转炉无渣出钢工艺的物理模拟

邹海历，张峻纲，林小祥，武鸿杰，储成阳，周 俐，常立忠

(1.欧冶链金再生资源有限公司，安徽马鞍山 243002；
2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243032)

随着时代的发展，市场对钢材用量的追求已逐渐转向对质量的追求。为更好地满足用户需求，提高钢水洁净度、减少钢水有害元素及夹杂物含量至关重要[1-3]。转炉出钢过程中，随着钢液面的降低，易形成漩涡，造成汇流下渣[4-5]。出钢末期，炉渣碱度与氧化亚铁含量较高，炉渣会随着漩涡进入钢水，严重影响钢水质量，降低钢水收得率，进而增加后续炉外精炼的负担和成本；
炉渣会加大对出钢口的氧化和冲刷，缩短出钢口的使用寿命，另被氧化的材料进入钢液，也会降低钢水质量[6-8]。因此，有必要优化转炉出钢工艺，改善出钢过程中的下渣状况。

Monji等[9]通过制作水模型研究出钢过程的漩涡现象，结果表明，水温通过黏度影响涡核长度，涡核长度随水温的平均变化率约8.5%；
王建强等[10]利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)流体模拟软件Fluent 6.3分析出钢过程流场，结果表明，流体流线分布紊乱是导致涡流产生的一个重要原因，出钢中后期流线分布复杂紊乱，涡流卷渣不可避免；
赵永志等[11]、Davila 等[12]通过流体体积(volume of fluid，VOF)模型研究漩涡的产生机理，结果表明，漩涡的产生、分布和旋转具有一定的规律性，旋转速度能直接影响漩涡状态，钢液高度影响漩涡的卷渣高度；
蔺瑞等[13]通过Fluent软件对60 t钢包的浇注进行数值模拟，利用气液两相模型和湍流模型研究浇注过程，发现水口大小和位置对漩涡的产生影响较大，找出不同条件下水口的最佳位置能够有效控制漩涡的产生。目前，有关挡渣出钢和防旋涡方法的研究取得一定进展，但挡渣效率和防漩涡的准确性仍显不足，需设计高效的方法来解决。鉴于此，以某钢厂120 t转炉的出钢情况为基础，采用物理模拟的方法分析不同直径出钢口及出钢口内型结构下出钢口内部流体流动状态，以期提高挡渣效率和防漩涡的准确性。

1.1 实验原理

水模拟的理论基础为相似理论，根据相似三定律，模拟时要保证转炉模型与原型的韦伯数We和弗劳德数Fr相等[14-15]，即(We)1=(We)2,(Fr)1=(Fr)2。其中1表示原型；
2表示模型。

转炉本体尺寸较大、出钢口直径较小，若直接运用相似理论制作转炉模型，则出钢口模型尺寸过小，难以观测出钢口内流体流动情况，实验结果误差过大；
若放大模型比例，可清楚地观察流体在出钢口内的流动情况，但转炉本体的模型尺寸过大，成本过高。为此，通过相似理论计算，采取局部相似模拟的方法，针对转炉出钢口，保证模型与原型边界条件相似。综合考虑现场转炉尺寸、转炉出钢口直径及模拟实验情况，确定局部几何相似比为1∶2，在转炉炉身截取如图1所示部位。转炉模型内的炉渣密度和渣量与现场一致，炉渣占钢水质量的5%～8%，本实验取5%。

图1 转炉局部图Fig.1 Partial drawing of converter

采用8 mm 厚的有机玻璃制作转炉模型，模型支架采用H 型钢焊接；
采用常温下的自来水模拟钢液；
采用与转炉炉渣密度相近的植物油模拟转炉炼钢的环境，同时将聚苯乙烯粒子与石蜡按比例混合为密度与炉渣相同的粒子，用以代替转炉炉渣[16]。

