彭煜華，朱 榮，魏光升，張官祥，宓 宇

(1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083；2.北京科技大學(xué) 高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

電弧爐煉鋼以廢鋼鐵為主要生產(chǎn)原料，相比于長流程具有能耗低的優(yōu)勢[1]。在電弧爐煉鋼過程中，采用向金屬熔池供氧以氧化去除鐵液中碳、硅、磷等雜質(zhì)的方法。為了強(qiáng)化電弧爐冶煉、提高生產(chǎn)節(jié)奏,往往在實(shí)際生產(chǎn)中提高噸鋼用氧量[2]，則在冶煉結(jié)束時(shí)，鋼液中溶解有過量的氧元素。鋼中過量的氧會(huì)降低鋼材的強(qiáng)度、塑性，不利于鋼材的焊接及切削加工[3]。在實(shí)際生產(chǎn)中往往在出鋼過程中向鋼包投入塊狀硅鐵合金、硅錳合金等脫氧劑的方法進(jìn)行鋼液預(yù)脫氧，然而塊狀脫氧劑利用效率低[4]，消耗較高。有科研工作者提出將噴粉技術(shù)應(yīng)用于電弧爐出鋼階段進(jìn)而形成了電弧爐煉鋼出鋼過程在線噴粉技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)降低脫氧劑消耗，提高脫氧效率的冶金功效。本文從該技術(shù)出發(fā)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場冶煉條件，通過水模擬實(shí)驗(yàn)[5-6]對(duì)不同的噴槍布置方式下鋼包熔池?cái)嚢栊ЧM(jìn)行優(yōu)化研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及水力學(xué)模擬模型

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)用到以下儀器：空氣壓縮機(jī)、空氣壓縮罐、壓力表、氣體流量計(jì)、噴粉罐、噴槍、有機(jī)玻璃制作的鋼包模型、儲(chǔ)水槽、電導(dǎo)率儀、電極、DJ800采集卡等，具體實(shí)驗(yàn)裝置裝配圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置裝配圖

本實(shí)驗(yàn)采用一只噴槍，噴槍與水平面成一定的夾角，并指向出鋼口中心。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

冶金過程的物理模擬研究，是依據(jù)相似原理，將真實(shí)世界中的物理量或物理過程縮小或用其他物質(zhì)或方法替代，在滿足相似條件(包括幾何、動(dòng)力學(xué)及邊界條件等)的基礎(chǔ)上，模擬真實(shí)世界過程的主要特征[7]。由于物理模擬試驗(yàn)相似條件的局限性，不可能模擬所有物理量或物理過程，因此物理模擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是恰當(dāng)?shù)倪x擇相似準(zhǔn)數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，主要考慮幾何相似以及動(dòng)力學(xué)相似。

1.2.1 幾何模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用的水模型使用有機(jī)玻璃制作，相似比為3(原型)∶1(模型)，采用壓縮空氣代替氮?dú)庾鳛檩d氣，采用飽和氯化鉀溶液浸泡烘干后的Al2O3作為噴粉粉劑。由于粘性力并不是影響實(shí)驗(yàn)的主要因素，實(shí)驗(yàn)采用水代替鋼液進(jìn)行模擬(運(yùn)動(dòng)黏度0.9×10-5m2/s)。原型與模型的尺寸如表1所示。

表1 原型與模型的幾何參數(shù)

1.2.2 供氣參數(shù)

在建立物理模型時(shí)，必須保證兩者的動(dòng)力學(xué)相似，即保證模型的修正Froude準(zhǔn)數(shù)(Frm ′)與原型的修正Froude準(zhǔn)數(shù)(Frp ′)相等。

本實(shí)驗(yàn)用水模擬鋼液，用壓縮空氣模擬氮?dú)猓鹘橘|(zhì)物性參數(shù)取值見表2，根據(jù)Froude準(zhǔn)數(shù)相等求得噴粉載氣流量如表3所示。

