在传统的转炉底吹生产中，除了总气流量有变化外，各风口的吹气流量是相同的。由于钢水静压力和机械外力对风口的磨损，风口的进气流量受到限制。因此，在风口进气流量有限的生产实际中，塔塔钢铁公司研究了一种转炉底部各风口的进气流量不同的新的底吹搅拌方式。首先进行了转炉底部各风口不同进气流量的冷模型实验，分别进行了钢水混合及传质实验。然后进行了转炉底部各风口不同进气流量的炼钢转炉生产试验，并对试验结果进行了分析和讨论。

　　1 冷模型实验

　　1.1 物理模拟及混合实验

　　按比例制作了实验装置用于模拟新的底吹搅拌方式并测量混合时间。

　　新的底吹搅拌方式的风口设置和数量与传统方式相同，设置在炉底半径的58%处，风口有8个等角度布置。与塔塔公司工厂实际的转炉底部风口布置和数量相同。新的底吹搅拌方式进行了3种模式的实验，线型、V型和M型。线型的底部各风口不同进气流量搅拌方式，即底部8个风口被分成了低、中、高三个区域，在每次试验中，总进气流量按照1：1.5：2.5比例在三个区域间进行分配。V型和M型的底部各风口不同进气流量搅拌方式，在V型中，边部进气流量梯度较高，向中心逐渐减小;在M型中，进气流量梯度沿转炉交替升高和减小。不同的进气流量梯度会影响钢水的混合及钢水在转炉中的流动模式。

　　在混合实验中，从顶部氧枪向转炉内吹入1200lpm的氮气，同时也从底部风口向熔池内吹入氮气。顶部氧枪和底部风口的气流速率是预先设置好的，并保持不变。用50ml的2N KCl做示踪剂喷入熔池内，然后用电导探针测量熔池按时间变化的传导率值。每次实验的混合时间通过传导率和时间的对应图计算出来。将传导率变化值低于稳态值的5%时的时间定义为混合时间。

　　1.2传质实验

　　用油-水有机体模拟转炉炼钢过程中钢-渣界面的传质。水做为Ⅰ相，油做为Ⅱ相分别代表钢水和钢渣。通过试验，根据油的分布系数来确定最终使用的传质实验用油。示踪剂进入Ⅰ相或Ⅱ相的分布系数是指示踪剂从一相传递到另一相的传递程度和范围。该实验用示踪剂为苯甲酸。分布系数可以表示为示踪剂在Ⅱ相中搅拌后的浓度与示踪剂在Ⅰ相中搅拌后的浓度的比值。在选择传质有机体的典型实验中，将100ml的苯甲酸和100ml的油用电磁搅拌器充分混合45min后，苯甲酸在水中的最终浓度用来估算苯甲酸传递到油中的量。示踪剂的分布系数通过公式计算出来。通过上述实验确定了分布系数为1.165的水-2号机油作为传质实验用有机体。采用的传质有机体的密度指数(ρⅡ/ρⅠ)为0.84，粘度指数(ηⅡ/ηⅠ)为75.5。

　　在传质实验中，将2g/l的苯甲酸90l装入模型中，然后再缓慢装入18l的2号机油。 根据炼钢车间转炉渣钢比例及渣的厚度计算油及传质有机体的用量。从模型熔池顶部氧枪及底部风口喷入空气。分别从两个位置同时对Ⅱ相油进行取样，取样位置为液体表面的中心和距模型熔池壁110mm处(边部)。为了保证数据有代表性，取样每隔2min进行一次。每一次实验取样都选取同样的位置(即中心和边部)。随后对样品进行分析，用苯酚酞作指示剂，0.05N KOH作溶液的滴定法测定苯甲酸的体积含量。用来估算苯甲酸从Ⅰ相到Ⅱ相的传递情况。取样进行了20min~25min。假设两种流体充分混合后传质关系为一阶，那么传质速率常数可用一阶速率方程(公式1)来表示。

　　Ln(Ct-Ce/C0-Ce)=-kt (1)

　　式中，k为示踪剂从Ⅰ相到Ⅱ相的传质速率常数;Ce为示踪剂在Ⅰ相中的平衡浓度;Ct为示踪剂在Ⅱ相中的平衡浓度;C0为示踪剂在Ⅰ相中的初始浓度。

　　在本次实验中，Ce为1.246g/l。速率常数值由Ln(Ct-Ce/C0- Ce)与时间的拟合曲线来确定;每一条曲线的斜率即为传质速率常数k，k值越高表明示踪剂从Ⅰ相到Ⅱ相的传递强度越高。因此，新的底吹搅拌方式研究进行了k值的比较。

　　2 试验结果分析

　　2.1 各底吹风口不同流量的搅拌方式对熔池混合的影响

　　在混合实验中，对每一种模式的新搅拌方式都做了多次试验，每次试验都采用固定的气流速率(30lpm)。最后将之与传统的底吹方式进行比较。结果发现，V型和M型模式的新搅拌方式比传统搅拌方式的混合时间都有减少，但只减少了5%，而线型模式比传统方式的混合时间减少了30%。说明线型模式比V型和M型模式更好。因此，下面的试验都采用线型模式。

