·118 北京科技大学学报 第36卷 验结果影响不大，因此用水作为介质来模拟钢水. 表2水模型实验单个底吹点N2流量设计 实验室选用的有机玻璃模型与生产现场钒铁电弧炉 Table 2 Bottom blowing rate of N2 for single porous plug in the water 炉的几何尺寸比例为1：2，几何参数如表1所示. modeling experiment N2流量 水平1水平2水平3水平4水平5 表1钒铁电弧炉原型与模型的参数 原型底吹点N2流量/(Lmim1)180210240270300 Table 1 Main parameters of a ferrovanadium EAF for prototype and 模型底吹点N2流量/(Lh)784914104511751306 model mm 参数 原型 模型 0.4R,0.5R,0.6R和0.7R,其中R为模型中熔池半 炉体直径 1740 870 径.喷吹方案要确定最佳的底吹位置组合和最佳底 熔池深度 200 100 吹流量. 底吹孔直径 10 R435. 模型选用的底吹气体为N2,吹气过程是气液两 位置1 相流作用，考虑惯性力和重力的作用，因此选取修正 位置2 的Froude准数为决定性准数m.由修正的Froude 准数相等可以推导出模型与原型流量的关系 Fr=Fro, (1) R304.5 即： (2) gHPum -Pom g'Hp Pip-Psp 26 经过转换可以得到： R217.5 袅院层 (3) R174 Plp Pgm 式中：Fa,F。分别为模型和原型的修正Froude准 R130.5 位置3 数：。，"。分别为模型和原型中气体的特征速度，v= 4Q/(πd),d为喷嘴直径；Hm,H。分别为模型和原 图1模型中底吹透气孔的位置（单位：mm) Fig.I Position of porous plugs in the model (unit:mm) 型中熔池的深度；Q。,Q。分别为模型与原型的气体 流量PP,分别为钒铁液的密度和自来水的密度； 1.4正交实验设计 PmPm为标况下喷吹气体氮气的密度；入是模型与 本实验中研究的因素（表3）是影响混匀时间的 原型的几何尺寸比例.钒铁液的密度取6040kg/ 一 些主要因素，包括底吹流量和三个底吹位置，采用 m3,将己知参数代入式(3)可得Qm=0.0719Q. 正交表为L%(5) 1.2模型供气参数的确定 表3正交实验中的影响因素及水平 以含氮钒铁产品中的氮质量分数为2%计算，单炉 Table 3 Factors and levels in the orthogonal experiment 次治炼含氮钒铁3t,因此每炉所需氮的质量为60kg,标 B C D 准状况下氮气的密度为1.25gL,此标况下所需氮气的 水平 底吹流量/(Lh1)底吹位置1底吹位置2底吹位置3 体积为48000L,钒铁治炼过程吹氮时间为180min,所 784 a(0.3R) a(0.3R) a(0.3R) 以氮流量为267L/min,按照底吹三个点计算，单点氮气 914 b(0.4R) b(0.4R) b(0.4R) 流量为89L/min.考虑到氮气不会被完全吸收，按照 3 1045 c(0.5R) c(0.5R) c(0.5R) 30%~50%的吸收率折合单个底吹点氮气流量为180~ 4 1175 d(0.6R) d(0.6R) d(0.6R) 300L/mim.根据式(3)计算出水模拟实验的底吹流量 5 1306 e(0.7R)e(0.7R)e(0.7R) 大小，如表2所示.实验过程中流量计指示流量应根据 注：1,2,3,4和5分别代表各因素的5个水平：A,B,C和D分别 转子流量计的修正系数进行修正. 代表底吹流量、底吹位置1,2和3. 1.3喷枪布置方案 1.5实验方法及实验装置 本实验钢包开设3个底吹透气点，如图1所示， 钢液搅拌能与钢液混匀时间存在一定关 底吹透气点相间120°，且避开电极的位置，每个底 系6，)，在水模型实验中直接测定钢液的搅拌能较 吹位置开五个点（五个水平）进行最优方案选择，透 为困难，一般通过“刺激一响应”实验方法测定混匀 气点的位置与中心点的距离(L)分别为0.3R, 时间.通常在钢包中钢液活跃部位加入饱和KC或北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 验结果影响不大，因此用水作为介质来模拟钢水． 实验室选用的有机玻璃模型与生产现场钒铁电弧炉 炉的几何尺寸比例为 1∶ 2，几何参数如表 1 所示． 