CN102643952B - 求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法 - Google Patents

Abstract

一种求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法，属于钢铁精炼技术领域。本发明求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法率先以光滑表面缝隙宽度为基准宽度，修正了钢包底喷粉元件缝隙表面粗糙度和表面宏观形貌的影响，提出了求取包含表面粗糙度和表面宏观形貌影响在内的钢包底喷粉原件缝隙长宽的方法；采用本发明求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法指导制备的钢包底喷粉元件安全可靠、无渗漏、无堵塞，可满足钢包底喷粉精炼新工艺的需求，是解决钢包底喷粉精炼新工艺技术的难题的关键。

Description

求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法

技术领域

本发明属于钢铁精炼技术领域，涉及缝隙式喷粉元件的设计，特别涉及求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法。

背景技术

钢包底喷粉精炼是新兴的一项具有创造性和广阔应用前景的新技术，但由于钢包底喷粉工作环境比钢包底吹氩搅拌环境恶劣，钢包底喷粉工艺提出后面临着诸多技术问题待解决。钢包底喷粉工艺主要采用缝隙式喷粉元件来实现底喷粉精炼，正常喷吹冶炼，为将粉剂以一定动能喷吹进钢包熔池内，必然要求喷粉元件缝隙有一定的宽度，这与喷粉元件安全性相背离，因为喷粉元件缝隙较宽、钢液容易渗透缝隙而引发漏钢事故。为避免发生漏钢事故，喷粉元件缝隙又要尽量窄些，这一对矛盾引发了人们对喷粉元件安全性和可行性设计的思考，保证喷粉元件安全可靠地工作，是推广应用钢包底喷粉工艺的前提。于是采取一种有效的底喷粉缝隙式喷粉元件制备方法并对其安全性进行可靠的检验成为解决钢包底喷粉精炼技术难题的关键。

目前，对钢包底喷粉精炼缝隙式喷粉元件制备方法较为单一，多采用Washburn提出的钢水向透气砖微孔渗漏的计算公式(1)来计算缝隙宽度，具体公式如下：

$\mathrm{\δ}=-\frac{4\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\ρgH}}---\left(1\right)$

式中，δ-缝隙宽度(m)；σ-钢液表面张力(N/m)；

θ-钢液与喷粉元件接触角；ρ-钢液密度(kg/m³)；

g-重力加速度(N/kg)；H-钢包熔池内钢液深度(m)；

该公式指导缝隙参数制备存在诸多不足：(1)该方法没有考虑缝隙形状，计算时默认缝隙为圆孔状，与实际缝隙相差较大；(2)该方法没有考虑环境压力，默认炉内气体压力与缝隙内参与气体压力相等，与实际情况存在差异；(3)该方法没有考虑缝隙表面实际情况对钢液渗漏情况的影响，默认缝隙表面为理想表面。

而当使用过程当中，钢包底喷粉精炼缝隙式喷粉元件受粉气流磨蚀发生失效，钢液向缝隙内渗漏情况的预测，尚未见报道。钢包底喷粉缝隙式喷粉元件安全性检验无论在实验室还是现场生产中，尚未形成一套完善合理的检验方法，多采用现场故障透气砖的分析和检验，这种方法成本高、难度大，受工作环境影响严重，而且不能对钢液渗漏情况进行跟踪监测。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法，以达到合理求取钢包底喷粉原件缝隙长宽，制备喷粉强度高，喷吹过程连续稳定，且不发生钢液渗漏安全可靠的钢包底喷粉元件的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法，用于确定底喷粉元件缝隙的长和宽，包括以下步骤：

步骤1：计算底喷粉元件缝隙为光滑表面时的缝隙宽度，并将此宽度作为基准宽度；

步骤2：对缝隙基准宽度进行修正，方法为：

(1)修正底喷粉元件缝隙表面的粗糙度系数：在熔池深度一定时，不考虑缝隙表面的宏观形貌，调整底喷粉元件缝隙的宽度，将刚好不发生钢液渗漏时采集到的缝隙宽度与缝隙的基准宽度的比值作为修正后的底喷粉元件缝隙表面的粗糙度系数；

