銅底吹爐氧槍出口端蘑菇頭生成過程水模實驗研究

王書曉， 余 躍， 溫 治， 劉訓良

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038; 2.北京科技大學能源與環境工程學院， 北京 100083)

0 引言

底吹爐冶煉過程中，底吹氣體通過底部噴槍強力射入，作為冶煉反應物的同時并攪拌爐內熔體，底吹氣體相較于高溫熔體溫度很低，會在在噴槍的噴口周圍和槍口磚上形成一個急冷區，部分高溫熔體在急冷區附近固化粘結，最終形成具有細微通道呈蘑菇狀的穩定致密多孔介質區，被稱為“蘑菇頭”。處于動態熱平衡狀態的蘑菇頭大小合適時，既不妨礙送氣量，又可保護和延長底部供氣噴槍的壽命，但會使供氣壓力提高，增加動力成本，也會對爐內氣液流動產生影響。

上世紀90年代以來，為延長底吹噴嘴和爐底壽命，鋼鐵冶金行業研究人員針對頂底復吹轉爐內蘑菇頭開展了一些研究工作。李云[1]、張曉兵[2]、袁集華[3-4]等對頂底復吹轉爐煉鋼過程中形成的蘑菇頭進行了冷態或熱態實驗研究，分析蘑菇頭的形成過程與熱力學條件以及噴吹氣量、鐵水溫度的影響關系。劉瀏[5]、陳樹林[6]等學者在生產實踐中研究分析了“爐渣- 金屬蘑菇頭”的形成和維護技巧、組成成分以及透氣機理。

雖然氧氣底吹技術在應用于鉛冶煉和銅冶煉之初[7-9]，就考慮在氧槍出口端形成蘑菇頭以保護噴槍，但相比轉爐煉鋼領域關于蘑菇頭的研究，有關銅底吹爐內蘑菇頭的相關研究鮮有報道，銅底吹爐在冶煉工藝和結構方面與頂底復吹轉爐也有明顯不同，因此有必要對底吹爐內蘑菇頭的形成展開研究。底吹爐冶煉過程中，熔池溫度很高且很難觀察到冶煉過程中底部蘑菇頭的形成過程，直接進行原型實驗存在經濟成本高、實施困難、安全風險大等缺點。本文以銅底吹爐為原型，通過水力模型實驗的方法研究了蘑菇頭生成過程、熱力學條件、蘑菇頭的尺寸形貌以及氧槍傾角、氣體流量的影響。

1 相似原理及模型參數

1.1 相似原理

實驗研究是計算機模擬正確性的檢驗依據，也是解決實際工程問題的需要。在研究對象上直接進行實驗會受到研究對象尺度、實驗環境、測試手段等限制，從經濟性和可行性方面考慮，常采用模型實驗的方法。如何設計實驗臺以及如何把模型實驗的結果應用于實際中的理論依據就是相似原理。

為使模型中的流動與原型中的流動保持相似，必需遵從相似原理，即需要滿足幾何相似、動力相似和運動相似等相似條件。

幾何相似是必須滿足的首要條件，指模型與原型具有相似的幾何形狀，所有對應尺寸成比例，所有對應角相等。長度比例尺是指模型特征尺寸與原型特征尺寸的比值，數學表達式為：

(1)

式中：λ—長度比例尺；

Lm—模型特征尺寸，m；

Lp—原型特征尺寸，m。

本文選用修正的弗勞德準數為動力相似準數，其表達式如下所示：

(2)

式中：vg—氣流速度，m/s；

g—重力加速度，m/s2；

d0—氧槍直徑，m；

ρg—氣體密度，kg/m3；

ρ1— 液體密度，kg/m3。

在建立水力模型時，根據動力學相似原理，模型中修正弗勞德準數必須與原型相等，即：

(3)

1.2 模型參數

本文主要研究單支氧槍噴吹情況下蘑菇頭的生成過程，以某銅冶煉企業底吹爐為原型，選取長度比例尺1∶10制作水力模型。水模型在長度方向截取實際底吹爐長的一段并且將模型圓柱高于中心線100 mm以上部分切除。圖1為原型與模型結構示意圖，表1和表2為底吹爐原型與模型結構參數、物性參數和操作參數。

圖1 底吹爐原型及模型結構示意圖

項目原型模型長度比例尺1∶11∶10內徑/mm3880388長度(不含端墻)/mm21660285熔池液面/mm15451545氧槍傾角/(°)10、200、10、20氧槍凸起高度/mm18018氧槍出口截面積/mm279842707

注：模型中噴槍選取規格為φ6 mm×1.5 mm的硬銅管，內徑3 mm。

2 實驗裝置及實驗方案

2.1 實驗裝置

水力模型實驗臺主要由底吹爐水模型、低溫供氣系統(銅盤管覆蓋干冰降溫)、氣體干燥系統、數據采集測試系統等四部分組成。圖2和圖3分別為實驗裝置示意圖與實物圖。實驗步驟如下：1.壓縮機提供壓縮空氣經過穩壓閥穩壓；2.壓縮空氣經CTA精密過濾器干燥過濾得到干燥空氣；3.干燥空氣通入埋在干冰中的銅盤管降溫得到低溫氣體，氣體溫度可以通過銅盤管長度調節；4.低溫氣體經過氧槍噴射入底吹爐模型。實驗過程中，通過溫度計、流量、高速相機分別測量記錄溫度、流量、射流形態以及蘑菇頭的生成過程。

