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摘要 ：为了延长 180t 转炉炉龄，简化转炉结构，以顶底复 吹转炉为原型，按照 10 ：1 的比例设计模型，利用该模型开展复 吹转炉超音速射流水模实验、聚合射流水模实验。超音速射流 水模实验中，以枪位高度、气体流量作为变量，统计均混时间数 据。实验结果显示，顶吹气体流量 39m3/h，枪位 150mm 条件下， 均混时间达到最佳，为 11.2s。聚合射流水模实验中，以枪位为变量，根据均混时间变化特点，建议取消底吹系统，从而达到实验目的。
关键词 ：聚合射流,枪位,均混时间,超音速射流,气体流量
我国在炼钢技术变革方面投入了大量资金，尝试采用聚合 射流、超音速射流工艺，展开顶底复吹搅拌实验研究。均匀混合 时间作为熔池内混合特性参数，对炼钢技术中的吹炼工艺实施 效果影响较大， 所以需要探究该参数与氧枪枪位、顶吹气体流量 之间的关系。根据参数变化特点，确定最佳氧枪枪位、顶吹气体 流量。另外，为了提高炉龄，简化转炉设备，还需要展开聚合射 流与熔池之间相互作用实验， 以气体流量作为固定条件， 观察顶 底复吹搅拌效果， 判断聚合射流工艺方案可靠性。由于顶底复吹 搅拌实验研究时间尚短， 受多项因素影响， 未能得到较为可靠的 实验方案与结论。本文尝试以鞍钢 180t转炉为例，设计一套模 拟实验方案进行深入探究。
1 实验设计
1.1 实验装置
为了保证实验的有效性，本研究以鞍钢 180t转炉作业装置 及作业环境要求为实验装置部署要求，按照 10 ：1 的比例缩小 180t转炉， 制备模拟实验装置。
实 验 装 置 的 主 要 参 数 为 ： 顶 枪 枪 位 范 围 1300mm ~ 2100mm ;顶枪压力范围 0.85MPa ~ 1.18MPa ;顶枪 流量 3200m3/h ;熔池深度 1675mm ;熔池直径 5150mm ;底枪流量480m3/h。
1.2 实验条件
提出氧枪喷头、模型几何尺寸设计方案，从而为本实验的顺 利开展创造有利条件。
1.2.1 氧枪喷头设计
为了得到较为准确的实验模拟结果，本次试验选取超音速 射流氧枪作为模拟工具， 根据转炉实际作业参数要求， 设计氧枪 喷头结构尺寸。本设计方案建立在相似理论基础上， 与相似准数 为核心， 采用修正处理方法， 得到Froude 准数。
关于氧枪尺寸的设计，采用流量计算公式求解尺寸参数。超音速射流氧枪工艺出口处，通过查询等熵流表，获取氧枪作业压力与温度相关参数数值，计算喉口面积 7.8mm2.由此推 算喉口直径，利用直径计算公式得到此参数数值为 3.14mm。根 据出口面积与喉口面积之间的关系， 求解出口参数数值， 得到出 口半径数值为4.1mm。
如果采用 4 孔喷头布设方式加以设计，会增加制作难度。 为了降低模拟装置制作难度，本次模拟实验采用单孔形式制作 喷头。从理论层面来看，这种结构调整，不会对几何相似造成 影响。
1.2.2 模型几何尺寸设计
设计模型几何尺寸同样采用几何相似方法，根据各个参数 之间的关系求解几何尺寸数值。此处以熔池直径为例， 根据原型 的直径数值、原型直径与模型直径关系，计算模型直径数值。其 中，原型直径数值为 5140mm， 则模型直径计算结果为 514mm。
另外，为了满足实验要求，在开展实验之前，本研究还确定 了模型供气参数。以转炉实际作业参数为标准，设计模型供气参 数，通过计算各项指标数值，判断模拟参数设定是否合理，从而 为模拟实验可靠性提供保障。依据转炉实际作业数据采集资料可 知，转炉实际作业期间底吹氧枪实际流量和顶吹氧枪实际流量分 别为475m3/h、32000m3/h。本次模拟实验，设计底吹、顶吹氧枪实际流量范围200m3/h ~ 640m3/h、30000m3/h ~ 34500m3/h。按 照模型与原型流量关系，模拟流体动力相似情况，得到模型中气 体流量等参数结果。
1.3 实验方案
1.3.1 复吹转炉超音速射流水模实验方案
本实验方案确定底吹工艺为最佳状态，取该状态下的各项 参数数值。其中，枪位高度、气体流量作为变量，通过调整变量 数值， 探究均匀混合时间在不同复吹工艺条件下所受影响。以下 为顶吹和底吹操控实验方案 ：
