氣體旋流喂絲槍的實驗研究

嚴清華，熊烈強

（武漢工業學院機械工程學院，湖北武漢 430023）

氣體旋流喂絲槍的實驗研究

嚴清華，熊烈強

（武漢工業學院機械工程學院，湖北武漢 430023）

研制了針對國內煉鋼設備現狀的氣體旋流喂絲槍。該喂絲槍可直接套裝在導絲管外進入鋼液或鐵液內部。完成了在大氣壓下的水模擬試驗和壓力水試驗。在水模擬試驗中，觀察到了液面漩渦、液中氣囊以及環流和旋流；在壓力水試驗中，測試了喂絲槍與不同絲配合的極限壓力，即喂絲槍的特性曲線。根據Pfizer的工業實驗數據，合理選擇喂絲工藝參數，預計使用氣體旋流喂絲槍的鈣收得率會超過30%。

鈣處理；喂絲機；喂絲槍；氣體旋流

喂絲技術是將熔點低、密度輕的合金元素置于包芯線中，通過喂絲機將其送入鋼液或鐵液內部后，再均勻地溶解在高溫鋼液或鐵液中。喂絲的優點如下：能準確控制合金元素添加數量，提高和穩定合金元素的利用率；添加過程無噴濺，避免了鋼液或鐵液再氧化；精煉過程溫降小；設備投資少；處理成本低。目前，包芯線中的元素分別有鋁、鈣、鎂、硅、錳、硼、硒、碲、鈦、釩、鈮、釔、鉛、鋇、鉍、鈰和碳等及其合金；喂絲方式有表面喂絲和內部喂絲［1］。如何提高和穩定合金元素在鋼液或鐵液中的收得率，國外采用大直徑包芯線［2］或雙核包芯線［3］或深槍內部喂絲［1］；國內仍處于小直徑（Φ13mm及以下）表面喂絲階段。

以鈣為例，內部喂絲的合金元素收得率顯著高于表面喂絲，見圖1［4］。在內部喂絲系統中，喂絲機和導絲管（喂絲槍）之間有壓縮空氣驅動的活塞氣缸密封裝置，氬氣和鈣絲從喂絲槍中的同一通道進入鋼液內部，見圖2［5］。

鈣屬于一種較為活潑的元素。鈣的熔點為843℃。液態鈣的密度約為1 550kg／m3，鋼液的密度約為7 000kg／m3。因此，鈣珠在鋼液中極易上浮；在氣態下，鈣則以更快的速度上升。

鈣蒸氣的飽和壓力和飽和溫度之間的對應關系為［4］

式中：p為飽和壓力（Pa）；t為溫度（℃）。

飽和壓力與鋼液對應的深度稱為臨界深度，換算關系為

式中：h為臨界深度（m）；ρ為鋼液的密度（kg／m3）。

當鋼包溫度一定時，將鈣送入鋼包的深度大于臨界深度，鋼液靜壓力將抑制鈣的汽化，使鈣收得率大幅提高。國內外的研究主要集中在如何將鈣送入臨界深度以下。目前，國內在喂絲機和導絲管之間沒有密封裝置，還不能實現內部喂絲。

筆者研制了將氣道與絲道分開、利用氣體旋流使鋼液旋轉的氣體旋流喂絲槍，并介紹了其結構、工作原理。展示了在水模擬實驗中觀察到的液面漩渦、液中氣囊、環流和旋流照片，以及在壓力水試驗中得到的特性曲線。特性曲線表明：氣體旋流喂絲槍與不同絲配合時，槍頭能夠進入鋼液的深度達到甚至超過了Pfizer的噴槍。因此，使用氣體旋流喂絲槍的鈣收得率預計會超過30%。

1 氣體旋流喂絲槍

文獻［5］的內部喂絲裝置也有些不足，如壓縮空氣驅動的活塞氣缸裝置結構復雜、限制了喂絲速度、增加了喂絲阻力、噴嘴磨損后的槍特性變化以及氬氣直噴造成的液面波動等都有待改進。法國的雙核包芯線技術需對制線廠進行改造；印度的大直徑包芯線技術仍屬于表面喂絲，且鈣收得率受喂絲參數影響較大。為此，筆者研制了將氣道與絲道分開、合理組織氣體流動，使鋼液旋流、直接套裝在固定導絲管外使用，槍頭能夠進入鋼液內部的氣體旋流喂絲槍。

