一种采用熔融聚乙二醇速冷测定转炉喷溅的方法
技术领域
本发明属于钢水喷溅模拟领域，尤其涉及一种采用熔融聚乙二醇速冷测定转炉喷溅的方法。
背景技术
超音速射流冲击转炉炼钢熔池的过程是一个复杂的高温过程，在具有高能量的气体射流作用下，转炉内熔融钢液会脱离母相形成转炉喷溅，转炉炉外喷溅的发生对转炉炼钢危害极大，一方面会增加钢铁料消耗，降低了转炉的吹炼效率，另一方面喷溅出的熔融钢水对周围环境的安全造成危害，严重的钢液喷溅甚至会危及转炉操作人员的生命，因此预测转炉的喷溅范围以及转炉的喷溅形态对于转炉的高效、安全吹炼以及溅渣护炉工艺优化具有重要意义。
由于吹炼现场是一个高达1600℃的高温环境，直接测量转炉喷口的喷溅钢液的数量和喷出的形态与范围非常困难，目前看来，国内外还没有直接测量真实吹炼中的炉外喷溅钢液的先例。广大科研工作者在相似原理的前提下借助水模型实验实现了对炉口喷溅量的定量统计，很好的预测了转炉喷溅的多少，然而对于从炉口喷溅而出的钢液形态以及喷溅的范围目前仍然无法有效获得，尤其是对喷溅的具体形态定量，目前还没有一个有效的测定方法，这严重阻碍了人们对转炉喷溅的进一步认知。
用水模拟钢液的另一个重要的缺陷在于水的动力粘度为0.001Pa·s，而转炉内的熔融钢液的动力粘度则为0.0056Pa·s，二者相差近一倍。因此寻找一种新的稳定安全的物质，确保其具有较低的熔点，并且具有跟熔融钢液更接近的粘度，则对于模拟转炉喷溅更为有效。
聚乙二醇(PEG)是一种高分子聚合物，化学式是HO(CH2CH2O)nH，无刺激性，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性，密度为1.27g/cm3，比水略大。具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接性。聚乙二醇系列产品从PEG-200到PEG-20000，各系列的物理性质也存在差异，其中，PEG-2000为一种常温下的白色固体物质，熔点为51±2℃，动力粘度为0.0050-0.0067Pa·s，该数值与熔融钢液的动力粘度非常接近。因此用熔融的PEG-2000比水更适合模拟钢液的流动特征。然而常温下的PEG-2000为固体形态，这对实验的操作环境提出了严峻的考验，如果能够保持一个高温的热水浴，使PEG-2000长时间处在熔融状态，则用PEG-2000代替钢液模拟其喷溅特征便成为了可能。但是，从炉外喷出的PEG-2000仍然具有相当热量，不能迅速凝固，对其直接收集可能会破坏其喷溅的原始形态，无法解析液滴状喷溅和手指状喷溅，乃至大面积态的喷溅分布特征。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种采用熔融聚乙二醇速冷测定转炉喷溅的方法，实现对转炉炉口喷溅的尺寸定量、重量定量以及分布范围定量模拟。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种采用熔融聚乙二醇速冷测定转炉喷溅的方法，包括以下步骤：
1)水浴升温：
热水浴槽内的水进行升温，通过测温仪记录水浴中的温度变化，使水浴的温度保持在80～90℃；
2)PEG-2000熔融：
随着水浴的温度升高，在热传导的作用下固态PEG-2000逐渐融化并转变为液态；
3)低温营造：
待熔融PEG-2000变为稳定液态后，将低温液氮输入低温液氮槽中，并保持低温液氮槽中低温液氮处于稳定状态；
4)喷吹：
开启氧枪，对转炉模型中的熔融态的PEG-2000进行喷吹，喷吹稳定后，停止吹气；
5)排氮：
喷吹结束后，停止输入液氮，并停止加热热水浴槽内的水，待稳定后排空液氮槽中的液氮；
6)采样统计：
统计从转炉模型的炉口喷射出并落入液氮槽中的凝固态PEG-2000，设置采样点沿低温液氮槽圆周方向设置采样点，并且采样点沿低温液氮槽径向设置若干个，分析不同采样点的PEG-2000形状，PEG-2000喷溅范围以及单位吹炼时间内PEG-2000的喷吹总重量。