表2 原型與模型中的介質(zhì)密度

表3 原型與模型流量對(duì)應(yīng)值

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)以載氣流量、噴槍角度、噴槍槍位(噴槍出口至流股中心的距離)為實(shí)驗(yàn)變量。由于實(shí)驗(yàn)變量水平較多，建立三因素七水平正交實(shí)驗(yàn)，共計(jì)49組，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行兩次，表4為因素水平表。

表4 因素水平表

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

主要是通過測定熔池混勻時(shí)間來判斷鋼包熔池?cái)嚢枨闆r，熔池混勻時(shí)間越長，鋼包熔池?cái)嚢栊Ч讲?。?shí)驗(yàn)前，將兩只電極放置于鋼包模型的不同位置，按照試驗(yàn)方案調(diào)整載氣流量、噴槍角度、噴槍槍位，實(shí)驗(yàn)開始后，利用噴槍噴射外表固結(jié)有氯化鉀的Al2O3粉氣流[8]沖擊出鋼流股，粉劑顆粒與水接觸后表面的氯化鉀開始溶解，對(duì)熔池的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，利用DJ800采集卡對(duì)熔池電導(dǎo)率進(jìn)行連續(xù)測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)出RTD曲線，其中混勻時(shí)間最短的即為最佳實(shí)驗(yàn)方案。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

2.1 噴槍角度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2是熔池混勻時(shí)間均值隨噴槍角度變化趨勢圖?？梢园l(fā)現(xiàn)熔池混勻時(shí)間均值隨噴槍角度的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)噴槍角度較小時(shí)，粉氣流在徑向方向的動(dòng)能較大，使得出鋼流股偏移量增大，粉氣流使下落流股軸向動(dòng)能損失嚴(yán)重，流股輸入熔池的動(dòng)能減小，熔池?cái)嚢栊Ч?，?dāng)噴槍角度增大時(shí)，粉氣流在徑向的動(dòng)能減小，軸向的動(dòng)能增大，出鋼流股偏移量減小，下落流股軸向動(dòng)能損失較小，輸入熔池的能量較大，適當(dāng)?shù)膹较驔_擊可以促進(jìn)鋼包鋼液橫向流動(dòng)，熔池?cái)嚢栊Ч^好，混勻時(shí)間較短。當(dāng)噴槍角度進(jìn)一步增大時(shí)，粉氣流徑向的動(dòng)能進(jìn)一步減小，與此同時(shí)出鋼流股偏移量亦進(jìn)一步減小，則出鋼流股缺少徑向動(dòng)能，不利于熔池的橫向循環(huán)流動(dòng)，熔池?cái)嚢栎^差，混勻時(shí)間增加。

圖2 熔池混勻時(shí)間隨噴槍角度變化規(guī)律

2.2 噴槍槍位實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3是熔池混勻時(shí)間均值隨噴槍槍位的變化趨勢圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，噴槍槍位在200～400 mm時(shí)，噴槍距出鋼流股較近，熔池混勻時(shí)間隨噴槍槍位變化較小，此后熔池混勻時(shí)間隨槍位增大表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當(dāng)噴槍槍位為200～400 mm時(shí)，噴槍距出鋼流股較近，粉氣流對(duì)出鋼流股的沖擊較為劇烈，使出鋼流股軸向的動(dòng)能損失嚴(yán)重，流股對(duì)熔池的攪拌強(qiáng)度下降，熔池混勻時(shí)間較長。當(dāng)噴槍槍位增加時(shí)，粉氣流對(duì)出鋼流股的沖擊有所減弱，減小出鋼流股軸向動(dòng)能損失，同時(shí)粉氣流對(duì)鋼液流股的徑向沖擊不但可以彌補(bǔ)軸向上的損失，反而整體攪拌效果更好，縮短了混勻時(shí)間。噴槍槍位進(jìn)一步增大時(shí)，粉氣流對(duì)出鋼流股的作用更加微弱，無法對(duì)流股起到有益的作用，熔池混勻時(shí)間增加。