顶吹实验设计 ：设定气体流量参数取值方案。本次试验以 1m3/h 为顶吹气体流量间隔，取 5组参数 ：1组参数 38m3/h，2组 参数39m3/h，3组参数40m3/h，4组参数41m3/h，5组参数42m3/h。 接下来，设定枪位参数取值方案。本次试验以20mm为顶吹枪 位间隔，取5组参数，1组参数130mm，2组参数150mm，3组参 数170mm，4组参数190mm，5组参数210mm。这两组参数均为 变量数值，探究不同变量条件下的均混时间。
底吹实验设计 ：底枪位置 0.3D(两直径比为 0.3.即喷嘴的 同心圆直径、炉体熔池直径的比值)，气体流量设定为 0.7m3/h。
实验操作中，底吹实验条件保持不变，调整顶吹实验条件来 调整变量， 记录不同氧枪枪位条件下的均匀混合时间模拟结果。
1.3.2 聚合射流水模实验方案
以往开展的聚合射流水模实验，需要修正枪位，采用亚音速 氧枪作为模拟工具，生成超音速射流氧枪。这个过程较为复杂， 存在很多因素影响枪位修正效果。为了避免产生枪位修正问题， 本此实验采用超音速射流氧枪作为试验工具，运用该工具模拟 聚合射流氧枪。
与传统超音速射流相比，聚合射流技术的应用增加了一个 射流核心区域。由于增加此区域，为射流距离需求提供了保障。 从理论层面分析， 聚合射流技术的应用， 支持顶部与顶部复吹搅 拌，满足熔池加强搅拌要求， 因而作业期间取消底吹操作。
根据水模实验结果，确定最佳枪位，根据该项参数与氧枪出 口直径关系， 计算超音速射流中心线上速度， 统计技术应用下的 冲击面积变化数值。由统计结果可知，低枪位 41mm 处，传统超 音速射流技术的应用与聚合射流氧枪技术的应用效果相似，产 生的冲击面积变化幅度较小。因此， 在开展聚合射流水模实验期 间，忽略两种不同技术应用产生的冲击面积差异性。由此分析线上速度分布特点，枪位41mm 处的传统超音速射流技术作业，与枪位 150mm聚合射流氧枪技术作业产生的搅拌效果相似。所以， 聚合射流水模实验中，可以采用传统超音速射流技术作为实验 工具， 以枪位作为调整参数， 设计实验方案。
本次聚合射流水模实验，与传统复吹最佳工艺参数作为固定 值，探究熔池与聚合射流之间的相互作用。首先，堵死底枪，设定 最佳枪位参数数值 150mm。其次，以 10mm为枪位调整间隔。最 后，按照 10mm枪位间隔下调顶枪枪位，模拟聚合射流，完成冷态 水模实验。其中，顶吹气体流量保持不变，固定39m3/h。以氧枪枪 位作为变量，设置 14组实验，枪位依此为 150mm、140mm、130mm、 120mm、110mm、100mm、90mm、80mm、70mm、60mm、50mm、 40mm。其中，枪位达到40mm 时，传统射流熔池均混时间(条件为 顶底复吹) 大于或者等于熔池均混时间(条件为聚合射流)。
2 实验结果分析
2.1 复吹转炉超音速射流水模实验
熔池均混时间在氧枪枪位变化情况下，呈现出的时间模拟 数值波动较大，总体变化特点是首先随着氧枪枪位的增加而增 加，然后逐渐随之减小。当顶吹流量发生改变时，观察氧枪枪位 与均混时间之间的关系发现，随着枪位的增加，均混时间呈现 出先减小而后增加的变化趋势。在不考虑顶吹流量为 40m3/h 条 件时，当顶吹流量发生改变时，不会改变均混时间最小值对应 的枪位，各组顶吹流量变化条件下的均混时间最小值皆在枪位 150mm 处产生。当均混时间达到了最小值后，随着枪位的增加， 呈现出继续上升变化趋势，并且上升幅度较大。当枪位增加至 170mm 时，枪位变化对均混时间造成的影响不是很大，均匀时 间变化幅度比较小。当顶吹流量为 40m3/h 时，均混时间最小值 在枪位 170mm 处产生，数值为 19.5s，该数值与枪位 150mm 处的 均混时间的差值比较小。综合分析， 熔池冶炼氧枪的最佳枪位应 该是 150mm。
从总体来看，不同顶吹气体流量条件下的均匀混合时间变 化呈现出先减小而后增加，再次减小再次增加的变化趋势，可 以将其看作“W”变化趋势。其中，枪位 130mm 处和210mm 处的 均混时间数值偏大。不考虑枪位 130mm 处的均匀混合时间变化 特点时，均匀混合时间最小值皆产生在顶吹气体流量 39m3/h 条 件。枪位 130mm 处，均匀混合时间最小值皆产生在顶吹气体流 量40m3/h条件。当气体流量超过40m3/h 时，无论是何枪位条件，均混时间受顶吹气体流量的影响都不是很大，统计数值波动较小。由此判断，复吹转炉作业期间的顶吹气体流量最佳条件为 39m3/h。