　　采用其他气流速率进行实验，也表现出混合时间减少的现象。在水模型实验中，混合时间减少了30%~35%。线型搅拌模式能引起熔池内的流动能量梯度，这会使熔池内整体钢水得到更好地搅拌，即钢水混合的更好。传统搅拌方式下，转炉底部各风口吹入的氩气流速率是相同的，这就象总能量平均地分布在各个虚拟单元中，虚拟单元是由各风口吹入气体所产生的气流柱周围的钢水。如果一个单元假设是由一个气流柱所产生的流体运动，那么单元间的钢水混合将依赖单元间涡流的产生。要想熔池内整体钢水进行混合，各个虚拟单元应该互相交叉运动。线型能量梯度穿过整个熔池能够使各单元间产生良好地相互运动，打破了各风口相同的气流速率形成的障碍。底吹各风口气流量不同的搅拌方式下，一个单元可以控制其他单元进行交换，从而提高整体钢水混合强度。

　　2.2 各底吹风口不同流量的搅拌方式对传质的影响

　　通过上述传质实验，分别估算了转炉底部各风口吹气流量相同和不同情况下的传质速率常数。在实验中为尽可能降低实验错误，分别在转炉的不同部位进行取样。从苯甲酸在水中的浓度随时间而变化可以看出，在传质过程中，苯甲酸的浓度随时间的变化而降低最后趋于平衡。苯甲酸从Ⅰ相传入Ⅱ相持续了约15min。将传统底吹方式的传质实验与新底吹方式的传质实验进行了对比。将实验点在图中画出并拟合成直线，该线的斜率即为传质速率常数。传质速率常数在新底吹方式下提高了30%。传质实验结果对混合实验结果具有决定作用，也可以说在新搅拌方式下由于熔池内流体动力提高，两相之间物质交换更加充分。

　　2.3 工厂试验

　　在工厂实际生产中，转炉底吹氩气时各风口的吹气量是相同的。为了进行各底吹风口不同流量的线型搅拌模式实验，将炉底风口分为低、中、高三个区域，吹气量按前述的比例1：1.5：2.5进行分配。如风口b、c、d的气流速率为0.4Nm3/min，风口a、a'的气流速率 为0.9Nm3/min，风口b'、c'、d'的气流速率为1Nm3/min。在试验中遵循以下原则：1)考虑钢水静压力及耐火材料的腐蚀，单个风口的气流速率保持在0.4Nm3/min~1Nm3/min之间;2)当每一炉次的吹气量完成70%后再进行不同流量吹气试验，PLC进行了相应的修改。在各风口相同流量下，总吹气量为1×8=8Nm3/min，在各风口不同流量下，总吹气量为0.9×2+0.4×3+1×3=6Nm3/min。也就是说在各风口不同流量方式下总吹气量低。3)每试验一炉，炉底风口的高低区域就转换一次，以避免转炉耐火材料某一部位首先出现磨损的情况。

　　为保证试验过程中风口质量稳定，要密切注意转炉的生产条件以及输气管线的负压。每炉次试验后，出钢时都要取样进行化学分析。分析出钢磷含量及转炉内的实际磷分配比。出钢磷指数和磷分配比指数分别用下面公式计算：

　　磷分配比指数=c×Lp，实际 (2)

　　出钢磷指数=b×%钢磷实际 (3)

　　式中b和c为常数，Lp，实际=(%P)渣/[%P]钢。式中(%P)为渣中的含量，[%P]为钢水中的磷含量。

　　为了研究底吹风口不同流量的线型搅拌模式在实际生产中的应用情况。收集了塔塔第2炼钢车间335炉线型搅拌模式的试验数据和500炉传统搅拌方式的数据进行对比分析。将相同生产条件下两种搅拌方式的脱磷程度进行了对比。在不考虑出钢温度范围、碱度、出钢磷含量、磷分配比等的情况下，对所有有效数据进行了分析。

　　将传统的风口相同流量搅拌方式和不同流量搅拌方式下出钢磷指数和磷分配比指数进行了比较。磷分配比指数提高了5%，出钢磷指数从0.017降到0.014。所有的不同流量搅拌方式的炉次都有明显的改善。另外，标准偏差分析表明，不同流量搅拌方式的数据分散程度低。从两种搅拌方式的磷分配比指数的炉数分布发现，不同流量搅拌方式的分布更好，有一个峰值转换，表现出更好地脱磷效果。还要指出的一点是不同流量搅拌方式比相同流量搅拌方式所需的总气流量少，可以减少25%的氩气量。

　　3 结论

　　新开发的不同流量底吹搅拌方式通过减小比例的物理模型混合实验和传质实验进行了研究。在实验条件下，底部各风口不同流量的新搅拌方式比传统的底部各风口相同流量的搅拌方式的混合时间减少了30%~35%;渣钢之间的传质速率提高了30%。工厂试验研究了新搅拌方式对转炉脱磷的影响。通过试验炉次的数量分布分析了出钢磷和磷分配比，新搅拌方式的脱磷效果好，底吹用气量少。