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1、钢铁冶金研究所,第二章 炉外精炼的理论基础,2.5 喷吹,东北大学/战东平,3/32,主要内容,气力输送中粉粒的行为粉气流在管道输送中的流动特性粉气流中固体粉粒的运动速度,东北大学/战东平,4/32,喷射冶金通过载气将反应物料的固体粉粒吹入熔池深处，既可以加快物料的熔化和溶解，而且也大大增加了反应界面，同时还强烈搅拌熔池。从而加速了传输过程和反应速率。所以，喷射冶金是强化冶金过程提高精炼效果的重要方法。早在50年代，喷射冶金方法就曾被用来向铁水喷吹碳化钙、金属镁等材料，降低硫含量，但未受到重视。1969年，德国蒂森公司在平炉上试验成功喷吹CaC2的方法，并建成与270t平炉配套使用的喷吹设备。
2、我国1977年开始将喷射冶金列为钢铁企业重点推广技术，大多数钢铁企业先后建起了喷粉站。,东北大学/战东平,5/32,(1)固体粉粒流动的条件 流态化技术：在一般条件下固体粉粒不具备流动性。若要将粉粒喷入金属熔池深处，就必须使固体粉粒具有流体的性质。为此，要使粉粒能够稳定地悬浮在气体中，使之有可能随气体流动而流动。这种使固体粉粒获得流动能力的技术称为流态化技术。根据气流速度和粉粒状态的变化，可以将整个流态化过程划分为三种基本状态：固定床、流态化床和颗粒自由沉降。,2.5.1 气力输送中粉粒的行为,东北大学/战东平,6/32,流态化过程示意图,东北大学/战东平,7/32,固定床：当穿过粉粒层的气流
3、速度很小时，固体粉粒静止不动，气流由粉粒间的空隙流过。在流速增加至某一值之前，固体粉粒可能会改变彼此之间的相对位置，但彼此仍相互接触，粉粒层的厚度不变。,东北大学/战东平,8/32,流态化床：气流速度增大到某一值后，粉粒开始被气流托起，彼此的相对位置改变，床层的厚度开始增加，这时粉粒的状态进入流化床阶段。如果气流速度再继续提高，粉状的运动加剧，并自由地悬浮在气流中，甚至上下翻滚出现类似沸腾的现象。这种状态称为流化床。使粉粒进入流态化阶段的最小气流速度称为临界流态化速度。处在流化床状态下的固体粉粒具有流动性，在具有一定速度和方向的气流的作用下，粉粒可以随气流做一定速度和方向的流动。,东北大学/战
4、东平,9/32,颗粒自由沉降状态：如果气流的速度再继续增加，达到某一定值后，粉粒层中的粉粒不再做上下翻滚运动，而是呈完全的悬浮状态，做漂浮运动。如果垂直容器的器壁无限高，这时粉粒将随气流在容器内定内流动。如果容器壁的高度有限，粉粒床层的高度可以不断增加超过容器高度，从容器上部飘溢而出。使粉粒由容器内漂出的最低气流速度称为悬浮速度(或漂浮速度)。这一速度在数值上相当于单个粉粒在流体中的自由沉降速度。因此，这种状态称为颗粒自由沉降状态。,东北大学/战东平,10/32,气流流过粉粒床时，气体与粉粒表面之间由于有相对运动产生摩擦力，使气体流动受到阻碍，造成粉粒床下部的压力大于上部，即粉粒床的上下部之间
5、出现压差P。这种摩擦阻力和压力差随气流速度变大而变大。当气流速度继续增大，气体作用在粉粒上的力足以将它托起。即气流作用力等于粉粒的重力时，粉粒彼此之间脱离接触，粉粒床上下部之间的压力差不再随气流速度增加而变大。这种粉粒床上下之间的压差与气流速度之间的关系，可以用流态化曲线来描述。,(2)固体粉粒在流态化过程中的受力分析,东北大学/战东平,11/32,临界流态化速度,固定床,流态化床,理想流态化曲线,压差随气流速度升高而变大,速度增大至uD以后，压差不再随气流速度增加,流态化曲线表明：临界流化进度是使粉粒从固定床转入流化床的最低速度。这一速度的大小决定于气流粉粒的物理性质，即与气体、粉粒的种类与
