喷射冶金插入式喷枪喷口气流速度的选择及喷吹冷态试验
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[摘 要]本文阐述了喷射冶金与其他方法脱硫剂脱除硫（磷）效率的对比情况及主要影响因素，并重点就喷吹冶金方法中的高压喷吹与低压喷吹的界限划分及高压喷吹的优点进行相关理论计算公式的推演。最后将喷吹冷态试验中高、低压喷吹的结果进行了总结，并初步得出需要在热态试验中验算修正值的方法。
[关键词]冶金、喷吹、高压喷吹、低压喷吹、修正值
中图分类号：TF325.63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0002-02
1.确定喷射冶金效率的关键因素
实践证明，使用相同的脱硫（磷）剂，其脱硫（磷）率与方法的搅拌能力、粉剂的粒度等关系甚大。如使用CaC2脱硫剂时，KR法效率达90%以上，而喷吹法则为70-80%。喷吹Na2CO3和撒Na2CO3于铁水表面再用空气搅拌，前者脱磷效率比后者高10-20%[2]，脱磷能力喷吹法高于底部气泡法。
采用喷射冶金的理论根据是：在高温反应条件下，化学反应的速率不成问题，限制环节是传递屏障。
传递速率方程：F=A.
式中：F―物质流量
A―比表面积
D―扩散常数
―界面层厚度
―浓度梯度
上式中D、变化不是主要的，而粉末增加了A，搅拌减小了，促使反应加速。
提高喷出速度，则能提高气体动能亦即对熔池的搅拌能力，提高喷速同时亦可提高颗粒的动能，有利于颗粒突破界面进入液体中去，则提高了粉剂的利用率。从关系式中可以看出：
颗粒的临界直径d cr与颗粒速度V的平方呈反比，速度对于喷吹粒度极小的粉剂尤为重要。
2.高压喷吹与低压喷吹
2.1 高压喷吹
所谓高压喷吹，是指输粉气流在喷枪出口处的压力达到该处的临界压力，气流以临界速度（音速）喷出的喷吹。
设喷枪出口外界压力为P0
P0=PM+Pa （Kg/Cm2）
式中：PM 为金属液的静压力
PM=rh （Kg/Cm2）
r―金属液容重（Kg/Cm 3）
h―喷枪插入金属液深度（Cm）
Pa―为大气压力 （Kg/Cm2）
设P1为喷枪出口处的临界压力
则P1和P0有下列关系：
P1=
式中：：混合物的绝热指数;
、：混合物比热 Kcal/Kg.℃;
：载气等压热容 Kcal/Kg.℃;
：载气等容热容 Kcal/Kg.℃;
：系数;
：粉剂的平均比热 Kcal/Kg.℃;
：载气在混合物中所占的重量比;
：单位时间内气体的消耗量 Kg/S;
：单位时间内粉剂的消耗量 Kg/S;
：载气的密度 Kg/Nm3;
：气粉流的混合浓度 Kg/Nm3;
设喷粉罐至喷枪出口的压力损失为PR，喷粉罐处输粉气流的压力为PT
当PT ≥P1+PR=时，该系统则为高压喷吹系统。
高压喷吹喷枪出口处的流速：
式中：
V出 ：出口流速 m/s
g ：重力加速度 9.81m/s2
KCM：混合物的绝热指数
P出：喷口处的压力 Kg/m2
υCM：混合物工况比容 m3/Kg
2.2 低压喷吹
如果输粉气流在喷枪出口处的压力低于该处的临界压力，则属于低压喷吹，当气源压力低或喷吹工艺要求，亦有采用低压喷吹的情况。
低压喷吹喷枪出口速度
式中：
P0 ：外界压力 Kg/m2
P出：出口处压力 Kg/m2
2.3 高压喷吹的特点
（1）喷速大，在直筒型喷嘴下为最大速度，对熔池搅拌能力强，只要控制好供气强度（铁水喷吹一般供气强度为0.03～0.02Nm3/t.min），可在不造成喷溅的情况下（相同气量），提高载粉浓度（相同的输送速度），提高粉剂利用率，加速反应。即可以改善喷吹的各项指标。
（2）能保证喷吹过程的稳定性和喷口的畅通。低于临界压力时，铁水的波动使喷口处的压差P处于不稳定状态，可以搅乱整个系统不能稳定，即出现脉冲现象，甚至造成喷口或系统堵塞。高于临界压力的喷吹，流股不受外界P的干扰，因而能实现无脉冲的稳定喷吹。
（3）采用高压喷吹，可以在常压下进行冷态喷吹调试，喷吹参数调好后，进行热态使用时可确保参数不会变化，达到可控、无脉冲之目的，这对钢包喷粉来说具有特别重要的意义。
典型的高压喷吹装置如法国IRSID喷粉装置，向2～3米深的金属熔池喷粉时（其临界压力相当于3～4Kg/Cm2）喷枪口压力为5～7巴（5.1～7.1Kg/Cm2）粉料分配器出口输送压力为7～10巴（7.1～10.2Kg/Cm2）。
（4）日本则采用低压喷吹，在喷枪入口处设置回旋器，利用切线引入纯净气体，可以降低流股外层的含粉浓度并缓冲枪管压力的波动。
3.冷态试验
3.1 冷态试验的目的
喷射冶金中使用的喷粉装置，是以可压缩的流体（氩气、氮气、空气、氧气或其它气体）为载体，向熔池输送冶炼所需的各种粉剂。
喷吹要求在一定的时间一定的气体耗量下喷入一定量的粉剂，为此必须事先调试喷吹参数（各路气体的压力、流量），以满足不同特性粉剂的喷吹要求。
3.2 高压喷吹冷态试验
冷态试验一般在回收罐系统内进行，这样粉剂可以回收使用而不致浪费。
回收罐的环境压力可近似视为外界大气压力（视除尘方式而定，一般略高于外界大气压力），但肯定低于喷枪在金属熔池中出口处的外界压力。高压喷吹的特性是当喷口处压力高于临界压力时，喷口流股的流速与外界压力大小无关，冷态试验所取得的各项喷吹参数，可直接用于热态喷吹，不须模拟喷吹环境压力。
3.3 低压喷吹冷态试验
低压喷吹冷态试验必须模拟热态喷吹的外界压力，所以在回收罐上要安装压力调节装置，以模拟热态时的外界压力。
3.4 喷枪出口热态流速的修正值
冷态试验时，可测得流体流量，即可测得V出冷，按前面公式可计算出P出冷。
热态喷吹时，P0冷=P0热 ， P出冷=P出热， KCM 是标况计算值，在此视为常数，热态流股的流速需在V出冷基础上加一个修正值R ：
即 V出热= R ・V出冷
R
热态下喷口处流股的温度值设定准确与否，将决定热态流股在喷口流速的准确性，这是计算喷口直径的一个重要参数。
有条件时，在热态试验中采取措施直接测得喷口流股的温度，从而能准确计算出口流速，这对于整个喷吹系统的参数优化具有重大意义。
参考文献
[1] 《喷射冶金和炉外精炼》;
[2] 《冶金中的反应技术和热工技术》F・Oters;
[3] 备注：酒钢镁剂脱硫冷态试验的相关记录（出于保密方面的考虑，本文不提供冷态试验数据）。