高爐鐵水流動研究與應(yīng)用

王延平

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東 萊蕪 271104）

提高鐵水質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、改善技術(shù)指標(biāo)、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益、確保均衡生產(chǎn)的重要措施之一就是建設(shè)高冶煉強(qiáng)度下穩(wěn)定順行的“長壽高爐”.當(dāng)前，爐缸爐底侵蝕成為高爐一代爐役的限制性環(huán)節(jié)，爐缸因盛放渣鐵液并進(jìn)行周期性的聚集和排出而承受復(fù)雜的物理破壞和化學(xué)侵蝕，其中高溫液態(tài)渣鐵(主要是鐵水環(huán)流)沖刷是造成爐缸侵蝕的主要原因之一.雖然高爐上有著范圍廣泛的監(jiān)測設(shè)備，但爐缸內(nèi)的流動情況是無法直接測定的，因此需要采用不同的模型——物理的、數(shù)學(xué)的甚至電子的模型——來描述其實(shí)際情況.

本文根據(jù)相似原理建立爐缸爐底鐵水流動模擬試驗(yàn)裝置，測試了死焦堆體積、爐底無焦空間層、死焦堆空隙度等因素對鐵水流動的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

測速采用美國TSI公司的三維多普勒測速儀（即LDV）。本試驗(yàn)中制作了兩種大小的死焦堆，直徑分別為510mm和350mm。當(dāng)死焦堆直徑為510mm時，測速位置距壁面5mm處，死焦堆直徑為350mm時，測速位置距器壁面45mm處。

測量步驟：

1）測定死焦堆的空隙度，然后放到容器內(nèi)。

2）首先往試驗(yàn)裝置裝注水，調(diào)整入口和出口流量，使流動處于穩(wěn)態(tài)。

3）然后打開激光多普勒測速儀，調(diào)整測量位置。

4）準(zhǔn)備好后讓激光測速儀開始測液體流速。測量過程激光測速儀將自動完成。

5）試驗(yàn)結(jié)束后處 理激光測速儀測的數(shù)據(jù)，畫出流場圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析（見表1）

如表1是測速試驗(yàn)方案。

2.1 死焦堆體積對鐵水流動的影響。死焦堆直徑為350mm時，即死焦堆與爐缸壁面的無焦空間比較大，為爐缸總面積的56%時的流場，死焦堆空隙度為0.357；死焦堆直徑為510mm，無焦空間為爐缸面積的7%，死焦堆空隙度為0.37時的流場（方案1和方案3）。從兩個圖看，爐缸壁面無焦空間大時，雖然死焦堆空隙度比無焦空間小時的要小，但無焦空間里的液體流速反而要比無焦空間小的流速小，這是壁面空間大，液體流動的無阻面積相對大，所以流量相同時，流速必然要增大，這說明爐缸里的無焦空間大，則有利于減少爐缸壁面和底部的鐵水流速，減緩鐵水流速對爐缸的沖刷和侵蝕。

2.2 爐底無焦空間層對鐵水流動的影響

死焦堆分別“沉坐”和“浮起”30mm和“浮起”60mm時，試驗(yàn)其它條件一樣（方案4、方案3和方案2）。死焦堆“沉坐”時，流速明顯比“浮起”時要大，從“浮起”30mm和60mm看，浮起的高度高，爐缸壁面流速小。這說明爐底上有無焦空間層時將有利于減緩爐缸壁面流速。無焦空間越高越有利于減少壁面流速，有利于延長爐缸壽命。

表1 測速試驗(yàn)方案

圖1 空隙度為0.357

圖2 空隙度為0.307

2.3 死焦堆空隙度對鐵水流動的影響

圖1和圖2是無焦空間相同，空隙度分別為0.357和0.307時的流速（方案4和方案1）。從這兩個圖也可以看出，死焦堆空隙度大時壁面流速比較小。尤其空隙度為0.307時，鐵口高度位置的流速比空隙度為0.357時要大。這說明空隙度小時，壁面流速大，尤其鐵 口高度位置上爐缸壁面的流速大， 增加了對爐缸的沖刷和侵蝕。（見圖1，圖2）

結(jié)語

物理模擬的研究方法不僅可以克服冶金過程的復(fù)雜性、高溫測試手段的限制，而且可以為數(shù)學(xué)模擬研究提供指導(dǎo)，在驗(yàn)證和完善數(shù)學(xué)模型結(jié)果方面發(fā)揮重要作用。本文根據(jù)相似原理建立爐缸爐底鐵水流動模擬試驗(yàn)裝置，測試了死焦堆體積、爐底無焦空間層、死焦堆空隙度等因素對鐵水流動的影響。另一方面應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證前面建立的爐缸爐底渣鐵水流動數(shù)學(xué)模型的正確性，為下一步應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更多條件下的渣鐵水流動數(shù)值模擬研究奠定基礎(chǔ)。

[1]邵磊.高爐爐缸內(nèi)鐵水流動特性的物理模擬[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2009（03）:54-56.