表2 原型與模型物性參數和操作參數

1—空氣壓縮機； 2—穩壓閥； 3—空氣干燥器； 4—低溫槽； 5—銅盤管； 6—氣體流量計； 7—氧槍；8—底吹爐水模型； 9—平面光源； 10—溫度計； 11—高速相機； 12—數采卡； 13—電腦圖2 實驗裝置示意圖

2.2 實驗方案

本文通過水模實驗研究蘑菇頭的生成過程以及氣體溫度、氧槍傾角和氣體流量的影響，設計了如表3所示的實驗方案。

3 實驗結果與分析

3.1 穩定蘑菇頭生成過程

當底吹氧槍出口端附近溫度小于0 ℃時，氧槍出口端開始有蘑菇頭冰瘤生成；此時氣體流量也會出現一定波動，穩定蘑菇頭的生成過程主要分為兩個階段：“生成- 破碎- 生成”反復階段和穩定蘑菇頭生成階段。

在“生成- 破碎- 生成”反復階段，噴槍出口端附近溫度已低于0 ℃，水開始在噴槍出口某點結晶并長大形成小的蘑菇頭狀冰瘤，但此時的蘑菇頭結構并不穩定，也未處于動態熱平衡狀態，不穩定的蘑菇頭不斷生成并被氣流和水流沖擊破碎，“生成- 破碎- 生成”過程反復多次后進入穩定蘑菇頭生成階段。

1—空氣壓縮機； 2—降溫槽； 3—溫度計； 4—底吹爐模型； 5—氧槍模型； 6—高速攝像機； 7—穩壓閥； 8—空氣干燥器圖3 實驗裝置實物圖

氧槍角度/(°)底吹氣體溫度/℃氣體流量/m3·h-1研究目標0-54810、15、20、25氣體流量的影響-374、-473、-54820底吹氣體溫度的影響0、10、20-54820氧槍傾角的影響

在穩定蘑菇頭生成階段，水首先在噴槍內壁面上結成小冰瘤，小冰瘤逐漸長大并堵塞底吹氣流的垂直向上流動，底吹氣流發生偏斜，底吹氣體阻力增大，底吹氣流不斷改變偏斜方向，長大的冰瘤逐漸重合，形成覆蓋底吹噴槍出口的蘑菇頭核，蘑菇頭核逐漸長大直至生成穩定的蘑菇頭，此時穩定蘑菇頭處于動態熱平衡狀態。從氣流發生偏斜到生成大小穩定的蘑菇頭，大約耗時10 min，穩定蘑菇頭生成過程如圖4所示。

圖4 穩定蘑菇頭生成過程

圖5 穩定蘑菇頭形貌圖

圖5為生成的穩定蘑菇頭實物圖，可以發現蘑菇頭是一個具有蘑菇頭形狀的典型多孔介質區域。比較有無蘑菇頭時的液面噴濺可以發現，在生成蘑菇頭之后，熔池內的液面噴濺顯著減小，如圖6所示。

圖6 蘑菇頭對熔池液面噴濺的影響

3.2 穩定蘑菇頭生成熱力學條件

低溫底吹氣體由氧槍噴入底吹爐內，不斷帶入冷量，噴槍出口端附近熔體逐漸冷卻積聚生成一個穩定的蘑菇頭。穩定蘑菇頭會處于動態熱平衡狀態，蘑菇頭體失去的熱量主要為低溫底吹氣體經過蘑菇頭體時所帶走的熱量，而蘑菇頭體得到的熱量主要來自于爐內熔體傳熱。

穩定蘑菇頭的生成主要與低溫底吹氣體溫度和氣體流量有關。氣體流量一定，只有底吹氣體溫度足夠低才可能有穩定蘑菇頭的產生，氣體溫度滿足低溫要求，也只有保證一定氣體流量才能使得蘑菇頭體處于熱平衡狀態，生成穩定蘑菇頭。由表4可知，穩定蘑菇頭的生成需要滿足一定熱力學條件：在氣體流量為2 m3/h時，低溫氣體溫度≤-47.3 ℃才會有蘑菇頭的生成，否則不會生成蘑菇頭，或者冷氣體的溫度為-54.8 ℃時，氣體流量≥1.5 m3/h，才會有蘑菇頭的生成，否則不會生成蘑菇頭。

表4 底吹氣體溫度對蘑菇頭生成過程的影響

3.3 氣體流量的影響

滿足穩定蘑菇頭生成熱力學條件情況下，研究了1.5 m3/h、2.0 m3/h和2.5 m3/h三種氣體流量對蘑菇生成過程的影響，包括蘑菇頭尺寸、孔隙率及生成穩定蘑菇頭所需時間等。圖7為高速相機拍攝的不同氣體流量底吹氣流形貌圖，其中A1-A3為存在蘑菇頭時氣流形貌，底部氣泡顏色較深部分為形成的穩定蘑菇頭。

