张少勇，王月，刘海啸，李胜利，张倍恺
（辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051）
摘要：为了使铁水快速脱氧、脱硫，快速提高合金收得率，改善顶吹工艺的热力学和动力学条件，本文以钢厂150 t 铁水包为原型，通过建立尺寸比例为1：4 的几何模型，采用正交实验法研究顶吹吹气位置、吹气量和吹气高度对铁水包内铁水混匀的影响规律。实验得出，影响铁水混匀时间的主次因素顺序为：顶吹吹气孔与铁水包中心距离>顶吹吹气孔距离铁水面高度>吹气量；当顶吹吹气孔距离铁水面高度为200 mm、顶吹吹气孔距离铁水包中心0.7r 、吹气量600 L/min（标准状况）时铁水的混匀时间最短。
关键词：铁水包；顶吹气；铁水混匀；水模
喷射冶金是铁水预处理重要手段之一［1］，具有快速脱氧、脱硫，提高合金元素的收得率，微合金化的功能［2-5］。顶吹还可以改善精炼热力学和动力学条件。在实际铁水预处理过程中，通过改善预处理顶吹工艺条件，强化铁水物理化学反应动力学条件，能够实现提高脱硫效率，缩短预处理时间，加快生产节奏，降低生产成本。本实验在相似原理的基础上［6-7］，建立了铁水包顶吹模型物理实验，通过实验分析得出，控制顶枪吹气位置、吹气量、吹气高度对铁水包内铁水充分混合均匀的时间影响，为铁水预处理中改进合理的顶吹工艺提供依据。
1 实验方法
1.1 实验模型尺寸
原铁水包与实验模型尺寸按照4：1 的比例缩小，保证实验模型与原包型几何相似，详细尺寸见表1。
模型与原型的修正Fr 准数相等即可满足动力学相似。由此得出实验模型中喷出气体流量与铁水包原型的关系为Qm =0.011 2 Qp 。式中：Qm 为实验气体流量，Qp 为铁水包气体流量。
1.2 实验装置
铁水包实验模型由有机玻璃制成。实验中，用水模拟铁水，用空气模拟氩气。图1 是物理模型试验装置图，实验中通过对顶吹枪高度、位置和吹气量进行调节，实现不同水平的模拟效果。
1.3 实验混匀时间的测量方法
在实验过程中采用刺激—响应技术：通过向铁水包模型远离顶吹枪位置瞬时加入示踪剂（饱和NaCl溶液），然后连续测定不同测量点的电导率变化，直至电导率变化不超过稳定值（C∞）的±5%，即选取|Ct -C∞| ≤0.05 C∞ 为标准，所需的累积时间t0.95 即为实验混匀时间。
为了更好地消除实验误差，每个测量点重复测量3 次，数据测量时间为3 min，测量数据时间间隔为0.05 s，取平均值。
1.4 实验方案
本次实验采用正交设计方案，变量包括顶吹枪的高度、位置和吹气量三个因素，每个因素选择五个水平，具体实验参数如表2所示。
2 实验结果及分析
2.1 正交实验结果
为了研究吹气位置、吹气高度、吹气量对混匀时间的影响，根据正交实验设计，进行了25 组实验，实验结果如表3所示。
2.2 结果分析
采用极差分析法分析正交实验数据，分析得出顶吹吹气高度、顶吹吹气位置、吹气量对铁水混匀时间的影响。计算各水平实验结果总和、平均值和极差，见表4。
由极差的大小可以得出，影响铁水混匀时间的各因素中，主次顺序为：顶吹吹气位置>顶吹吹气高度>吹气量。
混匀时间与顶吹吹气高度、顶吹吹气位置、吹气量关系如图2所示。
随着顶吹吹气位置逐渐偏离中心，混匀时间先小幅增加，之后大幅度减少至最低值后又急剧增加。当吹气位置在水平4（0.7 r）时，混匀时间最短。
混匀时间随着顶吹吹气高度的增加先增后减。当吹气高度为水平4 时，混匀时间最长，吹气高度为水平1 时混匀时间最短。吹气高度为200mm时最有利于铁水的混匀。
随着吹气量的不断增加，混匀时间出现波动，在水平3 时达到最长，在水平4 时达到最短。当吹气量为600 L/min（标准状况）时混匀时间短。
3 结论
（1）在本实验中，铁水包顶吹位置、吹气高度、吹气量都会对铁水包的混匀时间产生影响，影响混匀时间的主次因素顺序为：顶吹吹气孔与铁水包中心距离>顶吹吹气孔距离铁水面高度>吹气量。
（2）本实验条件下，当顶吹吹气孔距离铁水面高度为200 mm、吹气孔距离铁水包中心0.7 r 、吹气量600 L/min（标准状况）时混匀时间最短，铁水的混匀效果最佳。
参考文献：
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