6、粒度大小等有关。,东北大学/战东平,12/32,处于临界流态化速度时粉粒床上下部压力差PD的表示式:,s,此式表明：粉粒床层的压差是气体与粉粒之间的密度差、固定床的高度和粉粒床的空隙度的函数。,东北大学/战东平,13/32,流态化床中粉粒之间的空隙度可以用下式计算:,粉粒在流态化床中的空隙度，其定义如下：,粉粒床的体积,粉粒所占的体积,流化床中粉粒层的高度,固定床粉粒层的高度,固定床中粉粒间的空隙度,此式表明：当气流速度足够大，使流化床中粉粒层厚度远大于固定床的高度时，即HH0，式中右边第二项可以忽略不计，此时的空隙度趋近于1，粉粒床进入自由沉降状态。如前所述，粉粒进入自由沉降状态后就可以由容
7、器内飘溢而出。,东北大学/战东平,14/32,处于自由沉降速度的单个粉粒，其受力状态分析如下：,气流中直径ds的固体粉粒由静止状态开始自由降落，在开始的一段距离内其下降速度逐渐变大。随着速度加快，周围气流对粉粒运动的阻力Ps也随之增大。此外，因粉粒与气体介质重度之间的差别，粉力也同时受到因此而产生的浮力Fa的作用。最后粉粒受到的重力、阻力和浮力达到平衡，即：Ws-Fa=Ps 式中，Ws为粉粒受到的重力。这时气流中的粉粒将以相等的速度下降，这个速度就称为该粉粒的沉降速度vt。,东北大学/战东平,15/32,因此,东北大学/战东平,16/32,由于气流的重度远小于粉粒的重度，可以忽略不计，上式可以
8、简化为：,由上式可见粉粒的沉降速度与粉粒的种类和颗粒大小、气体的种类和运动状态有关。,东北大学/战东平,17/32,(1)粉气流的流动形式 在管道输送中，粉粒受许多力的作用：1）粉粒之间彼此碰撞产生的力；2）粉粒与管壁之间的摩擦力；3）气流的推力和重力等。尤其在管道的弯头、挡板和切换阀等处，气流分布不均匀，阻力大，粉粒流经这些地方之后能量损失很大。为了保证均匀地进行粉粒的气力输送，需要的气流速度远远大于自由沉降速度。实际观察表明，粉粒在管道中流动的状态随气流速度不同产生显著变化。在一般情况下，管道中粉粒的流动形式与气流中粉粒的数量(即粉气比)、气流速度、管道的直径与长度，以及粉粒的大小与形状等
9、因素有关。,2.5.2 粉气流在管道输送中的流动特性,东北大学/战东平,18/32,在其它条件相同时，粉气流的流动形式随气流速度的变化大致可分为以下几种：,悬浮流当气流速度足够大时，粉粒在气流中分布均匀，粉料输送均匀稳定。,底密流气流速度降低，粉粒在气流中的分布不均匀。在水平管道的横截面上，越靠近下部管壁粉粒的密度越大。,东北大学/战东平,19/32,疏密流气流速度再减小，粉粒的分布不仅在横截面上不均匀，在流动方向上的分布也不均匀，忽疏忽密，输送不均匀。,停滞流当气流速度小于某一值以后，一部分粉粒沉滞在管底以小于气流的速度向前滑动。在管道截面小的局部范围内，因为气流速度较大，在某一瞬间有可能使
10、沉滞的粉粒重新被吹走。粉气流呈不稳定流动，粉粒时而沉滞时而被吹动，进行不均匀的粉料输送。,东北大学/战东平,20/32,部分流气流速度继续下降，一部分粉粒沉积在管道的底部，仅在管内上部空间仍有粉气流通过。在沉积的粉粒层表面有部分粉粒在气流推动下不规则地向前移动。,柱塞流由于气流速度过低，粉气流中的粉粒沉积充满了局部管道的整个截面，造成继续地柱塞状流动。,东北大学/战东平,21/32,悬浮流动,集团流动,靠气流的动能推动,主要靠气体的压力能运动，并且出现不同程度的脉动状态,东北大学/战东平,22/32,合理的气流速度可以用下式估算：vjcvt式中：vj气流的合理速度；vt粉粒的自由沉降速度。c与
