1 已完成的设计研究工作及取得的成果
1.1 实验基本原理
氧气转炉炼钢过程中由于冶金现象比较复杂，属于高温、复杂的过程。金属熔池中的脱磷、脱硫、脱碳、炉渣碱度、渣中氧化铁含量、熔池温度、以及金属液成分等许多工艺参数都会影响冶金过程。现场研究比较困难。而这一复杂的冶金过程很难用数学模型表达清楚，因此采用水模实验，研究冶金反应过程是一种有效的方法。
水模实验属于物理模拟（Physical Modeling）实验。物理模拟是通过物理模型和借助于必要的测试手段对体系的过程进行观测的研究方法。物理模拟是根据相似原理建立物理模型，利用易于达到的实验条件模拟复杂的生产过程。 通常替代的方法是在缩小尺寸的采用模拟介质的模型上进行实验，最终结果转换到原型中。
在通常的转炉吹炼水模型中采用相似原理对模型的尺寸大小以及供气量等一系列数据进行计算。根据相似原理，通过建立物理模型来模拟实际情况下的吹炼过程。模拟计算时主要要考虑几何相似于动力学相似。因钢液质量较大，转炉水模型实验在保证几何相似的同时，应使得决定性准数相等。水模型实验中主要考虑惯性力和重力。又因复吹过程是气液两相流作用，因此相似准数采用修正的弗劳德准数进行计算。即：
经转换可以得到： ---------------------------------(1)
式中 u------原型气体速度，m/s； u1-----模型气体速度，m/s； d------原型熔池直径，m； d1-----模型熔池直径，m； ρl----原型钢水密度，kg/m3； ρl1---模型介质密度，kg/m3； ρg----原型出口氧气密度，kg/m3； ρg1---模型出口空气密度，kg/m3； QN------原型气体流量，m3/h； QN1-----模型气体流量，m3/h； g-------重力加速度，m/s2。
由此便可以通过该公式得到实验所需要的各种数据。
1.2 实验方法
实验所用的炉体模型通常使用有机玻璃制作，于实际转炉比例为1：6。用铜棒制成相应比例几何相似的拉瓦尔型顶枪喷头，采用压缩空气代替氮气作为顶吹和底吹气体。由于粘性力并非影响实验的主要因素，实验可以采用自来水（运动粘度0.9×10-5m2/s）代替钢液。一般观察流场为主的实验不模拟炉渣。若为测定喷溅量可用自来水直接代替炉渣。
在测定流场混匀时间时，使用饱和KCl作为示踪剂配合电导率仪进行流场混匀时间的测定。当函数记录仪显示电导率变化小于5%时，即电导率稳定时即为流场混匀。严格说来，在喷粉过程中粉剂的上浮也会对熔池产生搅拌作用，但与载气相比，粉剂的搅拌作用要小得多。因此，实验是喷粉枪只吹气的条件下进行的。具体原因将在计算部分详细叙述。
图一为该实验所使用的实验装置示意图，包括透明转炉模型、喷枪、喷枪升降支架、转子流量计、压力表、稳压罐、空压机、阀门、滤纸、溶液注入器、电导电极、电导仪、电子电位计等等。

图一、顶底复吹转炉模拟实验装置示意图
1.3实验参数的确定
1.3.1模型几何尺寸的确定
炉体和喷头的尺寸根据现场情况以1：6换算，其具体的尺寸如下图所示：

图二、实验用水模型炉体尺寸示意图 图三、实验用氧枪喷头尺寸示意图
试验对每支试验喷枪采用5种枪位进行试验，同样按1：6换算，它们分别为：
1400mm（模型采用233mm）
1500mm（模型采用250mm）
1600mm（模型采用267mm）（现场基本枪位）
1700mm（模型采用283mm）
1800mm（模型采用300mm）

（2）模型供气参数的确定
现场顶枪流量为18000Nm3/h，实验枪位根据式（1）进行计算：
----------------------------------------（1）
式中 u------原型气体速度，m/s； u1-----模型气体速度，m/s； d------原型熔池直径，m； d1-----模型熔池直径，m； ρl----原型钢水密度，kg/m3； ρl1---模型介质密度，kg/m3； ρg----原型出口氧气密度，kg/m3； ρg1---模型出口空气密度，kg/m3； QN------原型气体流量，m3/h； QN1-----模型气体流量，m3/h； g-------重力加速度，m/s2。
经过换算可以得到：

各介质密度取值如下：
表一、原型与模型中的介质密度
参数 液体种类 液体密度（kg/ m3） 气体种类 气体密度（kg/ m3）
原型 钢液 7000 氧气 1.43
模型 水 1000 空气 1.29
将上述数值代入上式即可得到模型的顶枪、侧枪以及底枪的流量如下表所示：
表二、原型与模型各部分流量对应值
参数 顶吹气体流量（N m3/ h） 侧吹气体流量（N m3/h） 底吹气体流量（N m3/ h）
原型 18000 80 120
模型 81.2 0.34 0.51
由于实际实验时发现底吹使用0.34 N m3/h流量进行实验时会发生倒灌，便用与底吹相同的流量0.51 N m3/h来近似代替。
1.3.2 实验布置方案
试验所用的底枪和侧枪按照现场的方式进行布置，如图一所示：

