示. 搅拌效果与脱磷率，并将该方法命名为LD一ORP法 表1模型与原型基本特征参数 Table 1 Characteristic parameters of prototype and model (LD converter-Optimized Refining Process). 承德钢铁集团有限公司采用转炉双联法进行高品 参数 原型 模型 位钒渣及钢液生产.为提高渣中钒含量，在转炉提钒 氧枪马赫数 1.4 1.4 过程中禁止加入石灰进行造渣，因而导致熔池中氧化 氧枪喷口数 1 1 所形成的P20,无法在渣中形成稳定的3Ca0·P20,造 倾角角度/() 41/42/43144145 41/42/43/44/45 成提钒过程后熔池中磷含量与入炉铁水磷含量基本相 氧枪喉口直径/mm 41.0 10.3 同.由于提钒过程后熔池中绝大多数硅元素被氧化， 出口直径/mm 43.3 10.8 脱碳炉中碳氧反应剧烈难以抑制，转炉升温速度快，不 熔池深度/mm 2860 715 利于转炉高效脱磷，使得冶炼终点磷质量分数在 钢包顶部直径/mm 2900 725 0.025%~0.031%之间，限制了低磷优质钢的生产. 钢包底部直径/mm 2482 621 为解决这一技术难题，承德钢铁公司建立了与含钒铁 钢包高度/mm 3520 880 水特点相适应的半钢钢包脱磷工艺：转炉提钒→半钢 钢液密度/(kg°m3) 7200 1000 钢包脱磷→转炉脱碳炼钢. 顶吹气密度/(kg'm) 1.43 1.29 为寻找适用于钢包脱磷工艺的氧枪参数，本文利 底吹气密度/(kg·m3) 1.36 1.29 用水力学模型及Fluent软件模拟气液两相流的流场特 性，研究倾角角度分别为39°、41°、43°、45°和47°的倾 1.2实验方法 角式单孔氧枪喷头在不同顶吹流量下的射流对熔池的 图1为复吹钢包水模拟示意图，其几何比为1：4， 搅拌效果和冲击特性的影响，并通过比较分析倾角式 实验所用的炉体模型使用有机玻璃制作，用铜棒制成 单孔氧枪在脱磷钢包应用上的可行性，为实际工业生 相应比例几何相似的拉瓦尔型顶枪喷头，采用压缩空 产提供参. 流量计 项吹氧枪 斜角 1水模拟实验 电导率仪 袋水 1.1实验原理 为研究倾角式单孔氧枪对提钒熔池的搅拌效果， 压力表 根据相似原理，在建立半钢包复吹水力学模型时主要 电脑 考虑模型与原型的几何相似和动力相似.由于本 空气压缩机 底吹喷孔 电极 研究主要讨论的是“气一液”系统内的流体流动行为， 图1复吹钢包水模拟示意图 顶、底流体流动的惯性与质量比值起着绝对性的作用 Fig.I Experimental instruments of water experiment工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 抑制碳氧反应的发生［3--7］，同时强化熔池搅拌效果，促 进钢液中磷元素向渣中扩散． 目前，国内外研究者对铁水与脱磷及转炉高效脱 磷做了大量的实验室基础研究和工业应用试验［8--12］． 其中，Healy［3］提出了以熔池温度、渣中石灰及全铁含 量为变量的，用于计算熔池中平衡磷分配比的理论计 算公式． lg ( P) ［P］= 22350 T + 0. 08( CaO) + 2. 5lg( Fe) T － 16． ( 1) Mukawa 和 Mizukami［6］ 认为在搅拌能( ε) 与氧流 量( V) 满足 ε = 1. 51V2 + 3. 31V 的关系时，增加氧流量 可有效提高熔池的脱磷效果． Yoshida 与 Yamazaki 等 人［9］报告了 SＲP 法( Simple Ｒefining Process) 在住友金 属鹿岛厂的生产效果，报告指出在提高脱磷效率的同 时，石灰的用量可减少一半，渣中( FeO) 含量降低，终 点锰 质 量 分 数 也 能 达 到 0. 17% ～ 0. 18% ． 