張少勇，王月，劉海嘯，李勝利，張倍愷

（遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧鞍山114051）

摘要：為了使鐵水快速脫氧、脫硫，快速提高合金收得率，改善頂吹工藝的熱力學和動力學條件，本文以鋼廠150 t 鐵水包為原型，通過建立尺寸比例為1：4 的幾何模型，采用正交實驗法研究頂吹吹氣位置、吹氣量和吹氣高度對鐵水包內鐵水混勻的影響規律。實驗得出，影響鐵水混勻時間的主次因素順序為：頂吹吹氣孔與鐵水包中心距離>頂吹吹氣孔距離鐵水面高度>吹氣量；當頂吹吹氣孔距離鐵水面高度為200 mm、頂吹吹氣孔距離鐵水包中心0.7r 、吹氣量600 L/min（標準狀況）時鐵水的混勻時間最短。

關鍵詞：鐵水包；頂吹氣；鐵水混勻；水模

噴射冶金是鐵水預處理重要手段之一^［1］，具有快速脫氧、脫硫，提高合金元素的收得率，微合金化的功能^［2-5］。頂吹還可以改善精煉熱力學和動力學條件。在實際鐵水預處理過程中，通過改善預處理頂吹工藝條件，強化鐵水物理化學反應動力學條件，能夠實現提高脫硫效率，縮短預處理時間，加快生產節奏，降低生產成本。本實驗在相似原理的基礎上^［6-7］，建立了鐵水包頂吹模型物理實驗，通過實驗分析得出，控制頂槍吹氣位置、吹氣量、吹氣高度對鐵水包內鐵水充分混合均勻的時間影響，為鐵水預處理中改進合理的頂吹工藝提供依據。

1 實驗方法

1.1 實驗模型尺寸

原鐵水包與實驗模型尺寸按照4：1 的比例縮小，保證實驗模型與原包型幾何相似，詳細尺寸見表1。

模型與原型的修正Fr 準數相等即可滿足動力學相似。由此得出實驗模型中噴出氣體流量與鐵水包原型的關系為Qm =0.011 2 Qp 。式中：Qm 為實驗氣體流量，Qp 為鐵水包氣體流量。

1.2 實驗裝置

鐵水包實驗模型由有機玻璃制成。實驗中，用水模擬鐵水，用空氣模擬氬氣。圖1 是物理模型試驗裝置圖，實驗中通過對頂吹槍高度、位置和吹氣量進行調節，實現不同水平的模擬效果。

1.3 實驗混勻時間的測量方法

在實驗過程中采用刺激—響應技術：通過向鐵水包模型遠離頂吹槍位置瞬時加入示蹤劑（飽和NaCl溶液），然后連續測定不同測量點的電導率變化，直至電導率變化不超過穩定值（C∞）的±5%，即選取|Ct -C∞| ≤0.05 C∞ 為標準，所需的累積時間t0.95 即為實驗混勻時間。

為了更好地消除實驗誤差，每個測量點重復測量3 次，數據測量時間為3 min，測量數據時間間隔為0.05 s，取平均值。

1.4 實驗方案

本次實驗采用正交設計方案，變量包括頂吹槍的高度、位置和吹氣量三個因素，每個因素選擇五個水平，具體實驗參數如表2所示。

2 實驗結果及分析

2.1 正交實驗結果

為了研究吹氣位置、吹氣高度、吹氣量對混勻時間的影響，根據正交實驗設計，進行了25 組實驗，實驗結果如表3所示。

2.2 結果分析

采用極差分析法分析正交實驗數據，分析得出頂吹吹氣高度、頂吹吹氣位置、吹氣量對鐵水混勻時間的影響。計算各水平實驗結果總和、平均值和極差，見表4。

由極差的大小可以得出，影響鐵水混勻時間的各因素中，主次順序為：頂吹吹氣位置>頂吹吹氣高度>吹氣量。

混勻時間與頂吹吹氣高度、頂吹吹氣位置、吹氣量關系如圖2所示。

隨著頂吹吹氣位置逐漸偏離中心，混勻時間先小幅增加，之后大幅度減少至最低值后又急劇增加。當吹氣位置在水平4（0.7 r）時，混勻時間最短。

混勻時間隨著頂吹吹氣高度的增加先增后減。當吹氣高度為水平4 時，混勻時間最長，吹氣高度為水平1 時混勻時間最短。吹氣高度為200mm時最有利于鐵水的混勻。

隨著吹氣量的不斷增加，混勻時間出現波動，在水平3 時達到最長，在水平4 時達到最短。當吹氣量為600 L/min（標準狀況）時混勻時間短。

3 結論

（1）在本實驗中，鐵水包頂吹位置、吹氣高度、吹氣量都會對鐵水包的混勻時間產生影響，影響混勻時間的主次因素順序為：頂吹吹氣孔與鐵水包中心距離>頂吹吹氣孔距離鐵水面高度>吹氣量。

（2）本實驗條件下，當頂吹吹氣孔距離鐵水面高度為200 mm、吹氣孔距離鐵水包中心0.7 r 、吹氣量600 L/min（標準狀況）時混勻時間最短，鐵水的混勻效果最佳。

參考文獻：

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