由表5實驗結果可知，隨著氣體流量增大，生成穩定蘑菇頭所用時間縮短，這是因為氣體流量大，冷氣體帶入爐內的冷量可以更快滿足穩定蘑菇頭生成所需的熱力學平衡條件；隨氣體流量增大，穩定蘑菇頭的孔隙率和蘑菇頭尺寸也會變大。

3.4 氧槍傾角的影響

實際生產中，底吹氧槍的布置并非完全0°傾角豎直布置，而是不同氧槍傾角混合布置的。底吹氣體溫度-54.8 ℃和氣體流量2.0 m3/h情況下，研究了0°、10°、20°不同氧槍傾角對蘑菇頭生成過程的影響。圖8為3種不同氧槍傾角布置情況下高速相機拍攝得到的底吹氣流形貌圖，其中A1-A3為存在蘑菇頭時的氣流形貌，底部氣泡中顏色較深為所形成的穩定蘑菇頭。

由表6不同氧槍傾角實驗結果可知，氧槍傾角分別為0°、10°和20°時，生成穩定蘑菇頭所用時間均為10 min左右，氧槍傾角對生成穩定蘑菇頭所需時間的影響不明顯，氧槍傾角的變化對蘑菇頭孔隙率和穩定蘑菇頭的尺寸大小的影響作用也很小。

圖7 不同氣體流量有無蘑菇頭時底吹氣流形貌圖(A1-A3有蘑菇頭，B1-B3無蘑菇頭)

底吹氣體溫度/℃氣體流量/m3·h-1蘑菇頭尺寸直徑/mm氧槍外徑n倍蘑菇頭孔隙率/%生成穩定蘑菇頭所需時間/min-5481514116235315491320167352789194292519574326221917

圖8 不同氧槍傾角有無蘑菇頭時氣流形貌圖(A1-A3有蘑菇頭，B1-B3無蘑菇頭)

氧槍傾角/(°)蘑菇頭尺寸直徑/mm氧槍外徑n倍蘑菇頭孔隙率/%生成穩定蘑菇頭所需時間/min0167352789194291015536256918511120173802896191610

4 結論

(1)水模實驗模擬得到底吹爐氧槍出口端穩定蘑菇頭的生成過程，過程可分為“生成- 破碎- 生成”反復階段和穩定蘑菇頭生成階段。穩定蘑菇頭為半球狀多孔介質區，有很多彌散孔，合適大小的蘑菇頭存在一定程度上可以減弱底吹爐內液面噴濺現象。

(2)蘑菇頭生成需要滿足一定熱力學條件，主要與低溫氣體溫度和氣體流量有關。當底吹氧槍出口端溫度小于熔體的凝固點且存在一定過冷度，氣體流量大小合適，低溫底吹氣體提供的冷量滿足蘑菇頭動態熱平衡條件時，底吹氧槍出口端會生成穩定蘑菇頭。

(3)穩定蘑菇頭的尺寸、孔隙率以及生成穩定蘑菇頭所需時間受到氣體流量的影響較大，而受氧槍傾角的影響較小。隨氣體流量增加，穩定蘑菇頭尺寸和孔隙率都會變大，生成穩定蘑菇頭所用時間則減少。

[1] 李云，宋啟年，孫善長等.頂底復合吹氧轉爐底槍熱結瘤研究[J].煉鋼，1990(6)：30-35.

[2] 張曉兵，曹兆民，李洪利.頂底復吹轉爐底吹噴嘴端部蘑菇體的冷模擬研究[J].鋼鐵，1992(8)：22-25.

[3] 袁集華，陳永定，唐仲和等. 底吹噴槍出口端生成蘑菇頭熱態試驗研究[J].煉鋼，1993(2)：47～51.

[4] 袁集華，陳永定，唐仲和等. 底吹噴槍出口端蘑菇頭形成機理及模擬研究[J]. 鋼鐵研究學報，1994(1)：5-8.

[5] 劉瀏，佟溥翹，崔淑賢等.長壽復吹轉爐工藝技術開發[J].鋼鐵，2002，37(10)：13-15.

[6] 陳樹林，陳紅偉，張太生.復吹轉爐底吹“蘑菇頭”的形成及維護實踐[J].鋼鐵研究，2010，38(z2)103-105.

[7] 陳漢榮，賀善持. 氧氣底吹熔煉法在我局的應用研究[J]. 湖南有色金屬，1993(4)：220-224.

[8] 李誠，江傳瑜.底吹熔池熔煉特性及水口山煉銅法的工業化前景[J]. 有色冶煉，1997(4):28-32.

[9] 高長春，袁培新，陳漢榮等.氧氣底吹熔煉氧槍淺析[J].中國有色冶金，2006(6):13-17,59.