RH精炼过程气体喷吹角度对多相流动及传质的影响

当前,在我国制造业高质量发展和“双碳”战略下,钢铁工业的高端、绿色、低碳、高效率的创新发展十分关键。RH精炼具有脱碳、脱气、脱硫、去除夹杂物及调整钢水成分等冶金功能,已成为轴承钢等诸多高品质钢生产的重要工序之一。本研究工作基于提高RH上升管气泡分散度、扩大气泡与钢水相互作用范围的思路,创新性的提出了旋转喷吹新技术,通过简单改变上升管气体喷吹角度,实现上升管内钢水的旋转流动,而钢水旋转流动进一步促进气泡的弥散分布,从而充分发挥气泡对钢水的提升作用,提高上升管横截面速度分布的均匀性和RH精炼的循环流量。本文首先开展了传统喷吹条件下的数值模拟和水模型实验研究,结果表明,气体流量为40 L·min-1时,数值模型预测的混匀时间与水模型实验测得的结果吻合较好,在选定的三个监测点位置,模型预测值与水模型实测值的误差在1.3%~7.3%范围内,证明了数值模型的可靠性;其次,开展了不同气体喷吹角度对RH精炼过程多相流动及传质行为的影响,研究表明,传统喷吹角度下的循环流量为9 kg·s-1,当喷嘴水平旋转30°或45°时,循环流量提高了约15%,此外,预测的三个监测点的混匀时间分别缩短了约21.3%、28.2%和12.3%。喷吹角度为30°和45°时,对128个气泡的统计分析表明,气泡在流体中的平均停留时间增加了约33.3%。研究表明,新的喷吹技术有利于提升RH循环流量和混匀时间,有望为进一步提升RH精炼效率提供了重要解决思路。     

侧底复吹RH精炼装置内的钢液流场及循环流量

采用数值模拟方法考察了钢包底吹位置对侧底复吹RH装置内流体流动及循环流量的影响.计算结果表明:在钢包底吹条件下,当底吹位置和钢包中心连线与浸渍管中心连线夹角一定时,随着底吹位置至钢包中心距离的增大,循环流量先增大后减小;当底吹位置至钢包中心距离一定时,循环流量随夹角的增大而减小;与现有RH吹氩方式相比,当采用侧底复吹且钢包底吹气量保持在200 L/min时,循环流量可提高25%以上;当关闭上升管侧吹且仅采取钢包底吹时,与现有RH吹氩方式相比,循环流量可提高60%~100%.     

RH-PTB循环流量和混合特性的水模型研究

为深入了解RH-PTB真空精炼过程的循环流量及混合特性,建立了与RH装置原型的比例为1∶5.5的水模型,考察了不同工艺参数对RH-PTB循环流量及均混时间的影响.结果表明,随着气泡行程的增大、真空室内液面高度的增大及钢水处理量的减小,循环流量增大,均混时间缩短.因此在实际生产中,当钢水处理量过大时应采取措施增大循环流量.对实验数据进行回归处理得到了循环流量、均混时间的表达式.     

氧气高炉新型氧煤燃烧器设计参数对风口区流场影响数值模拟

氧气高炉通过向风口回旋区喷吹煤粉以及脱除CO_2的循环高炉煤气,可有效降低CO_2排放。运用CFD商业软件,建立风口回旋区三维模型,针对氧气高炉所设计的新型燃烧器中氧煤枪数量及其与直吹管所呈角度和空间物理位置对风口回旋区流场的影响进行数值模拟。研究结果表明:采用单支氧煤枪操作,当其位于直吹管上部时,煤气流速度随喷吹角度由7°~15°变化时逐渐减小,且夹角为9°较为适宜,当其位于下部时,随着夹角越大,对风口回旋区深度增加越有利;采用双氧煤枪操作,当其在直吹管上下、左右分布时,夹角分别为11°和13°较合理;当单支氧煤枪位于直吹管上方且夹角为9°、距离d为75 mm时能较好地促进风口回旋区深度增加并保持足够的鼓风动能。     

RH精炼脱碳与夹杂物控制

为了提高RH精炼处理效率及钢水的洁净度,鞍钢股份有限公司炼钢总厂针对RH精炼装置脱碳、氧含量和夹杂物控制等相关工艺进行了研究和改进.通过控制转炉粗钢液中的碳氧含量、快速提高RH真空度、增加提升钢液的驱动气体氩气流量、吹氧强制脱碳、延长真空脱碳时间、增大插入管管径以及改善插入管形状维护等措施,保证了RH精炼的脱碳效果.通过控制钢包及浇注过程增碳,保证了成品碳稳定控制在20×10-6以下;同时优化了RH精炼升温工艺,并开发硅脱氧、镁脱氧及中间包改质工艺,显著降低了钢坯的全氧含量,降低了冷轧夹杂比率,从而确定了合理的RH冶炼超低碳钢工艺参数及RH精炼搬出后超低碳钢增碳的控制工艺.     