1.2 实验方法

1.2.1 转炉出钢模拟实验

设计直径为120，140，160 mm 及变径的出钢口进行转炉出钢模拟实验，变径出钢口为连接转炉部分直径160 mm、中间直径140 mm、底部直径120 mm 的喇叭型。再对优化直径的出钢口设置平板和十字架进行出钢口内型优化实验，每组实验重复5 次，取5 次实验的平均值为最终结果，且观察其卷渣情况。不同形状的平板和十字架如图2。

图2 出钢口内型结构Fig.2 Internal structure of tap hole

1.2.2 下渣量的测定

文中计算的下渣量指转炉出钢开始到出钢末期形成汇流下渣期间由钢水带出的渣量。实际生产过程中通过测量渣层厚度来估算下渣量，此方法并不能准确确定转炉出钢过程的下渣量。实验过程中通过植物油定性模拟转炉炼钢的环境，出钢结束收集从水口流出的粒子并测量其数量，每组实验均保持一致，粒子数量均为1 000 个。通过计算粒子数确定不同条件下的卷渣量，以无卷渣出钢为最终目标。将转炉固定在倾角90°，转炉模型出钢结束以漩涡到达出钢口为标准。出钢结束及时关闭阀门，防止下渣。

1.2.3 出钢时间及剩余钢水量的测定

实验过程中，利用摄像机录像记录出钢时间。将出钢时产生的涡流到达出钢口位置记为出钢终点，此时的钢液位置即为卷渣高度。出钢结束放出模型内剩余钢液，重新在模型中以一定的流速放水，并记录时间，待液面到达卷渣高度的位置时停止计时，加入的水量即为剩余钢水量。剩余钢水量直接影响每炉钢水的收得率，减少剩余钢水量能够大幅提高钢水收得率，降低成本。

2.1 出钢口直径对转炉出钢的影响

不同出钢口直径下的转炉出钢情况如图3。由图3 可看出：出钢口直径为120 mm 时，平均出钢时间为33.8 s、平均剩余钢水量为27.61 L、平均卷渣量为22.6 个；
整个出钢过程中，出钢前期钢水高度较高，钢水流速较大，出钢量较多；
出钢中期钢水流速明显变慢，出钢量明显降低；
出钢末期钢水量较少，钢水流速变慢，形成涡流造成卷渣，出钢口流出的水口中含大量植物油及聚苯乙烯粒子，水流呈黄褐色。涡流到达出钢口时关闭阀门，此时涡流形成的渣部分随钢水流出，部分卷渣在管径内回流到模型内。出钢结束后，转炉模型内剩余少量钢水及大部分炉渣，同时炉模型内壁沾有少量植物油。

图3 不同直径出钢口下的出钢结果Fig.3 Tapping results under tap holes with different diameters

出钢口直径为140 mm 时，平均出钢时间为29.6 s，较直径120 mm时减少4.2 s；
平均剩余钢水量为26.40 L，转直径120 mm 时出钢量略微增加；
平均卷渣量为15.4 个，较直径120 mm 的有所降低，出钢口效果较120 mm 的好。出钢末期钢水量较少，钢水流速变慢，形成涡流造成卷渣；
出钢结束，钢水高度较直径120 mm 的下降1 cm 左右，出钢口流出的钢水中含大量植物油及聚苯乙烯粒子。

出钢口直径为160 mm 时，平均出钢时间为17.4 s，较直径120，140 mm 的出钢时间分别快16.4，12.2 s，出钢口直径增大对出钢时间的提升效果明显；
平均剩余钢水量为37.82 L，平均卷渣量为30.2个，出钢量有所减少、卷渣量增大。在出钢口开始出钢到出钢结束的过程中钢水流速大，出钢量较多，涡流较大，且形成涡流的时间提前；
出钢末期剩余钢水的高度较大，形成的涡流造成卷渣，出渣量增大。

采用喇叭型的变径出钢口时，平均出钢时间为28.2 s、平均剩余钢水量为28.95 L、平均卷渣量为6.2 个，喇叭型出钢口可较好地控制卷渣。出钢末期钢水量较少，钢水流速变慢，由于出钢口底部管径较小，便于控制，在炉渣流出之前关闭滑板挡渣。此时涡流形成的渣只有小部分随钢水流出，大部分卷渣在管径内回流到模型内。出钢结束，转炉模型内剩余少部分钢水和大量炉渣。

