冶金熔池攪拌是為促進金屬熔池的傳質和傳熱過程並使金屬液成分和溫度均勻化而施加某種力以加強熔池流動的操作。攪拌作用的強弱和效果常常用熔體成分或溫度的均勻程度及達到規定均勻程度所需時間來衡量。
基本介紹
- 中文名：冶金熔池攪拌
- 外文名：metal bath stirring
- 學科：冶金工程
- 作用：促進金屬熔池的傳質和傳熱過程
- 衡量指標：熔體成分或溫度的均勻程度
- 常用方法：機械攪拌、電磁攪拌等
介紹,攪拌方式與原理,自然對流攪拌,機械攪拌,電磁攪拌,氣體攪拌,熔池攪拌研究方法,
介紹
冶金過程中，熔渣、氣體和金屬液的反應速率、固體料（廢鋼或鐵合金）熔化的快慢及金屬液中成分的均勻程度等無不與熔池攪拌強度有關。攪拌對於煉鋼過程的重要性，早就為人所了解，然而，把液體攪拌作為一種獨立的單元操作加以研究，卻是20世紀70年代後期的事。
平爐煉鋼要求有足夠大的脫碳速率，電弧爐煉鋼配料中要求有一定的脫碳量，都是為了保證在冶煉過程對熔池有足夠攪拌能力。然而只是廣泛套用電磁攪拌和吹惰性氣體攪拌以後，熔池攪拌才真正成為可控制的、能定量計算的獨立操作。熔池攪拌在冶金過程中的作用主要是提高熔池的傳熱、傳質和冶金反應速率，從而促進渣與金屬混合，加快固體料熔化，縮短冶煉時間，加速有害元素的去除，最終達到提高產品質量和生產率。然而熔池攪拌過強也會帶來不良效果，如爐襯壽命降低，熔池噴濺或溢出嚴重，冶煉操作與控制發生困難等。
攪拌方式與原理
熔池攪拌的方式很多，可以歸納為自然對流攪拌、人力攪拌、鋼流衝擊攪拌、機械攪拌、電磁攪拌和氣體攪拌等6種。由於冶金是高溫作業，最常用和最有效的攪拌方式是電磁攪拌和氣體攪拌兩種。有些冶金操作也套用機械攪拌。
自然對流攪拌
由於冶金熔體與環境間有很大溫度差，使得熔體記憶體在一定的溫度差和密度差，在密度差產生的體積力作用下，熔體產生自然對流流動而起到攪拌作用。
機械攪拌
旋轉插入熔體中的攪拌器或振動盛液態鋼（鐵）的容器使熔體攪拌混合的操作。在熔池中旋轉攪拌器的方法是60年代末70年代初發展起來的。它比迴轉爐法、搖爐法和搖包法，具有設備簡單、攪拌效果較好等優點，在鐵水預處理中得到一定程度套用。中國武漢鋼鐵公司用KR法進行鐵水脫硫過程可將鐵水中的硫從0.05%降到0.002%，其攪拌方式即為機械攪拌（圖1）。
電磁攪拌
當在盛有熔融金屬的容器外面的線圈中通過電流時或感應電流直接通過金屬熔池時，會感生一個電磁力場，熔體在力場作用下產生流動和攪拌。研究電磁場與流體流動之間相互關係的科學，稱為電磁流體力學。感應爐熔鍊金屬產生的攪動，電弧爐中電流從金屬熔池中通過產生的感生運動攪拌以及電渣重熔過程中引起的渣、金屬攪動現象等都屬電磁攪拌。線圈式電磁攪拌的電磁力計算式為F=式中，P為爐料吸收功率，W；f為電流頻率，Hz；K為與鋼液電阻和熔池側面積有關的常數。電磁攪拌的優點是容易控制鋼液流動的方向和攪拌功率的大小。電磁攪拌器攪拌鋼鐵熔體的技術（圖2）已在鋼鐵冶金工藝特別是爐外精煉和連續鑄鋼等方面得到廣泛的套用。採用電磁攪拌技術後，電弧爐煉鋼還原期的終含氧量比無攪拌時降低50%，爐外精煉脫硫只需3～5min就可達到無攪拌情況下30～60min的效果。
氣體攪拌
向熔池中噴吹氣體直接進行攪拌或靠熔池內部反應產生的氣泡上浮達到攪拌目的。噴射氣體攪拌可分為下列幾種情況：（1）熔體頂面上的衝擊射流攪拌，如氧氣頂吹轉爐煉鋼法、頂底復吹轉爐煉鋼法、VOD法精煉爐等頂吹氧氣的情況，有關實驗數據表明頂吹（氧氣）氣流初始能量約有20%消耗於熔池攪拌，5%～10%用於克服浮力，70%～80%消耗於非彈性衝擊的損失；（2）熔體表面處的水平（或傾斜）射流攪拌，如側吹轉爐；（3）水平浸沒噴氣攪拌如AOD爐；（4）頂端插入式噴射攪拌，如鐵水預處理中噴粉脫硫、脫磷等工藝；（5）從熔池底部吹入惰性氣體或氧氣對熔池進行攪拌。當第（4）種頂部插入深度很深時，和底部噴吹攪拌在實質上是相同的。底部噴吹氣體引起攪拌的原因，在套用底吹氣體攪拌的初期，曾經認為是射流動能或黏滯力驅動。隨著對氣體攪拌的研究，關於氣泡大小和數量、氣泡浮力等的認識更加深入了。1980年中國蕭澤強提出用全浮力模型說明噴吹氣體的攪拌作用，已被國際冶金學者所公認。全浮力模型認為，吹入的氣體在鋼液內形成一個向上擴張的氣泡柱區，由於氣泡密度比鋼液小得多而產生浮力，向上浮的氣泡將周圍鋼液抽引到氣泡柱中一同上浮，到達頂部後被排向四周，從而引起鋼液在反應器的循環流動並達到混合均勻（圖3）。
鋼液內[C]和[O]反應生成CO氣泡引起熔池沸騰，是另一種類型的氣體攪拌。CO氣泡在爐底耐火材料的空隙中生成，也可在上部爐壁的耐火材料的空隙中生成，很難準確定量計算CO氣體攪拌的功率。然而可以確認其攪拌功率隨脫碳速率增大而增大。在平爐和電爐中，熔池的脫碳沸騰對加速傳熱傳氧和去除氣體和夾雜物有重要作用。轉爐中脫碳速率大得多，CO氣體攪拌的作用遠遠超過頂吹射流的攪拌作用。表1給出各種冶煉工藝的攪拌方式及其效果的大致情況。
熔池攪拌研究方法
對高溫熔池進行直接測量與觀察都是比較困難的。研究高溫熔池攪拌下熔體中各種行為的主要方法有數學模型法、物理模擬法以及工業性實測法。工業性實測法是在工業性生產過程中對熔池攪拌過程中的某些指標或熔體行為進行直接測量與觀察的方法。由於缺乏有效的檢測手段，使得這一方法的採用受到很大限制。主要採用的方法有：通過測定渣中FeO等氧化物含量，定性確定熔池攪拌強弱；通過加入某種溶質元素並取樣分析其含量來獲得熔池均勻混合時間；採用加入放射性示蹤劑的方法取得熔體中的流場分布等。