带有旋流的RH精炼系统循环流动的实验研究

探讨RH真空脱气装置水模型上升管中施加旋流以提高系统精炼效率的可能性,分别采用平直叶片叶轮和轴流式叶轮产生旋流,通过水模型实验,比较有旋流和无旋流上升管中气液两相流体流动现象的差别.利用超声波流量计测量系统的循环流量,利用摄像机记录气液两相流动状态.水模型实验结果表明,与无旋流情况相比,施加旋流后循环流量显著增大.由于向心力作用,气泡向管道中心区域积聚,从而使气泡与杂质物碰撞合并的机会大大增加;同时还能够避免气泡吸附在管壁上,提高RH真空精炼装置的寿命.     

RH精炼过程钢液流动数值模拟和应用

结合某钢厂RH精炼装置,运用数值模拟的方法对脱气时的流场进行了计算,得出了该型号RH装置在该厂操作条件下的流场,并成功解释了操作中遇到的一些现象.利用实践生产中的经验公式与数据对模拟结果进行了验证,结果表明模拟结果可靠.最后利用该模型计算了RH内钢液的湍动能耗散情况以及钢液循环流量与吹Ar量的关系,并给出了最佳吹Ar量的控制范围.     

RH精炼过程循环流量及夹杂去除的水模型研究

以某钢厂120tRH真空精炼炉为原型建立水模型,研究不同工艺参数对RH精炼过程钢液循环流量和夹杂去除率的影响。结果表明,钢液循环流量随着驱动气体流量、浸入深度、真空度、气孔数的增大而增大,随处理量的增大而减小,实验室循环流量最佳工艺参数为:气体流量2.8m3/h,浸入深度150mm,真空度3614Pa,气孔数12个;夹杂去除率随驱动气体流量、浸入深度、真空度和气孔数的变化均不是单调的,而是存在一个最佳值使夹杂去除率最高,实验室去除夹杂的合理工艺条件为:气体流量2.2m3/h,浸入深度125mm,真空度为3500Pa,气孔数8个。     

底吹冰铜吹炼炉中气-液流动状况的数学模拟

采用Eulerian-Eulerian模型描述了底吹冰铜吹炼炉内气液两相流行为,在模拟结果与实测结果一致的基础上,对双喷嘴在不同喷气角度下熔池内的气液两相流行为及气体含量进行模拟计算与比较.结果表明:随着喷吹角度的增大,喷溅情况相应有所减弱,在14°对喷角度下的喷溅现象最为严重.随着双喷嘴对喷角度的增大,射流轴线横向穿透距离增大,湍动能的分布区域也相应增大,气泡在容器中停留时间增加.但当夹角超过一定范围后,继续增大角度会使喷嘴口距离液面垂直距离减小,气泡在熔池中的停留时间反而减小,其中28°对喷角度下,熔池中的气体体积分数最大,而且湍动能分布范围最广.     

邯钢250 t转炉吹炼参数对传质能力影响的实验研究

渣钢间传质速度决定了熔池元素的反应速度(尤其是脱碳和脱磷反应速度),并直接影响元素在渣钢间分配.本文以邯钢250 t转炉为研究对象,利用相似比1﹕9建立水模型,考虑供气流量、枪位和底吹位置因素研究转炉内传质能力.结果表明：加大顶吹供气强度和底吹供气强度能够大大提高熔池元素在渣钢间的分配;渣钢间传质系数随底吹气体流量降低而明显降低,建议底吹气体流量不低于0.06 m3·t-1·min-1;底吹孔数越多,渣钢间传质系数越大;底吹流量分配方案优于流量平均分配方案,建议采用.     

210 tRH精炼过程的混匀特性

以某钢厂210tRH真空精炼装置为原型,根据相似原理建立1﹕4水模型,研究了吹气量、浸入深度、真空度以及气孔堵塞对混匀时间的影响。结果表明,RH混匀时间随着吹气量的增加而呈现减小的趋势;随着浸入深度的增加先减小后增大,并存在最佳浸入深度480 mm;随真空室压力的减小而减小;随着吹气孔堵塞个数的增加先减小后增加。利用粒子成像测速技术( particle image velocimetry,PIV)测量了RH精炼过程钢包内二维流场,与数值模拟结果对比,发现钢包内的流体运动主要是从下降管到上升管的循环流动以及下降管周围的回流运动,不活跃区主要集中在渣-钢界面以下浸渍管浸入深度范围内。     

侧底复吹RH真空精炼脱碳过程研究

基于RH内流场,结合冶金反应热力学及动力学,通过建立数学模型研究了侧底复吹RH真空脱碳过程.数值结果表明计算结果与试验结果符合良好.在总吹气量相同条件下,侧底复吹RH前20 min的脱碳速率高于传统RH的脱碳速率.对于传统RH脱碳,前3 s以熔池内CO本体脱碳为主,3~1 000 s以氩气泡表面脱碳为主;对于侧底复吹RH脱碳,前1 000s以氩气泡表面脱碳为主,并且氩气泡表面脱碳速率约为熔池内CO本体脱碳速率的两倍;提高RH处理后期的脱碳速率可提高超低碳钢生产效率.     

