CN109338037B - 获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，包括如下步骤：获取铁水罐条件、喷吹条件和介质条件；根据介质条件计算获得所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv；根据公式I＝Qv/W计算获得当前喷吹强度I，W为铁水装入量；根据铁水罐条件、喷吹条件及介质条件计算获得铁水罐罐壁附近熔池液面最大抬升高度HW，max及喷枪外壁附近熔池液面最大抬升高度HL，max；根据HW，max及HL，max判断是否引起铁水飞溅或溢流风险，若是，调整喷吹条件和/或介质条件，并依序进行后续步骤，直至铁水飞溅或溢流风险消除，此时的喷吹强度I即为安全喷吹强度。本发明可以实时反馈各种工况变动所带来的影响，显著降低以往不断试错产生的成本。

Description

获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法
技术领域
本发明属于铁水预处理技术领域，具体涉及一种获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法。
背景技术
采用浸入式喷枪往铁水熔池喷吹脱硫剂颗粒的铁水脱硫预处理工艺，它的气体喷吹强度一般表示为在单位时间内喷入单位质量金属熔池内的标准状态下的气体体积。合适气体喷吹强度范围的合理确定对于铁水脱硫工艺过程至关重要。气体喷吹强度过大，会增加金属喷溅和导致喷吹设备的强烈震动；金属喷溅一方面造成金属损失，另一方面可能危及现场设备和人身安全；喷吹设备的强烈震动，则会增加设备维护工作量、缩短设备服役期限。喷吹强度小，则会影响铁水预处理效率及效果。
目前，通常根据实际生产资料的统计数据并结合试错方式确定出合适的气体喷吹强度范围。然而，由于铁水罐罐形和尺寸、喷孔浸入深度、喷孔尺寸和数量、喷吹压力、喷吹时间、熔池液面上方自由空间高度、铁水罐是否加盖以及所使用的脱硫剂种类和组成等因素均会对合适的气体喷吹强度范围产生不同程度的影响。因此，上述统计数据的应用范围存在很大的局限性，当目标对象的工况参数与上述统计数据中数据集内的不一致时，现有的气体喷吹强度范围很可能不再适用于目标对象，从而造成试错成本的增加。此外，即便是已经通过试错获得当前稳定工况条件下合适的气体喷吹强度范围，由于生产条件或操作水平波动的影响，上述方法无法直接考察这些影响的方向与程度，只能通过不断的动态试错调整来适应这些变化，从而进一步增加试错成本，这也是上述方法局限性的另一方面。
发明内容
本发明实施例涉及一种获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明实施例涉及一种获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，包括如下步骤：
步骤一，获取铁水罐条件、喷吹条件和介质条件；
步骤二，根据所述介质条件计算获得所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv；
步骤三，根据公式I＝Qv/W计算获得当前喷吹强度I，其中，W为所述介质条件中的铁水装入量；
步骤四，根据所述铁水罐条件、所述喷吹条件及所述介质条件计算获得铁水罐罐壁附近熔池液面最大抬升高度HW，max及喷枪外壁附近熔池液面最大抬升高度HL，max；
步骤五，根据所述HW，max及HL，max判断是否引起铁水飞溅或溢流风险，若是，返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至铁水飞溅或溢流风险消除，此时的喷吹强度I即为当前工况条件下所对应的安全喷吹强度；若否，则当前的喷吹强度I为当前工况条件下所对应的安全喷吹强度。
作为实施例之一，所述铁水罐条件包括罐形、罐尺寸、是否加盖及熔池液面上方自由空间高度HF。
作为实施例之一，步骤五中，铁水罐加盖条件下，判断HW，max是否大于HF，若是，则返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至HW，max≤HF；
铁水罐未加盖条件下，若HW，max＞HF和HL，max＞HF·α中任一条件成立，则返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至HW，max≤HF且HL，max≤HF·α，其中，α为根据所述铁水罐条件确定的溢流系数。
作为实施例之一，所述α在1.1～1.3范围内取值。
作为实施例之一，所述喷吹条件包括喷孔浸入深度、喷孔尺寸、喷孔数量、喷吹压力及喷吹时间。
作为实施例之一，所述介质条件包括脱硫剂条件、载气条件及铁水条件，所述脱硫剂条件包括脱硫剂种类、脱硫剂组成和脱硫剂耗量，所述载气条件包括载气种类及载气耗量，所述铁水条件包括铁水成分、铁水温度和铁水装入量 W。
作为实施例之一，步骤二中，所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv采用如下公式计算：
Qv＝Qcg+Qpt+Qcr
其中，Qcg为载气流量，Qpt为脱硫剂在升温过程由于相变成为气体的流量， Qcr为脱硫剂在升温过程由于化学反应产生的净气体流量。