一种采用熔融聚乙二醇速冷测定转炉喷溅的装置，包括热水浴槽、转炉模型、低温液氮槽、加热棒，低温液氮槽内放置有热水浴槽，热水浴槽内设置有转炉模型，转炉模型内盛装有PEG-2000，热水浴槽连接有加热棒。
还包括测温仪，测温仪用于检测热水浴槽内水的温度。
还包括液氮罐，液氮罐为低温液氮槽输送液氮，液氮罐上连接有流量控制阀。
所述的转炉模型设置在热水浴槽中间。
所述的低温液氮槽由实验支架支撑固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
PEG-2000在受到热水浴的热量后会融化成液态，此时便可进行转炉喷溅试验的模拟。将热水浴进行保温绝热处理后，连同转炉模型一同置于低温液氮槽中，吹炼过程中，从炉口喷溅出的熔融PEG-2000回落入液氮槽中，由于液氮槽中的温度极低，熔融PEG-2000会迅速冷凝成固体，并保持喷溅时的形状不变。本发明方法不仅可以精准的获得单位时间内从炉口喷溅出的液体数量，同时可以直观的考察整个喷溅结束后，熔融液体在低温槽底部的分布特征，包括每一个位置的分布数量以及对应的分布形状。这对于真实吹炼中分析氧枪-转炉的吹炼特征、炉壁侵蚀位置以及安全操作均具有重要的指导意义。
附图说明
图1是本发明的模拟转炉喷溅分布示意图。
图2是采用熔融聚乙二醇速冷测定转炉喷溅的装置示意图。
图3是实验流程图。
图中：1-氧枪 2-转炉模型 3-热水浴槽4-低温液氮槽 5-实验支架 6-加热棒 7-测温仪 8-液氮罐 9-流量控制阀 10-PEG-2000。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
见图2、图3，以某钢厂260吨转炉为原型，按照相似理论进行1：14比例缩放，建立测定转炉喷溅的装置，所涉及设备的具体尺寸见表1：
设备名称
具体尺寸
转炉模型
熔池直径0.44m，熔池深度0.13m，炉高0.8m
氧枪喷头
喷头数量6孔，喷头出口直径4.36mm：喷头喉部直径3.26mm
热水浴槽
直径0.6m，高度0.15m
低温液氮槽
直径1.5m，高度0.25m
定义氧枪喷头与熔池液面的垂直距离为氧枪枪位，则实验采用的喷吹枪位为0.15m对应实际吹炼枪位为2.2m，喷吹气体为压缩空气，吹气流量为80m3/h，对应实际吹氧量为55000Nm3/h。
具体测定步骤包括：
1)热水浴升温
开启热水浴槽用加热棒6，将热水浴槽3内的水进行升温，同时用测温仪7监测热水浴中的温度变化，加热过程的升温速率保持在5℃/min，随时调控加热过程，使热水浴中的温度恒定在80～90℃范围内。
2)PEG-2000熔融
随着热水浴中的温度升高，装入转炉内的固体PEG-2000逐渐融化，此时缓慢搅拌熔池避免局部温度过高。
3)低温营造
待熔融PEG-2000完全变为稳定液态后，开启流量控制阀9，将液氮罐8中的低温液氮缓慢的输入低温液氮槽4中，通过调控流量控制阀9保持低温液氮槽4的低温液氮处于稳定状态。
4)喷吹
后开启氧枪1，对转炉模型2中的熔融PEG-2000进行喷吹，稳定喷吹2～3分钟后停止吹气。
5)排氮
喷吹结束后，关闭流量控制阀9以及加热棒6，待稳定后排空液氮槽4中的液氮。
6)采样统计
统计从转炉模型2的炉口喷射出并落入液氮槽4中的凝固态PEG-2000，见图1，沿低温液氮槽圆周方向每隔15度确定一个采样点，沿低温液氮槽径向分测5圈，其中第1圈距离转炉中心线的径向距离为0.25m，第2圈距离转炉中心线的径向距离为0.3m，第3圈距离转炉中心线的径向距离为0.35m，第4圈距离转炉中心线的径向距离为0.4m，第5圈距离转炉中心线的径向距离为0.45m。
以各采样点为中心，取0.1cm的半径范围内的喷溅进行统计计算。对已经放空的低温液氮槽底部的喷溅进行收集，并按照尺寸进行分类统计，表2对各采样点的喷溅量进行了统计，表3统计了不同长度(按照最大长度计算)的喷溅分布。