RH真空精炼脱碳速率的物理模拟研究

以某钢厂210 t RH装置为研究对象,利用水力模型对现场生产过程进行物理模拟,研究驱动气体流量、顶吹气体流量、枪位、浸入深度和真空度对脱碳速率的影响.结果表明,随顶吹气体流量的增大,脱碳速率明显增大;随插入管浸入深度的增大,脱碳速率略有增大;随真空度的增大、枪位的减小,脱碳速率逐渐增大;驱动气体流量对脱碳速率的影响很小.真空度为3 616 Pa、枪位为40 mm、插入管浸入深度为125 mm、驱动气体流量为4.0 m3/h和顶吹气体流量为4.8 m3/h时,脱碳速率最大.     

180t RH气体扩散行为物理模拟

以某炼钢厂钢包和RH真空精炼设备为原型,建立与原型尺寸比为1:4的物理模型,测量吹入CO2后Na OH水溶液p H值变化来研究供氧、脱碳等气体扩散行为。通过不同提气量和真空度条件下的对比试验,可以得出:吹气过程,真空度对CO2浓度变化影响不大,提气量对CO2浓度的影响较大,增加提气量能够提高CO2浓度,提气量为5.2 m3/h时CO2浓度比提气量为3.0 m3/h时高约7%;脱气过程,真空度对CO2浓度的影响有所改善,提气量对CO2浓度的影响趋势比真空度稍微明显一些。     

Experimental study on sulfur removal from ladle furnace refining slag in hot state by blowing air

In view of the present problem of sulfur enrichment in the metallurgical recycling process of ladle furnace (LF) refining slag, a simple and efficient method of removing sulfur from this slag was proposed. The proposed method is compatible with current steelmaking processes. Sulfur removal from LF refining slag for SPHC steel (manufactured at a certain steel plant in China) by blowing air in the hot state was studied by using hot-state experiments in a laboratory. The FactSage software, a carbon/sulfur analyzer, and scanning electron microscopy in conjunction with energy-dispersive X-ray spectroscopy were used to test and analyze the sulfur removal effect and to investigate factors influencing sulfur removal rate. The results show that sulfur ions in LF refining slag can be oxidized into SO₂ by O₂ at high temperature by blowing air into molten slag; SO₂ production was observed to reach a maximum with a small amount of blown O₂ when the temperature exceeded 1350℃. At 1370℃ and 1400℃, experimental LF refining slag is in the liquid state and exhibits good fluidity; under these conditions, the sulfur removal effect by blowing air is greater than 90wt% after 60 min. High temperature and large air flow rate are beneficial for removing sulfur from LF refining slag; compared with air flow rate, temperature has a greater strongly influences on the sulfur removal.     

钢液精炼和连铸过程中物理去除夹杂物现状及展望

夹杂物去除是钢液精炼的重要任务之一。目前与去除夹杂物相关的工艺方法主要有:钢包-电磁搅拌和钢包底吹氩;RH及RH侧底复吹;中间包-控流装置、气幕挡墙和通道电磁感应加热;结晶器电磁搅拌与电磁制动和水口吹氩。本文总结了钢水精炼中各个反应器去除夹杂物的方法和机理,并分析了影响夹杂物去除效率的主要因素,为钢水二次精炼的夹杂物去除工艺优化提供理论依据和参考。     

BOF-LF-RH-CC流程钢液增氮控制研究

通过对25Mn2和36Mn2V转炉冶炼钢种氮含量取样分析,得出各工序氮含量变化的规律,研究各工序增氮机制及氮含量控制措施。结果表明,增氮量从大到小的工序依次为大包至中包的长水口段、LF精炼段、转炉出钢段,RH真空处理段钢水氮含量有所下降;采用适当的终点高拉碳工艺可降低终点氮含量;采用高碱度低熔点预熔渣覆盖钢液面和控制LF吹氩强度可减少精炼前期吸氮和避免钢水被吹裸而引起的吸氮;适当延长极限真空度保持时间有利于进一步降低钢水中的氮含量。