作为实施例之一，步骤四中，HW，max和HL，max的计算方法包括：根据铁水罐条件和喷吹条件，建立流体力学计算的计算域，将计算域离散化，根据铁水罐条件、喷吹条件和介质条件，进行边界条件和初始条件的设置，迭代求解直到计算过程收敛至设定迭代精度，输出整个计算域内的流场信息。
本发明实施例至少具有如下有益效果：
本发明提供的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，根据铁水脱硫工艺实际工况，将物理、化学反应理论准确地运用到喷吹进入金属熔池的实际气体量计算中，再结合流体力学理论和数值求解方法科学合理地获得实际工况下的喷吹气体流量，根据该喷吹气体流量判断是否会引起铁水飞溅或溢流，从而提供调节工艺参数的依据，获得喷吹气体的安全喷吹强度。因此，本发明可以实时反馈各种工况变动所带来的影响，显著降低以往不断试错产生的成本，还可为实际生产过程和工艺设计过程提供理论指导和可靠依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例一提供的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二提供的熔池液面最大抬升高度沿铁水罐径向分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1，本发明实施例提供一种获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，包括如下步骤：
步骤一，获取铁水罐条件、喷吹条件和介质条件；
步骤二，根据所述介质条件计算获得所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv；
步骤三，根据公式I＝Qv/W计算获得当前喷吹强度I，其中，W为所述介质条件中的铁水装入量；
步骤四，根据所述铁水罐条件、所述喷吹条件及所述介质条件计算获得铁水罐罐壁附近熔池液面最大抬升高度HW，max及喷枪外壁附近熔池液面最大抬升高度HL，max；
步骤五，根据所述HW，max及HL，max判断是否引起铁水飞溅或溢流风险，若是，返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至铁水飞溅或溢流风险消除，此时的喷吹强度I即为当前工况条件下所对应的安全喷吹强度；若否，则当前的喷吹强度I为当前工况条件下所对应的安全喷吹强度。
其中：
上述步骤一中，铁水罐条件包括罐形、罐尺寸、是否加盖及熔池液面上方自由空间高度HF；
上述步骤一中，喷吹条件包括喷孔浸入深度、喷孔尺寸、喷孔数量、喷吹压力及喷吹时间；
上述步骤一中，介质条件包括脱硫剂条件、载气条件及铁水条件，所述脱硫剂条件包括脱硫剂种类、脱硫剂组成和脱硫剂耗量，所述载气条件包括载气种类及载气耗量，所述铁水条件包括铁水成分、铁水温度和铁水装入量W；
上述步骤二中，所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv采用如下公式计算：
Qv＝Qcg+Qpt+Qcr
其中，Qcg为载气流量，Qpt为脱硫剂在升温过程由于相变成为气体的流量， Qcr为脱硫剂在升温过程由于化学反应产生的净气体流量。其中，Qpt和Qcr是本领域技术人员根据脱硫剂性质、铁水脱硫温度条件等工况容易计算获得的，此处不作详述。
上述步骤四中，HW，max和HL，max的计算方法包括：根据铁水罐条件和喷吹条件，建立流体力学计算的计算域，将计算域离散化，根据铁水罐条件、喷吹条件和介质条件，进行边界条件和初始条件的设置，迭代求解直到计算过程收敛至设定迭代精度，输出整个计算域内的流场信息。该计算过程是将流体力学的理论利用数值方法进行求解的一般过程，首先将流体对象所处的空间域离散成彼此关联的离散单元，如四面体和/或六面体单元，然后将物理对象所对应的边界条件和初始条件设置到各个单元所包含的节点上，最后借助合适的数值求解方法进行迭代求解，直到计算过程收敛到设定的迭代精度，这时可由各个离散单元的节点所存储的各种流动信息获得整个计算域内的流场信息，流动信息包括温度、压力、速度、气/液相界面位置等。基于该计算思路，本领域技术人员容易根据上述流动信息进行计算，此处不作赘述。
本实施例提供的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，根据铁水脱硫工艺实际工况，将物理、化学反应理论准确地运用到喷吹进入金属熔池的实际气体量计算中，再结合流体力学理论和数值求解方法科学合理地获得实际工况下的喷吹气体流量，根据该喷吹气体流量判断是否会引起铁水飞溅或溢流，从而提供调节工艺参数的依据，获得喷吹气体的安全喷吹强度。因此，本实施例可以实时反馈各种工况变动所带来的影响，显著降低以往不断试错产生的成本，还可为实际生产过程和工艺设计过程提供理论指导和可靠依据。
进一步优选地，上述步骤五中，对于是否引起铁水飞溅或溢流风险的判断，可以基于如下方式进行：
(1)铁水罐加盖条件下，判断HW，max是否大于HF，若是，则返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至HW，max≤ HF；
(2)铁水罐未加盖条件下，若HW，max＞HF和HL，max＞HF·α中任一条件成立，则返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至HW，max≤HF且HL，max≤HF·α，其中，α为根据所述铁水罐条件确定的溢流系数。该溢流系数为经验系数，可视铁水罐条件确定，本实施例中，该溢流系数α在1.1～1.3范围内取值；对于高瘦型的铁水罐取上限，对于矮胖型的铁水罐取下限。