(2)修正喷粉原件缝隙表面的宏观形貌系数，所述的宏观形貌是指：底喷粉元件缝隙表面存在的毫米尺寸的凹陷、突起，包括四角柱的突起、台形的突起、半球状的突起、半球状的凹陷、圆柱状的突起等一切毫米尺寸上的表面形貌；

以缝隙基准长度为分母，基准长度与沿长度方向上相邻两宏观形貌之间距离总长度的差值为分子，上述分子与分母的比值作为喷粉原件缝隙表面的宏观形貌系数，所述的基准长度是指：以缝隙基准宽度的5～1000倍计算出的缝隙的长度；

(3)利用(1)和(2)的结果，计算底喷粉元件缝隙的实际宽度；

步骤3：计算喷粉元件缝隙的实际长度：为底喷粉元件缝隙的实际宽度的5～1000倍。

本发明的优点：(1)本发明求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法率先以光滑表面缝隙宽度为基准宽度，修正了钢包底喷粉元件缝隙表面粗糙度和表面宏观形貌的影响，提出了求取包含表面粗糙度和表面宏观形貌影响在内的钢包底喷粉原件缝隙长宽的方法；(2)本发明求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法以实际缝隙宽度为基准，提出了求取钢包底喷粉元件缝隙长度的方法；(3)本发明求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法指导制备的钢包底喷粉元件安全可靠、无渗漏、无堵塞，可满足钢包底喷粉精炼新工艺的需求，是解决钢包底喷粉精炼新工艺技术的难题的关键。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法流程图；

图2为本发明的一种实施方式液膜弯曲面受力分析示意图；

图3为本发明的一种实施方式界面接触液膜受力分析示意图；

图4为本发明的一种实施方式表面微观粗糙度对接触角的影响示意图，其中，(a)为理想表面润湿；(b)为阻塞润湿；(c)为Wenzel模型润湿；(d)为Cassie-Baxter模型润湿；

图5为本发明的一种实施方式缝隙表面为半球状的凹陷宏观形貌示意图；

图6为本发明的一种实施方式由金属熔池、缝隙式钢包底喷粉元件和测量装置组成的系统示意图；

图7为本发明的一种实施方式实验装置结构示意图；

图8为本发明的一种实施方式实验测得熔池深度与缝隙安全宽度关系示意图；

图9为本发明的一种实施方式钢包熔池深度与缝隙安全宽度关系示意图；

图10为本发明的一种实施方式钢液渗漏计算结果与实验对比示意图，其中，(a)为钢液渗漏速度随时间变化图；(b)钢液渗漏深度随时间变化图；

图中，1、钢液；2、透气砖；3、液膜；4、喷粉元件缝隙；5、喷粉元件缝隙壁；6、缝隙式钢包底喷粉元件；7、半圆形透气砖；8、定厚度薄片电极；9、钢包；10、测量电路；11、直流稳压电源；12、保护电阻；13、数据处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细的说明。

本实施方式中给出一种求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法，流程如图1所示。该流程开始于步骤101。在步骤102，设定钢液与空气的接触界面为液膜弯曲面。该液膜弯曲面满足受力平衡条件，如图2所示，即钢液静压力、炉内气体压力之和与钢液界面附加压力、缝隙内残余压力之和相等，满足如下公式：

P₀+ρgH＝P_ad+P    (2)

式中，P₀为炉内气体压力(Pa)；P为缝隙内残余压力(Pa)；P_ad液膜弯曲产生的附加压力(Pa)。

传统方式，对于液膜弯曲面满足受力平衡，只考虑了钢液静压力与液膜弯曲产生的附加压力，默认此时的炉内气体压力与缝隙内残余压力相等。而本实施方式考虑了钢液静压力与缝隙内残余压力不相等情况下的受力平衡(如公式(2)所示)。确定在底喷粉原件表面为光滑的情况下底喷粉原件缝隙的宽度：首先由Young-Laplace方程确定钢液界面附加压力P_ad，公式如下：

$P_{\mathrm{ad}}=-\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\δ}}(1+\frac{\mathrm{\δ}}{B})---\left(2\right)$