报 告 提 出［11］在转炉冶炼过程中喷入石灰粉可同时提高熔池 搅拌效果与脱磷率，并将该方法命名为 LD--OＲP 法 ( LD converter--Optimized Ｒefining Process) ． 承德钢铁集团有限公司采用转炉双联法进行高品 位钒渣及钢液生产． 为提高渣中钒含量，在转炉提钒 过程中禁止加入石灰进行造渣，因而导致熔池中氧化 所形成的 P2O5无法在渣中形成稳定的 3CaO·P2O5，造 成提钒过程后熔池中磷含量与入炉铁水磷含量基本相 同． 由于提钒过程后熔池中绝大多数硅元素被氧化， 脱碳炉中碳氧反应剧烈难以抑制，转炉升温速度快，不 利于转 炉 高 效 脱 磷，使 得 冶 炼 终 点 磷 质 量 分 数 在 0. 025% ～ 0. 031% 之间，限制了低磷优质钢的生产． 为解决这一技术难题，承德钢铁公司建立了与含钒铁 水特点相适应的半钢钢包脱磷工艺: 转炉提钒→半钢 钢包脱磷→转炉脱碳炼钢． 为寻找适用于钢包脱磷工艺的氧枪参数，本文利 用水力学模型及 Fluent 软件模拟气液两相流的流场特 性，研究倾角角度分别为 39°、41°、43°、45°和 47°的倾 角式单孔氧枪喷头在不同顶吹流量下的射流对熔池的 搅拌效果和冲击特性的影响，并通过比较分析倾角式 单孔氧枪在脱磷钢包应用上的可行性，为实际工业生 产提供参． 1 水模拟实验 1. 1 实验原理 为研究倾角式单孔氧枪对提钒熔池的搅拌效果， 根据相似原理，在建立半钢包复吹水力学模型时主要 考虑模型与原型的几何相似和动力相似［13--15］． 由于本 研究主要讨论的是“气--液”系统内的流体流动行为， 顶、底流体流动的惯性与质量比值起着绝对性的作用． 因此在几何相似的条件下采用修正的 Froude 准 数 ( Fr') 为决定性相似准数［16］，即当原型的修正 Froude 准数与模型的修正 Froude 准数相等时，原型与模型的 流体运动状态相似，关于复吹流量换算计算过程如下: Fr' = Fr'1，即u2 gd × ρg ρl － ρg = u2 1 gd1 × ρg1 ρl1 － ρg1 ． ( 2) 由此得出模型对应于原型的流量为: Q Q1 ( = d d ) 1 5 × ρl － ρg ρl1 － ρg1 × ρg1 槡 ρg = M5 ρl － ρg ρl1 － ρg1 × ρg1 槡 ρg ． ( 3) 式中: M 为模型几何相似比; u，u1 为模型与原型气流 速度，m·s － 1 ; Q，Q1为模型与原型气体流量，m3 ·h － 1 ; d， d1为模型与原型氧枪的喉口直径，mm; ρl，ρl1为模型与 原型的液体密度，kg·m － 3 ; ρg，ρg1为模型与原型的气体 密度，kg·m － 3 ; g 为重力加速度，m·s － 2 ; 下标 l，g 为液 体与 气 体 缩 写． 模型与原型基本特征参数如表 1 所示． 表 1 模型与原型基本特征参数 Table 1 Characteristic parameters of prototype and model 参数 原型 模型 氧枪马赫数 1. 4 1. 4 氧枪喷口数 1 1 倾角角度/( °) 41 /42 /43 /44 /45 41 /42 /43 /44 /45 氧枪喉口直径/mm 41. 0 10. 3 出口直径/mm 43. 3 10. 8 熔池深度/mm 2860 715 钢包顶部直径/mm 2900 725 钢包底部直径/mm 2482 621 钢包高度/mm 3520 880 钢液密度/( kg·m － 3 ) 7200 1000 顶吹气密度/( kg·m － 3 ) 1. 43 1. 29 底吹气密度/( kg·m － 3 ) 1. 36 1. 29 图 1 复吹钢包水模拟示意图 Fig． 1 Experimental instruments of water experiment 1. 2 实验方法 图 1 为复吹钢包水模拟示意图，其几何比为 1∶ 4， 实验所用的炉体模型使用有机玻璃制作，用铜棒制成 相应比例几何相似的拉瓦尔型顶枪喷头，采用压缩空 · 26 ·