综上分析，复吹转炉的传统喷吹工艺作业期间，对于均混 时间来看，氧枪枪位、顶吹气体流量皆是主要影响因素。当气体 流量保持不变时，均混时间随着枪位的变化差生的差值最大值 为 13.3s，发生在气体流量为40m3/h 条件， 均差为 6.4s。当枪位保 持不变时，均混时间随着气体流量的增加变化差生的差值最大 值为 8.9s，发生在枪位 150mm 处，均差为 5.4s。复吹转炉作业期 间最佳参数为 ：顶吹气体流量最佳参数为 39m3/h，枪位最佳参 数为 150mm。根据模型与原型之间的关系，确定实际最佳参数 ： 实际顶吹气体流量最佳参数为 30800m3/h，实际枪位最佳参数为 1500mm，该条件下的均混时间为 11.2s。炼钢过程中，如果想进 一步改善熔池的搅拌效果，可以将枪位、气体流量作为主要参 数，加以调节获取最优作业效果的技术操作方案。
2.2 聚合射流水模实验
按照本研究设计的实验方案，开展不同氧枪枪位的均匀混 合时间变化实验。当枪位超过 140mm 时，随着枪位参数数值 的减小，均混时间呈现出先减小而后增加的变化趋势。当枪位 低于 140mm 后，均混时间开始随着枪位参数数值的减小呈现 出下降变化趋势。之所以出现此变化现象，主要是因为纯顶吹 枪位最佳参数数值低于或者等于氧枪最佳枪位。当枪位取值在 100mm ~ 130mm之间时，枪位单位下降过程中，均混时间减小 幅度变化不是很大，比较接近正比关系。产生此现象，主要原因 是熔池均混时间数值主要取决两个因素，分别为射流冲击面积、 射流冲击深度。当气体流量参数保持不变时， 均混时间受冲击面 积的影响逐渐减小， 对其造成的主要影响的是射流冲击深度。当 枪位不足 90mm 时，均混时间随着枪位下降而减小的变化趋势 较为显著。当枪位达到 40mm 时，均混时间为 12.8s，该数值小于 复吹均混时间最佳值。由此可以判断， 当顶底复吹技术搅拌效果 与聚合射流氧枪作业搅拌效果基本一致时，可以考虑取消底吹 系统， 从而达到简化装置结构的目的， 延长炉龄。
3 180t转炉聚合射流技术应用分析
3.1 应用参数分析
2008 年以来，鞍钢 180t 转炉作业采用的技术未曾改变，以 顶底负荷复合技术作为核心操控方法。该项技术应用期间， 顶枪压力作业稳定在 0.8MPa ~ 1.3MPa，顶枪气体流量保持 32000m3/h 不变，底枪流量也很稳定，保持 480m3/h 不变。虽然 该技术操控方案的技术，开业使得钢厂得以正常运转，但是转 炉设备结构较为复杂，并且炉龄较低。为了弥补传统技术工艺 的不足， 引入聚合射流技术、超音速射流技术， 改变传统工艺生 产模式，简化转炉设备结构。应用期间，顶吹流量参数保持不 变，设定为 32000m3/h，观察熔池搅拌时间，将其与顶枪、底枪 复吹技术参数进行对比。结果表明，这些技术参数与熔池搅拌 时间基本相等，甚至熔池搅拌时间参数数值更低一些。由此看 来，本文提出的聚合射流技术、超音速射流技术在 180t 转炉中 的应用方案， 能够有效延长炉龄， 对炼钢产业发展有所帮助。 3.2 未来发展趋势未来的炼钢产业将以聚合射流技术作为主要冶炼技术，将 其与传统超音速射流氧枪协同作业，取消底吹系统，形成新的 180t转炉炼钢技术。实际作业过程中，可以根据均混时间控制要 求，结合其他因素作业影响因素，适当调节枪位、气体流量两项 参数， 使转炉作业达到最佳状态， 尽可能延长炉龄。
4 总结
本文围绕 180t转炉超音速射流和聚合射流技术共同应用下 的转炉作业实验展开探究， 根据实验结果， 分析作业技术应用下 的炼钢熔池均混时间所受影响规律。本次实验分为两部分， 分别 是复吹转炉超音速射流水模实验、聚合射流水模实验。实验结 果显示，模型最佳转炉作业条件为顶吹气体流量 39m3/h，枪位 150mm。另外，建议取消底吹系统，适当调节枪位、气体流量两 项参数， 以此延长 180t 炉龄。
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