式中，δ为底喷粉元件缝隙的宽度；B为缝隙长度(m)。

利用公式(2)计算底喷粉元件缝隙的宽度δ，公式如下：

$\mathrm{\δ}=-\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{lv}}[\cos \mathrm{\θ}-({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sv}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sl}})/{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{lv}}]}{P_0+\mathrm{\ρgH}-P}\·(1+\frac{\mathrm{\δ}}{B})---\left(3\right)$

式中，σ_lv为液气界面表面张力；σ_sv为气固界面表面张力；σ_sl为液固界面表面张力。

由于气固界面表面张力σ_sv与液固界面表面张力σ_sl的大小相近，其受力关系如图3所示，在这里近似为二者相等，则公式(3)可化简为以下形式：

$\mathrm{\δ}=-\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{P_0+\mathrm{\ρgH}-P}\·(1+\frac{\mathrm{\δ}}{B})---\left(4\right)$

将利用公式(4)计算出的钢包底喷粉原件的缝隙宽度作为基准宽度。本实施方式中，采用100kg感应炉，熔池深度为0.5m，钢液表面张力为1.5N/m，钢液密度为7200kg/m³，炉内气体压力和缝隙内残余压力相等，钢液与喷粉元件接触角为150°，缝隙长度是缝隙宽度的100倍以上，因此忽略

按照表达式(4)初步设计缝隙宽度为0.076mm。

在步骤103，在实际生产过程中，钢包底喷粉元件表面并非为光滑的，而是粗糙的，甚至表面还会存在一定的凹陷和突起。因此，在考虑钢包底喷粉元件表面微观形貌特征和宏观形貌特征的基础上，对公式(4)进行修正，得到钢包底喷粉原件表面不光滑状态下，钢包底喷粉原件的缝隙宽度，公式如下：

$\mathrm{\δ}=-\frac{2\mathrm{\σ}(k_1\cos \mathrm{\θ}-d_1)}{P_0+\mathrm{\ρgH}-P}\·(1+\frac{\mathrm{\δ}}{B})---\left(5\right)$

式中，k₁为修正的粗糙度系数，d₁为宏观形貌系数。

(1)当k₁＝1表示钢包底喷粉原件表面光滑，即公式(5)中的cosθ前的系数为1。但由于缝隙表面微观粗糙度导致钢液与喷粉元件之间的表观接触角发生改变，会发生Wenzel模型润湿、Cassie-Baxter模型润湿、阻塞润湿以及包含三种情况的混合润湿，如图4所示，此时k₁与缝隙表面粗糙度系数、润湿模式有关，将不再取1，在数值上与缝隙表面粗糙度系数相近，但考虑润湿模式的影响，需要对粗糙度系数进行修正：本实施方式中，采用实验的方法对粗糙度系数进行修正：在熔池深度一定的前提下，不考虑缝隙表面的宏观形貌(即d₁＝0)，不断扩大缝隙宽度，直到满足刚好不发生渗漏时，测量此时的缝隙宽度，此时缝隙宽度与缝隙的基础宽度的比值即为k₁，称为修正的粗糙度系数。

(2)缝隙表面宏观形貌对液膜形貌会产生影响，导致附加压力增大，对喷粉元件缝隙表面的宏观形貌系数进行修正，如图5所示，本实施方式中的宏观形貌是指半球状凹陷，则令分母为缝隙基准长度B，分子为基准长度B与沿长度方向上相邻两宏观形貌之间距离总长度的距离B′之差，计算上述分子与分母的比值作为修正后宏观形貌系数，公式如下：

$\mathrm{\δ}=-\frac{2\mathrm{\σ}(\cos \mathrm{\θ}-\frac{B-B^{\′}}{B})}{P_0+\mathrm{\ρgH}-P}\·(1+\frac{\mathrm{\δ}}{B})---\left(6\right)$

且有 $d_1=\frac{B-B^{\′}}{B}.$

(3)利用(1)和(2)的结果，计算底喷粉元件缝隙的实际宽度，公式如下：

$\mathrm{\δ}=-\frac{2\mathrm{\σ}(k_1\cos \mathrm{\θ}-d_1)}{P_0+\mathrm{\ρgH}-P}\·(1+\frac{\mathrm{\δ}}{B})$