2.3 噴槍流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4是熔池混勻時(shí)間均值隨噴槍氣體流量的變化趨勢圖。如圖4所示，熔池混勻時(shí)間隨噴槍氣體流量增大呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)氣體流量較小時(shí)，粉氣流對(duì)出鋼流股沖擊作用較小，無法維持粉氣流軸向、徑向動(dòng)能的合理分配，無法對(duì)熔池進(jìn)行良好的攪拌，熔池混勻時(shí)間較長。當(dāng)氣體流量增大到5.88 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)，粉氣流對(duì)出鋼流股沖擊作用增大，此時(shí)可以保持粉氣流徑向、軸向動(dòng)能的合理分配，可以對(duì)熔池進(jìn)行良好的攪拌，熔池混勻時(shí)間較短。當(dāng)噴吹流量繼續(xù)增大時(shí)，粉氣流對(duì)出鋼流股的沖擊作用增強(qiáng)，流股軸向動(dòng)能損失嚴(yán)重，熔池?cái)嚢枳儾?，熔池混勻時(shí)間增加。

圖3 熔池混勻時(shí)間隨噴槍槍位的變化規(guī)律

圖4 熔池混勻時(shí)間隨噴槍氣體流量的變化規(guī)律

2.4 各影響因素優(yōu)化分析

在本研究中對(duì)正交實(shí)驗(yàn)通過SPSS軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，檢驗(yàn)得出P=0.374>0.05，符合整體的正態(tài)分布，則可對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析表

在方差分析結(jié)果中，當(dāng)顯著性水平P<0.01時(shí)，表明因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有極其顯著的影響；當(dāng)顯著性水平0.010.05時(shí)，表明因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不存在顯著性影響；由表5可知，噴槍角度對(duì)熔池混勻時(shí)間有極其顯著性影響，顯著性水平P=0.004<0.01，其F值為4.150；由于顯著性水平P(噴槍流量)>P(噴槍槍位)>0.05，因此噴槍槍位和噴槍流量對(duì)熔池混勻時(shí)間無顯著性影響。所以可得三個(gè)因素對(duì)熔池混勻時(shí)間的影響強(qiáng)度大小為：噴槍角度>噴槍槍位>噴槍流量。

表6 單因素描述統(tǒng)計(jì)量表

表6為單因素描述統(tǒng)計(jì)量表，由表6可知，當(dāng)噴槍角度為50°時(shí)熔池混勻時(shí)間的均值最小，噴槍角度為60°時(shí)熔池混勻時(shí)間均值最大，且該7個(gè)水平兩兩間均存在顯著性差異；當(dāng)噴槍槍位為500 mm時(shí)熔池混勻時(shí)間均值最小，噴槍槍位為200 mm時(shí)熔池混勻時(shí)間均值最大；當(dāng)噴槍流量為5.88 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)熔池混勻時(shí)間最小，噴槍流量為8.2 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)熔池混勻時(shí)間最大。在出鋼過程中，鋼包熔池混勻時(shí)間越短越好。水模擬正交實(shí)驗(yàn)可得出最佳匹配方案：噴槍角度(55°)、噴槍槍位(500 mm)、噴槍流量(5.88 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)))。

3 結(jié) 論

(1)噴槍角度對(duì)熔池混勻時(shí)間有顯著性影響，噴槍槍位和噴槍流量對(duì)熔池混勻時(shí)間沒有顯著性影響，三個(gè)因素對(duì)熔池混勻時(shí)間的影響程度為：噴槍角度>噴槍槍位>噴槍流量。

(2)通過正交實(shí)驗(yàn)得出的最佳實(shí)驗(yàn)方案為噴槍角度55°、噴槍槍位500 mm、噴槍流量5.88 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。