综上分析可看出：喇叭型出钢口效果最佳，卷渣量较其他3种直通形出钢口分别减少73%，60%，79%；
出钢时间比直径120，140 mm 分别减少17%和5%，比直径160 mm 增加60%；
但直径160 mm 出钢口的剩余钢水量最大，为37.82 L，钢水收得率低，综合出钢效果不如变径出钢口。因此，转炉出钢时宜采用喇叭型出钢口，此种出钢口操作简单、维护方便、钢水收得率高；
卷渣量较小、挡渣成功率高，利于提高钢水洁净度。

2.2 内型结构对转炉出钢的影响

变径出钢口搭配不同内型结构下的转炉出钢情况如图4。由图4 可看出：相较于其他3 种情况，1 号平板下转炉的平均出钢时间最小，为28.0 s；
平均剩余钢水量最大，为36.68 L；
平均卷渣量为2.8个，卷渣效果较变径不加平板条件下降低54%左右。

图4 不同内型结构下的出钢结果Fig.4 Tapping results under different internal structures

出钢末期，平板结构可使涡流到达出钢口时被破坏，改变钢水流动趋势，降低出钢速率。2 号平板下转炉的平均出钢时间为31.4 s、平均剩余钢水量为30.20 L、平均卷渣量为4.4 个，与1 号平板相比，除剩余钢水量外，其他2 项数据有所提高。这是因为2 号平板是在1 号平板的基础上进行改造的，将出钢口内部平板延伸至转炉内部，可更好地破坏出钢口上方出现的涡流，减少卷渣，致使出钢末期涡流在未到达出钢口时被破坏。3 号十字平板下转炉的平均出钢时间为29.8 s，平均剩余钢水量为27.32 L，平均卷渣量为2.2个、较1号平板降低65%。这是因为十字架形状的出钢口横截面积较小，增加了转炉出钢时间；
由于内型结构的改变，出钢末期涡流流动状态也发生改变。4 号十字平板下转炉的平均出钢时间为31.0 s，平均剩余钢水量最小(为25.27 L)，平均卷渣量最小(为1.2个)。与2号平板相似，4号十字平板是在3号十字平板下的出钢口内型延伸至转炉内部，内型结构的改变对转炉出钢过程有较大影响，出钢末期涡流几乎消失，对提高钢水洁净度、增大钢水收得率有很大作用。

综上分析可看出：在变径出钢口条件下，改变出钢口内型结构可改善转炉卷渣情况；
变径出钢口搭配十字平板内型结构下的出钢时间总体上高于变径出钢口搭配平板结构，但剩余钢水量、卷渣量均低于变径出钢搭配平板结构；
变径出钢口搭配十字平板伸至转炉内部的4号平板综合效果最好，出钢时间为31.0 s、卷渣量为1.2个、剩余钢水量为25.27 L。

对某钢厂120 t 转炉进行出钢口优化模拟实验，分析出钢口直径及内型结构对转炉出钢过程的影响，得到以下主要结论：

1)仅改变出钢口直径的条件下，变径出钢口的转炉出钢过程效果最佳，出钢时间为28.2 s、剩余钢水量为28.95 L、卷渣量为6.2个、挡渣成功率为99.4%。

2)在变径出钢口条件下，改变出钢口内型，卷渣情况均有所改善。变径出钢口搭配十字平板伸至转炉内部的4号平板卷渣改善情况最佳，卷渣量为1.2个、挡渣成功率达99.9%，同时剩余钢水量最少(为25.27 L)，出钢时间较其他差别不大。

3)采用变径出钢口同时搭配十字型出钢口内型结构可减少转炉出钢过程卷渣，有利于减少钢水回磷，提高合金收得率；
有利于减少钢中夹杂物，提高钢水洁净度及减少钢包粘渣，延长钢包使用寿命。