11、粉气比、输送管道特征有关的经验系数。可以按照生产实际选取经验系数，也可以参照下表选择。,（2）粉粒输送的合理的气流速度,东北大学/战东平,23/32,东北大学/战东平,24/32,在水平流动中，气流速度大小对粉粒的流动状态产生很大的影响，决定粉料输送是否均匀稳定。在垂直管道中，粉粒主要受气流向上的推力作用，当气流速度大于粉粒的沉降速度时，粉粒就能随气流向上运动。如前分析，粉粒受重力、气流的阻力和浮力同时作用。此外，粉粒还受由于粉粒之间相互摩擦与碰撞而产生的非垂直方向的力的作用。结果使粉粒的轨迹不是垂且地直线上升，而是不规则地相互交错时左时右地向上运动，从而也使粉粒在垂直管道中能够均匀地分布，这
12、种粉粒流动方式称为定常流或定流。,(3)粉气流在垂直管道中的流动,东北大学/战东平,25/32,在气力输送中，固体粉粒是靠气流的推力运动的。但是粉气流中粉粒与气流的运动速度并不一致。因为粉粒在气流中的受力状况极其复杂，不仅导致粉粒之间的速度彼此不同，而且粉粒的运动速度也比气流速度低。粉粒的瞬时速度很难计算，但是可以由理论上推算出粉粒的平均速度。,2.5.3 粉气流中固体粉粒的运动速度,东北大学/战东平,26/32,式中：vp粉粒的运动速度；vt粉粒的沉降速度；v0气流的流动速度；管壁的摩擦系数 管道的倾斜角。,下式是由粉粒在管道中做悬浮流动或集团流动时所受气流推力、管壁摩擦力和重力作用的关系推
13、导得来的，用于计算粉粒在水平或垂直向上流动，以及以较小倾角向下流动的速度。,东北大学/战东平,27/32,若知道气流的流速、粉粒的沉降速度和管壁的摩擦系数以及管道的倾角，就可以算出粉粒的平均流动速度。实际经验指出，在钢包喷吹硅钙粉的处理中，为保证喷粉正常进行，粉粒的流动速度应该大于15m/s。在钢包喷粉的生产实践中，仅仅考虑粉粒的沉降速度并不一定能消除喷吹过程中的脉动现象。为了获得均匀稳定的喷粉处理过程，除了考虑粉料的最低流动速度之外，还应该考虑粉气比和管道直径的影响。,东北大学/战东平,28/32,粉料的最小的流动速度可以用下式来计算：vmin=42.41/2D1/2式中：vmin 管道中粉
14、料的最低流动速度；粉气比；D输送管道的直径。,东北大学/战东平,29/32,质量粉气比（kg/kg）：GP/Gg式中粉气比，kg/kg；GP单位时间内通过输送管道有效断面的粉料质量，kg/h；Gg单位时间内通过输送管道有效断面的气体质量，kg/h。GggQg式中g载流气体的密度，kg/m3；Qg载流气体的流量，m3/h。,粉气比,东北大学/战东平,30/32,体积粉气比：M=GP/Qg式中 M体积粉气比，kg/m3；GP纯粉料的质量流量，kg/h；Gg纯载气的体积流量，m3/h。应该根据工艺操作和冶炼目的确定粉气比的大小。对于喷吹脱磷脱硫熔剂，一般粉气比为1530；喷吹脱氧或合金化粉剂，通常的粉气比达50120。,东北大学/战东平,31/32,用质量粉气比（）表示的粉气流平均密度如下式 均gP（1+）/（g+P）式中均粉气流的平均密度；P纯粉料的密度。kg/m3；g纯载气的密度。kg/m3；质量粉气比，kg/kg。,东北大学/战东平,32/32,谢谢大家！,