在步骤104，计算喷粉元件缝隙的长度，公式为：

B＝(5～1000)×δ                (7)

由公式(7)可知，底喷粉元件缝隙的长度为宽度的5～1000倍。

本实施方式通过增加缝隙式喷粉元件表面微观粗糙度和表面宏观形貌的方法来防止钢液渗漏。根据本实施例中采用的喷粉元件表面形貌特征，设计缝隙宽度为0.12mm，缝隙长度为15mm。

钢包底喷粉元件的缝隙为喷粉元件的核心部件，根据缝隙的长度即可制备喷粉元件整体。制备喷粉元件整体可采用传统制备方法：缝隙式喷粉元件呈圆台状，其外部包有金属壳，在金属壳内部填充有耐火材料，缝隙均匀布置在耐火材料当中，且贯穿耐火材料。通过本实施方式所计算出的底喷粉元件的缝隙宽度即为临界的安全宽度。

本实施方式中，采用下列的方法来验证所计算的缝隙宽度即为临界的安全宽度，过程如下：

步骤1：选取密度、表面张力、粘度等物性参数与钢液相近的金属作为模拟金属，并测定模拟金属与喷粉元件之间的接触角。

本实施方式中采用低熔点Wood合金(熔点70～72℃)作为模拟金属，几种金属的物性参数对照如表1所示：

表1为几种液体物性参数比较

步骤2：将金属熔池、缝隙式钢包底喷粉元件和测量装置组成的系统(如图7所示)在实验室中用模型进行模拟。根据相似原理，建立上述系统与上述模型之间的几何相似和动力学相似关系。几何相似主要保证上述系统中喷粉元件缝隙的宽度和长度的几何尺寸与模型模拟的喷粉元件缝隙宽度和长度的几何尺寸成比例，动力学相似主要保证静压力与附加压力比值为常数即可。通过几何相似，计算模型模拟的喷粉元件缝隙的宽度和长度，通过动力学相似，计算模型模拟的钢包熔池深度，公式如下：

式中，ξ-为常数，表示表面张力与金属液静压力的比值。

步骤3：利用步骤1和步骤2计算的参数组装实验装置。实验装置主要包括钢包9、缝隙式钢包底喷粉元件6、定厚度薄片电极8和测量电路10。如图6所示。缝隙式钢包底喷粉元件6包括半圆形透气砖7和喷粉元件缝隙4，喷粉元件缝隙4由两块半圆形透气砖7和两片定厚度薄片电极8围绕而成，半圆形透气砖7相对放置，定厚度薄片电极8置于一对半圆形透气砖7之间；缝隙式钢包底喷粉元件6安装在钢包9底部，两个定厚度薄片电极8之间的宽度取15mm，定厚度薄片电极8距半圆形透气砖7顶部2～3mm，下端分别与测量电路10两端相连接，测量电路10由直流稳压电源11、电流表A、保护电阻12和数据处理器13(本实施方式中采用LY-51S试验箱)组成，数据处理器13(即LY-51S试验箱)与一对定厚度薄片电极8并联接入电路，电流表A和保护电阻12串联接入电路干路。

测量钢液渗漏深度与电信号之间的关系：钢液未渗入缝隙，定厚度薄片电极间电阻很大，电路近似处于断路状态，当钢液渗入缝隙，电极间电阻减小，采集到电极间电压信号，随钢液渗入深度的增加，电极间电阻发生连续变化，采集电极间电压信号的连续变化，来实现对钢液渗漏深度的定量测量。

步骤4：验证喷粉元件缝隙宽度的安全性。选定钢包熔池深度，将钢包熔池置于高于金属熔点的恒温环境当中保温，接通电路，待金属完全融化后计时，按照喷粉元件缝隙安全性判定标准判定缝隙的安全性。

一定熔池深度下，喷粉元件缝隙安全性判定标准是这样的：待金属完全熔化后开始计时，若t时间内无钢液渗入缝隙，则认为缝隙在该熔池深度下设计是安全的，若t时间内有钢液渗入缝隙，则认为缝隙在该熔池深度下设计会导致放生钢液渗漏，t的范围为10～60min。