1.1 氣體旋流喂絲槍的結構

氣體旋流喂絲槍的主要結構見圖3，其中，中空結構的旋流噴氣頭構造如圖4所示；螺旋噴氣通道示意圖見圖5。

將外管澆注耐火材料的部分加工成螺紋管，內管和外管依次套裝在喂絲機的固定導絲管外周。氣流穩壓箱設置在內管與外管形成的環形通道頂部入口處，并通過密封焊接的方式與內管和外管固定連接，在氣流穩壓箱的一側安裝有進氣管接頭。旋流噴氣頭設置在內管與外管形成的環形通道底部出口處，它由呈旋轉陀螺體形的噴頭內芯和與其形狀相匹配的噴頭外套組合而成。噴頭內芯焊接固定在內管的底部，噴頭內芯上開設有與內管相連的中空內腔。噴頭外套焊接固定在外管的底部。在噴頭內芯與噴頭外套的配合面之間開設有沿周向均勻分布的螺旋噴氣通道。螺旋噴氣通道開設在噴頭內芯的旋轉曲面上，噴頭內芯下端與螺旋噴氣通道出口相交的外圓被切除的弧長占其圓周長的30%～100%。

1.2 氣體旋流喂絲槍的工作原理

氣體旋流喂絲槍工作時，整個槍體可以沿固定的導絲管做上下移動，以便插入到鋼液的下面或離開液面。來自喂絲機的包芯線在導絲管的引導下沿內管、噴頭內芯的中空內腔和噴頭外套的下端內孔穿出。與此同時，具有一定壓力的氬氣從進氣管接頭進入氣流穩壓箱，穿過內管與外管之間的環形通道，經螺旋噴氣通道加速后噴出，形成氣體旋流。當槍頭在液面上方時，氣體旋流的下方形成低溫區；當槍頭接近液面時，氣體旋流推動保護渣旋轉形成漩渦；當槍頭進一步下降時，上層鋼液向槍體匯合，槍頭附近的鋼液仍然在氣體旋流推動下旋轉，形成氣囊。

2 水模擬試驗

圖6 水模擬試驗臺Fig.6 Water simulation test unit

為驗證氣體旋流喂絲槍的環流和旋流功能以及在液體中的氣囊，建造了圖6所示的水模擬觀察試驗臺，由空壓機、減壓閥、球閥、喂絲槍、升降臺、攝像頭、筆記本電腦、金屬軟管和水箱等組成。

2.1 試驗步驟

1）關閉儲氣罐排污閥和球閥，打開儲氣罐進氣閥，啟動空壓機至儲氣罐壓力為0.75MPa。2）提升喂絲槍使槍頭高出水箱上沿；插入鈣絲，使鈣絲下端伸出槍頭0.1m左右；上端鉆孔插銷，使鈣絲在槍內能自由轉動而不致下落。3）關閉水箱底閥，往水箱灌水至水位1.1m左右。4）移動升降臺使槍頭處于水箱中心位置。5）全開球閥，旋轉減壓閥手輪減壓至試驗壓力。6）下降升降臺使槍頭處于水箱的試驗位置。7）將攝像頭置于槍頭附近攝像或拍照。

2.2 試驗結果

本次試驗在水箱外測量了減壓閥出口壓力、噴氣頭前壓力，兩者之差即其間的壓力損失，見表1。由于儲氣罐容積有限，更高的壓力維持時間短，讀數困難。依據表1，在減壓閥出口壓力≥0.5MPa時，壓力損失不變。

表1 減壓閥出口和噴氣頭前壓力Tab.1 Pressures at outlet of pressure－reducing valve and front of gas jet MPa

分別將未碾壓的Φ13mm鈣絲和被碾壓后的Φ13mm鈣絲（11.5mm×16.5mm）插入槍內進行試驗，減壓閥出口壓力按表1選取，試驗溫度為30℃。噴頭氣體出口速度