实施例二
以下例举一具体实施例对上述获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法进行说明：
步骤一，给定铁水罐条件，其中，罐形为圆柱形，直径为3045mm，罐高 3605mm，熔池液面上方自由空间高度HF为1155mm，未加盖；
给定喷吹条件，其中，喷孔浸入深度1750mm，喷孔直径14mm，喷孔数量2个，喷孔出口前压力2.2bar，喷吹时间10min；
给定介质条件，脱硫剂为石灰粉料，CaO有效成分90％，CO2含量1％，单耗为5kg/t铁水，载气为N2，载气流量为1.2Nm3/min，铁水初始硫含量为350 ppm，铁水温度1350℃，铁水装入量120t，同时根据给定的脱硫剂、载气和铁水条件，查询它们的密度、黏度等物性参数。
步骤二，根据前述介质条件，进行物理、化学反应计算，获得所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv为1.5Nm3/min；
步骤三，将前述铁水装入量W和所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv代入公式I＝Qv/W，计算当前喷吹强度I，得到I为0.0125Nm3/(min·t铁水)；
步骤四，根据前述铁水罐条件、喷吹条件和介质条件，进行流体力学数值计算，可获得如图2所示熔池液面最大抬升高度沿铁水罐径向分布图，进而获得罐壁附近熔池液面最大抬升高度HW，max为56mm，喷枪壁面附近熔池液面最大抬升高度HL，max为392mm；
步骤五，根据铁水罐条件，溢流系数α取值为1.1，可以判断得知HW，max≤ HF且HL，max≤HF·α，因此，当前喷吹强度I＝0.0125Nm3/(min·t铁水)为安全喷吹强度Isec。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取铁水罐条件、喷吹条件和介质条件；
步骤二，根据所述介质条件计算获得所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv；所述介质条件包括脱硫剂条件、载气条件及铁水条件，所述脱硫剂条件包括脱硫剂种类、脱硫剂组成和脱硫剂耗量，所述载气条件包括载气种类及载气耗量，所述铁水条件包括铁水成分、铁水温度和铁水装入量W；
步骤三，根据公式I＝Qv/W计算获得当前喷吹强度I；
步骤四，根据所述铁水罐条件、所述喷吹条件及所述介质条件计算获得铁水罐罐壁附近熔池液面最大抬升高度HW，max及喷枪外壁附近熔池液面最大抬升高度HL，max；HW，max和HL，max的计算方法包括：根据铁水罐条件和喷吹条件，建立流体力学计算的计算域，将计算域离散化，根据铁水罐条件、喷吹条件和介质条件，进行边界条件和初始条件的设置，迭代求解直到计算过程收敛至设定迭代精度，输出整个计算域内的流场信息；
步骤五，根据所述HW，max及HL，max判断是否引起铁水飞溅或溢流风险，若是，返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至铁水飞溅或溢流风险消除，此时的喷吹强度I即为当前工况条件下所对应的安全喷吹强度；若否，则当前的喷吹强度I为当前工况条件下所对应的安全喷吹强度。
2.如权利要求1所述的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，其特征在于：所述铁水罐条件包括罐形、罐尺寸、是否加盖及熔池液面上方自由空间高度HF。
3.如权利要求2所述的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，其特征在于：步骤五中，铁水罐加盖条件下，判断HW，max是否大于HF，若是，则返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至HW，max≤HF；
铁水罐未加盖条件下，若HW，max＞HF和HL，max＞HF·α中任一条件成立，则返回步骤一中调整所述喷吹条件和/或所述介质条件，并依序进行后续步骤，直至HW，max≤HF且HL，max≤HF·α，其中，α为根据所述铁水罐条件确定的溢流系数。
4.如权利要求3所述的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，其特征在于：所述α在1.1～1.3范围内取值。
5.如权利要求1所述的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，其特征在于：所述喷吹条件包括喷孔浸入深度、喷孔尺寸、喷孔数量、喷吹压力及喷吹时间。
6.如权利要求1所述的获取铁水预处理喷吹气体的安全喷吹强度的方法，其特征在于，步骤二中，所需喷吹进入金属熔池的气体流量Qv采用如下公式计算：
Qv＝Qcg+Qpt+Qcr
其中，Qcg为载气流量，Qpt为脱硫剂在升温过程由于相变成为气体的流量，Qcr为脱硫剂在升温过程由于化学反应产生的净气体流量。
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