若喷粉元件缝隙在该熔池深度下设计是安全的，执行步骤6；

若喷粉元件缝隙在该熔池深度下设计导致钢液渗漏，执行步骤5；

步骤5：记录t时间内，LY-51S试验箱数据的变化

若t时间内，钢液渗漏深度h小于临界渗漏深度h_c，执行步骤6；

若t时间内，钢液渗漏深度h大于等于临界渗漏深度h_c，减小缝隙宽度，并执行步骤4；

步骤6：根据上述参数，按照该喷粉元件制备方法成批制备喷粉元件。

图8为实验测得缝隙安全宽度随熔池深度的变化关系，图上给出了前人计算结果、采用表达式(4)计算结果和实验结果的对比，可以看出，前人计算将缝隙当作圆孔处理，导致计算结果偏大，采用计算公式(4)是将喷粉元件表面视为理想表面，没有考虑缝隙表面微观粗糙度和宏观形貌，导致了计算结果偏小，因此，采用公式(5)计算缝隙的安全宽度是合理的。本实施方式所采用的实验条件，计算的修正系数k₁＝1.5～1.8，d₁很小，可以忽略。

图9为通过表达式(8)换算后，钢包熔池深度与缝隙安全宽度之间的关系，在钢包熔池深度为0.5m，透气砖表面有一定的粗糙度时，透气砖缝隙宽度设计在0.1～0.15m之间是安全合理的，建议设计缝隙宽度0.13mm。

图10为采用本实施方式提出的缝隙式钢包底喷粉元件钢液渗漏速度和渗漏深度计算方法的计算结果，图10(a)为计算的钢液渗漏速度随时间的变化，从图上可以看出，钢液发生渗漏时，初始速度相对很大，经过很短一段时间，速度迅速减小，随着时间延长，速度逐渐趋于零，钢液渗漏达到稳态。图10(b)为钢液渗漏深度对时间的变化关系，并对缝隙宽度0.12mm、熔池深度0.04m模拟熔池金属液渗漏深度随时间变化进行了实验验证。从图上可以看出，计算结果与实验数据在趋势上基本吻合，钢液从发生渗漏到达到稳定渗漏深度的计算时间为100～150s，与实验测得的150～180s基本吻合。该计算方法可以用于估算钢液渗漏深度随时间变化。

以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法，用于获得钢包底喷粉缝隙的长度及宽度，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：计算底喷粉元件缝隙为光滑表面时的缝隙宽度，并将此宽度作为基准宽度，方法为：设定钢液与空气的接触界面为液膜弯曲面，该液面满足：钢液静压力、炉内气体压力之和与钢液界面附加压力、缝隙内残余压力之和相等；根据钢液界面附加压力，计算缝隙的基准宽度；

步骤2：对缝隙基准宽度进行修正，方法为：

(1)修正底喷粉元件缝隙表面的粗糙度系数：在熔池深度一定时，调整底喷粉元件缝隙的宽度，将刚好不发生钢液渗漏时采集到的缝隙宽度与缝隙的基准宽度的比值作为修正后的底喷粉元件缝隙表面的粗糙度系数；

(2)修正喷粉原件缝隙表面的宏观形貌系数，所述的宏观形貌是指：底喷粉元件缝隙表面存在的毫米尺寸的凹陷、突起；

以缝隙基准长度为分母，以基准长度与沿长度方向上相邻两宏观形貌之间距离总长度的差值为分子，上述分子与分母的比值作为喷粉原件缝隙表面的宏观形貌系数，所述的基准长度是指：以缝隙基准宽度的5～1000倍计算出的缝隙的长度；

(3)利用(1)和(2)的结果，计算底喷粉元件缝隙的实际宽度；

步骤3：计算喷粉元件缝隙的实际长度：为底喷粉元件缝隙的实际宽度的5～1000倍。

2.根据权利要求1所述的求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法，其特征在于：所述的毫米尺寸的凹陷、突起包括四角柱的突起、台形的突起、半球状的突起、半球状的凹陷、圆柱状的突起。

3.根据权利要求1所述的求取钢包底喷粉元件缝隙长宽的方法，其特征在于：所述的缝隙的水平横截面为圆形，或者为矩形。

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