圖7 液面漩渦Fig.7 Eddy at liquid surface

圖7－圖9是在減壓閥出口壓力等于0.45 MPa時的照片。槍頭接近水面100mm左右時，氣體旋流推動水旋轉形成的漩渦如圖7所示，圓絲和扁絲沒有差別。槍頭進入水中后，氣體旋流推動水旋轉形成氣囊。圓絲周圍的氣囊成軸對稱的ω型，如圖8所示；扁絲周圍的氣囊是不對稱的ω型，如圖9所示。這種現象說明鈣絲的圓度會影響喂絲槍對鋼液的擾動。

將一根白色棉紗線放入水中，濕潤后沉入水底。試驗進行到2min左右，白色棉紗線漂浮到攝像頭視野，漂浮過程中形狀改變，見圖10、圖11（圖11在圖10后1s左右截屏）。紗線的運動和形狀的改變證實了喂絲槍能夠在液體中產生環流和旋流。

3 壓力水試驗

為確定氣體旋流喂絲槍與不同直徑絲配合所表現的特性，在水模擬試驗臺基礎上加裝了一個壓力水罐進行了壓力水試驗，見圖12。

圖12 壓力水試驗臺Fig.12 Pressure water simulation test unit

3.1 試驗步驟

在喂絲槍750mm位置焊接法蘭，密封裝入罐內。

按以下步驟進行試驗：

1）關閉排水閥，打開其余閥門；

2）往水箱灌水，下溢水閥下有水流出時，關閉進水閥，再關閉下溢水閥；

3）水箱灌滿后，停止灌水；

4）打開儲氣罐球閥，設定儲氣罐出氣壓力，喂絲槍開始噴氣，打開進水閥；

5）上溢水閥上有水流出時，關閉閥，再關閉進水閥和溢氣閥；

6）記錄有水從喂絲槍上部噴出時壓力罐上壓力和儲氣罐上減壓閥壓力；

7）打開進水閥，當水箱將滿時，關閉進水閥；

8）關閉儲氣罐球閥，打開下溢水閥，用桶接水倒入水箱中。

3.2 試驗結果

在Φ18mm的喂絲槍中，試驗了未碾壓的Φ13mm鈣絲、被碾壓后的Φ13mm鈣絲、Φ16mm圓鋼和Φ10mm圓鋼，所測得的有水從喂絲槍上部噴出時壓力罐上壓力（極限壓力）與噴氣頭前壓力的關系曲線（見圖13），其中Φ10mm圓鋼在任何壓力下都有水噴出。

在Ф16mm的喂絲槍中，試驗了未碾壓的Ф13mm鈣絲和Ф10mm圓鋼，所測得的有水從喂絲槍上部噴出時壓力罐上壓力（極限壓力）與噴氣頭前壓力的關系曲線見圖14。

圖13和圖14右邊縱坐標是將極限壓力折算的鋼液深度。

4 應用效果分析與預測

處于冷態（環境溫度）的鈣絲，進入鋼液熔化需要一段時間，如Pferrocal包芯線約需1s［1］。根據式（1）和式（2），為延緩其汽化，在鋼液溫度約1 600℃時，鈣絲開始熔化的位置應處于鋼液深度1.44m以下，利用鋼液靜壓力，使鈣盡可能長時間保持液態而被鋼液吸收。影響鈣收得率的幾何參數和運動參數有喂絲槍（管）頭的位置離鋼液面的距離（主要因素）、鈣絲的截面直徑和形狀、外包鋼殼的厚度和喂絲速度等。

在表面喂絲中，喂絲槍（管）頭的位置在鋼液面上方。槍（管）頭與鋼液面之間的鈣絲裸露在空氣中，高溫鋼液以電磁波的速度熱輻射鈣絲，使其迅速熱軟化；柔軟的鈣絲進入鋼液后，由于浮力作用下行受阻并發生橫向位移和上浮。這種位移和上浮發生的位置是隨機的，鈣絲實際喂入深度小于根據喂絲速度和熔化時間的計算值，并且也是隨機的，導致鈣收得率的最高值與最低值之差較大，故往往以平均鈣收得率概論，鈣處理質量不穩定。