图四、水模型底枪和侧枪布置示意俯视图

如图所示，图中有两个内环，分别为0.4D和0.6D的位置，底枪按照现场布置分别位于0.4D于0.6D两个环与和耳轴成30度和60度的轴线的交点上。而侧枪也分别布置在相同轴线和炉壁的交点上，没个位置各有上下两个侧吹喷嘴，上部喷头位于30和60轴线液面处，下部喷头位于32度和62度轴线液面以下50mm处。
本次实验的顶枪喷头共使用5种喷头，分别为原五孔氧枪喷头，5度旋转喷头，8度旋转喷头，10度旋转喷头，13度旋转喷头。试验时，使用钢结构支架将其置于炉底正上方，根据试验方案的需要进行调整以得到不同的枪位。具体试验方案如下表：
表三、旋转喷头试验记录方案表
喷头一 0度旋转角（原现场五孔喷头）
水模流量 实际枪位 水模枪位 t1(s) t2(s) 平均(s) 冲击深度 冲击直径
76.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
81.2 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
85.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
喷头二 5度旋转角
水模流量 实际枪位 水模枪位 t1(s) t2(s) 平均(s) 冲击深度 冲击直径
76.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
81.2 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
85.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
喷头三 8度旋转角
水模流量 实际枪位 水模枪位 t1(s) t2(s) 平均(s) 冲击深度 冲击直径
76.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
81.2 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
85.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
喷头四 10度旋转角
水模流量 实际枪位 水模枪位 t1(s) t2(s) 平均(s) 冲击深度 冲击直径
76.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
81.2 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
85.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
喷头五 13度旋转角
水模流量 实际枪位 水模枪位 t1(s) t2(s) 平均(s) 冲击深度 冲击直径
76.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
81.2 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300
85.7 1400 233 1500 250 1600 267 1700 283 1800 300

1.3.3试验所需测量的参数及测量方法
（1）熔池混匀时间
对于转炉吹炼过程来说，混匀时间对于冶炼过程至关重要。混匀时间在一定程度上决定了钢液与氧气、合金剂以及造渣料等反应的速度。实验前事先在炉底钻孔，在不同位置放置两个电极。利用饱和KCl溶液作为示踪剂，每一炉次取100ml，实验开始时快速的将其倒入正在进行顶底复追的实验模型中，利用连接在电极上的电导率仪连续不间断的对熔池的某点进行电导率测定，使用函数记录仪进行记录，形成一条连续的曲线。每一炉次记录时间为2分钟，电导率采集时间间隔为1秒钟。实验结束后观察生成的电导率变化曲线，观察两个电极测得的电导率值，直到其电导率相差小于5%时，即为混匀结束的时刻，通过这种方法可以测定出流场的混匀时间。
（2）流场分布
不同的流场对于混匀时间以及所加入物料在混匀过程中的分布有很大影响。
本实验采用的方法是向流场中加入带颜色的示踪剂（墨汁），通过用肉眼观察示踪剂的扩散情况来判断流场的形状。与此同时使用数码相机进行录像记录，按不同炉次进行编号保存。
（3）冲击深度和冲击面积
由于转炉水模型为圆筒形，从外部观察会由于折射等原因造成误差甚至错误。因此本试验采用标尺目测法对冲击深度和冲击面积进行测量。具体方法是将实现准备好的带有刻度的测量工具（如焊接在钢管上的直尺）放入熔池中进行目测。
1.3.4实验全流程
（1）在正式实验之前，首先应将空压机打开，待压力达到预定数值时即可开始实验。在实验过程中需不断注意储气罐的压力值，如气压低于0.6MPa需停止实验，打开空压机待压力回升后，方可继续实验。
（2）将下水阀关闭，打开底吹气体，开始从上水口放水，直到液面到达预定位置。再关闭上水口。
（3）打开顶枪开始吹气，缓慢的不断将阀门开大，使顶吹流量到达方案预定值。
（4）打开微机上的函数记录仪配套软件，从模型耳轴处加入一定量的示踪剂，与此同时，按下软件上“开始记录”按钮，开始自动记录熔池内电导率的连续变化。
（5）待软件记录完成，生成熔池内某点的电导率连续变化曲线，观察曲线变化的趋势。取电导率稳定在5%以内的时刻为最终混匀时间并记录。
（6）由于熔池体积较大，在加入示踪剂不多的情况下，可以认为熔池内示踪剂浓度并未达到饱和。因此可以再次重复（4）（5）。再次得到一组数据并记录。
（7）将预先焊接在钢管上的直尺伸入熔池中，在尽量不影响气流和熔池流场情况下对熔池的冲击深度和冲击面积进行测量。
（8）将墨汁加入到熔池中，使用数码相机或数码摄像机进行连续拍摄或摄像，观察并得到流体的流场情况。
（9）打开下水口，待熔池内的水排干净后，关闭下水口，用上水口水管对熔池内进行冲刷清洗，重点清洗电导率仪的电极和着色剂加入口处，再打开下水口将脏水排净。
（10）至此便得到了一组方案的数据。在改变方案后，可重复上述步骤，继续实验。