表 1 钒铁电弧炉原型与模型的参数 Table 1 Main parameters of a ferrovanadium EAF for prototype and model mm 参数 原型 模型 炉体直径 1740 870 熔池深度 200 100 底吹孔直径 10 5 模型选用的底吹气体为 N2，吹气过程是气液两 相流作用，考虑惯性力和重力的作用，因此选取修正 的 Froude 准数为决定性准数［7］． 由修正的 Froude 准数相等可以推导出模型与原型流量的关系． Fr' m = Fr' p， ( 1) 即: v 2 m g·Hm × ρgm ρlm － ρgm = v 2 p g·Hp × ρgp ρlp － ρgp ， ( 2) 经过转换可以得到: Qm Qp = λ5 × ρlm ρlp × ρgp 槡 ρgm ． ( 3) 式中: Fr' m，Fr' p分别为模型和原型的修正 Froude 准 数; vm，vp 分别为模型和原型中气体的特征速度，v = 4Q/( πd2 ) ，d 为喷嘴直径; Hm，Hp 分别为模型和原 型中熔池的深度; Qm，Qp 分别为模型与原型的气体 流量; ρlm，ρlp分别为钒铁液的密度和自来水的密度; ρgm，ρgp为标况下喷吹气体氮气的密度; λ 是模型与 原型的几何尺寸比例． 钒铁液的密度取 6040 kg / m3 ，将已知参数代入式( 3) 可得 Qm = 0. 0719Qp ． 1. 2 模型供气参数的确定 以含氮钒铁产品中的氮质量分数为2%计算，单炉 次冶炼含氮钒铁3t，因此每炉所需氮的质量为60kg，标 准状况下氮气的密度为1. 25 g /L，此标况下所需氮气的 体积为48000 L，钒铁冶炼过程吹氮时间为 180 min，所 以氮流量为267L/min，按照底吹三个点计算，单点氮气 流量为 89 L/min． 考虑到氮气不会被完全吸收，按照 30% ～50%的吸收率折合单个底吹点氮气流量为180 ～ 300 L/min． 根据式( 3) 计算出水模拟实验的底吹流量 大小，如表2 所示． 实验过程中流量计指示流量应根据 转子流量计的修正系数进行修正． 1. 3 喷枪布置方案 本实验钢包开设 3 个底吹透气点，如图 1 所示， 底吹透气点相间 120°，且避开电极的位置，每个底 吹位置开五个点( 五个水平) 进行最优方案选择，透 气点的位置与中心点的距离 ( L ) 分 别 为 0. 3Ｒ， 表 2 水模型实验单个底吹点 N2流量设计 Table 2 Bottom blowing rate of N2 for single porous plug in the water modeling experiment N2流量 水平1 水平2 水平3 水平4 水平5 原型底吹点 N2流量/( L·min －1 ) 180 210 240 270 300 模型底吹点 N2流量/( L·h －1 ) 784 914 1045 1175 1306 0. 4Ｒ，0. 5Ｒ，0. 6Ｒ 和 0. 7Ｒ，其中 Ｒ 为模型中熔池半 径． 喷吹方案要确定最佳的底吹位置组合和最佳底 吹流量． 图 1 模型中底吹透气孔的位置( 单位: mm) Fig． 1 Position of porous plugs in the model ( unit: mm) 1. 4 正交实验设计 本实验中研究的因素( 表 3) 是影响混匀时间的 一些主要因素，包括底吹流量和三个底吹位置，采用 正交表为 L25 ( 56 ) ． 表 3 正交实验中的影响因素及水平 Table 3 Factors and levels in the orthogonal experiment 水平 A B C D 底吹流量/( L·h － 1 ) 底吹位置 1 底吹位置 2 底吹位置 3 1 784 a( 0. 3Ｒ) a( 0. 3Ｒ) a( 0. 3Ｒ) 2 914 b( 0. 4Ｒ) b( 0. 4Ｒ) b( 0. 4Ｒ) 3 1045 c( 0. 5Ｒ) c( 0. 5Ｒ) c( 0. 5Ｒ) 4 1175 d( 0. 6Ｒ) d( 0. 6Ｒ) d( 0. 6Ｒ) 5 1306 e( 0. 7Ｒ) e( 0. 7Ｒ) e( 0. 7Ｒ) 注: 1，2，3，4 和 5 分别代表各因素的 5 个水平; A，B，C 和 D 分别 代表底吹流量、底吹位置 1，2 和 3． 1. 5 实验方法及实验装置 钢液 搅 拌 能 与 钢 液 混 匀 时 间 存在一定关 系［5，8］，在水模型实验中直接测定钢液的搅拌能较 为困难，一般通过“刺激--响应”实验方法测定混匀 时间． 通常在钢包中钢液活跃部位加入饱和 KCl 或 ·118·