分析表2数据，从径向分布看，从第1圈到第5圈，喷溅量迅速减小，第五圈的喷溅数量已经非常少了，这说明在真实吹炼下，该对应位置是相对安全的区域。从周向分布看，30°、90°、150°、210°、270°、330°这六个位置的喷溅量较多，结合实验例，此六个点恰好位于两相邻喷口的中心线处。这说明该位置的喷溅较为强烈，结合表3喷溅形态的统计，该位置所得的大尺寸喷溅液条的数量也较多。这一重要发现说明，在真实转炉吹炼中，转炉内壁的对应位置(两相邻喷口的中心线处)应该密切关注，尤其应该注意该位置的炉衬侵蚀，而对于溅渣护炉工艺，也应密切注意，此处溅渣量可能会较多，从而造成其他部位相对较少。表3的统计还可以发现：真实吹炼中的喷溅仍然以小尺度的液滴状形态为主，越是大尺寸的喷溅，其飞出炉外的可能性越小。
表2各采样点的喷溅量统计g/cm2min
采样点
第5层
第4层
第3层
第2层
第1层
0°
0.024
0.082
0.323
0.988
1.748
15°
0.022
0.073
0.3
0.878
1.65
30°
0.035
0.111
0.517
1.204
1.937
45°
0.011
0.082
0.282
0.85
1.679
60°
0.017
0.039
0.201
0.708
1.223
75°
0.01
0.081
0.282
0.85
1.54
90°
0.035
0.132
0.415
0.904
1.837
105°
0.012
0.073
0.307
0.878
1.66
120°
0.026
0.904
0.324
0.899
1.742
135°
0.019
0.074
0.31
0.874
1.685
150°
0.027
0.123
0.516
0.991
1.927
165°
0.013
0.081
0.284
0.86
1.674
180°
0.009
0.038
0.207
0.704
1.323
195°
0.001
0.088
0.28
0.851
1.779
210°
0.032
0.099
0.411
0.908
1.934
225°
0.022
0.072
0.302
0.871
1.625
240°
0.011
0.075
0.324
0.984
1.736
255°
0.027
0.076
0.307
0.872
1.677
270°
0.031
0.129
0.511
1.007
1.943
285°
0.022
0.081
0.28
0.855
1.68
300°
0.017
0.038
0.209
0.705
1.417
315°
0.012
0.088
0.282
0.852
1.572
330°
0.028
0.117
0.615
1.003
2.142
345°
0.022
0.073
0.304
0.879
1.621
360°
0.014
0.092
0.323
0.988
1.848
表3喷溅形态的统计(按照喷溅液条的最大长度统计)
尺寸
0-1cm
1-3cm
3-5cm
5-7cm
7-9cm
≥9cm
总重量
重量
86.33g
47.76g
40.18g
30.77g
16.47g
7.31g
228.82g
占比
37.7％
20.9％
17.6％
13.4％
7.2％
3.2％
100％
本发明将盛放PEG-2000的转炉模型2置于一个体积较大的热水浴槽3中，热水浴槽3通过电加热棒6保持高温状态，由传热机理可知，PEG-2000在受到热水浴的热量后会融化成液态，此时便可进行转炉喷溅试验的模拟。将热水浴进行保温绝热处理后，连同转炉一同置于一个低温液氮槽中，吹炼过程中，从炉口喷溅出的熔融PEG-2000会回落入液氮槽4中，由于低温液氮槽4中的温度极低，熔融PEG-2000会迅速冷凝成固体并保持形状不变。
常规方法测定的转炉喷溅只能测定其单位时间内喷出转炉炉口的液体重量，而对于喷出炉口的范围以及喷出炉口的具体形状无法有效获得。而本发明方法不仅可以精准的获得单位时间内从炉口喷溅出的液体数量，同时可以直观的考察整个喷溅结束后，熔融液体在低温液氮槽底部的分布特征，包括每一个关键位置的分布数量以及对应的分布形状。这对于真实吹炼中分析氧枪-转炉的吹炼特征、炉壁侵蚀位置以及安全操作范围均具有重要的指导意义。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：一种特种高纯硅铁提纯装置及方法