在內部喂絲中，喂絲槍頭的位置在鋼液面下方，如美國Pfizer的第2代喂絲槍在1.83m［1］。鈣絲在這一位置進入鋼液，以導熱方式被加熱軟化，加熱的速度低于熱輻射；進入鋼液的鈣絲也同樣會發生橫向位移和上浮。但這種位移和上浮發生的位置在1.83m以下，鋼液靜壓力大于鈣的飽和壓力，能夠有效抑制鈣的汽化，鈣收得率高且穩定，如Pfizer的第2代喂絲槍在中碳鋼中已經達到30%，且連續鈣處理37爐的質量是穩定的［1］。圖1顯示已經達到了40%～50%。

印度Tata Steel公司試驗了直徑Φ13mm，Φ16mm和Φ18mm的3種鈣包芯線，結果表明大直徑鈣包芯線的鈣收得率高［2］。但美國珉泰克公司推崇直徑Φ9mm的無縫實心包芯線，原因是其活塞氣缸密封裝置對直徑和形狀有限制。直徑大喂絲阻力也大，所要求的喂絲機功率大；有縫包芯線在裝置中密封困難。小直徑包芯線中芯材所占總量的比例小，對鋼鐵企業來說并不合算［6－7］。

增加外包鋼殼的厚度，可以延緩鈣絲的熔化時間（法國Affival公司的雙核包芯線屬于此類），提高鈣收得率。但芯材所占總量的比例減小。

喂絲速度增加，鈣絲進入鋼液的深度增加，鈣收得率提高。但過高的速度會導致鈣絲上竄，鈣收得率反而降低［8］，同時增加喂絲機負荷。

氣體旋流喂絲槍是針對中國鋼鐵企業的技術和設備現狀研制的。由于將氣道與絲道分開、可以直接套裝在固定導絲管外使用，所以不需要活塞氣缸密封裝置。根據壓力水試驗結果，合理選擇槍和絲的耦合對，槍頭進入鋼液面下的距離可以超過1.83m。根據Pfizer和Tata Steel的經驗，合理選擇喂絲工藝參數，預計使用氣體旋流喂絲槍的鈣收得率會超過30%。

［1］ ENGEL M J.采用先進的深槍喂鈣線鋼包處理法的改進工藝控制及提高鋼質量［J］.張開堅譯.鋼鐵釩鈦，1993，14（1）：63－68.

［2］ SARBENDU S，CHANDRA S.Cored Wire Injection Process in Steel Melts［P］.US：20080105086，2008－05－08.

［3］ POULALION A.Method and installation for the introducing a cored wire into a bath of molten metal［P］.France：20060054072，2006－10－03.

［4］ 音谷登平，形浦安治.鈣潔凈鋼［M］.劉新華，韓郁文譯.北京：冶金工業出版社，1994.

［5］ WIRTH J，EMIL J.Wire injection apparatus［P］.US：4512800，1985－04－23.

［6］ 嚴清華，熊烈強.鈣系包芯線的綜合效益分析［J］.河北工業科技（Hebei Journal of Industrial Science and Technology），2012，29（1）：9－12.

［7］ 張軼潤，周保華，郭 斌，等.改性脫硫灰摻加礦渣粉煤灰制備生態型膠凝材料［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2009，30（1）：35－40.

［8］ BASAK S，DHAL R K，ROY G G.Efficacy and recovery of calcium during Casi cored wire injection in steel melts［J］.Ironmaking and steelmaking，2010，37（3）：161－168.

Experimental research into gas rotary wire－feeding lance

YAN Qing－hua，XIONG Lie－qiang
（School of Mechanical Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan Hubei 430023，China）

The gas rotary wire－feeding lance is developed for the present steel－making equipment.The lance can be used directly with the guide pipe.Water simulation and pressure water simulation are carried out.In water simulation，the vortex on the surface，the cavity and the recirculatory and rotary are observed.The characteristic curves of the lance coupled with different wires are disclosed in pressure water simulation.According to the test data from Pfizer，the recovery of calcium will be over 30%when using the gas rotary lance under ideal processing parameters.

calcium treatment；wire－feeding apparatus；wire－feeding lance；gas rotary

TF713.6

A

1008－1542（2012）03－0231－06

2012－02－23；責任編輯：馮 民

嚴清華（1978－），女，湖北當陽人，講師，碩士，主要從事流體力學、鋼包喂絲等方面的研究。