RH真空精炼过程循环流量与混合特性的物理模拟

以某钢厂180t的RH真空精炼装置为研究原型,依据相似准则建立物理模拟试验装置,进行2因素(喷吹角度和供气流量)作用下3水平的水模型正交试验研究,深入揭示RH真空精炼过程中循环流动状态变化规律,并为其工艺和操作参数的确定提供技术依据.结果表明:供气流量及喷吹角度均会影响精炼效率,供气流量影响更显著;存在最优的吹氩方案,即流量为20m3/h,喷吹角度为45°时,混匀时间最短;在不同供气流量下,循环流量增加幅度随喷吹角度的增大而逐渐减小,最佳喷吹角度在25°~35°之间.     

150t钢包精炼过程的物理模拟

在相似原理的基础上,对天津钢管公司150t钢包精炼吹氩过程进行了水模拟实验(模型、原型几何比例为1:4).实验发现,原型钢包吹氩位置不尽合理,透气砖顶面面积偏小,吹氩流量偏大.通过对以上三指标的优化,确定合理的吹氩工艺参数为:将吹氩孔位置由原来的距钢包底中心分别为0.555R和0.634R移动到1/3R处,将透气砖顶面直径由原来的16mm扩大到35mm,吹氩流量减少到0.44m3-h-1.水模拟实验为原型钢包的工艺改进提供了依据.     

行波磁场对RH精炼过程混合特性的影响

建立了RH精炼装置内混合行为的数学模型,考察了不同励磁电流参数下行波磁场对RH精炼装置内混合特性的影响.计算结果表明:混匀时间随电流强度的增大而减小,并且近似成线性关系;混匀时间随电流频率的增加先减小后增大,并且在30Hz时达到极小值;在励磁电流强度为200A,频率为10Hz的条件下,在上升管或下降管施加行波磁场混匀时间可缩短9%～17%;在相同操作条件下,在上升管处施加行波磁场混匀时间小于在下降管施加行波磁场的混匀时间;同时在上升管和下降管施加行波磁场,混匀时间可缩短18%～26%;混匀时间随吹氩量的增大而减小,在吹氩量为1600NL/min时混匀时间达到极小值,吹氩量继续增大时,混匀时间反而增大.     

RH下降管长度对钢包混匀时间影响的水模实验

以某炼钢厂210 t RH为原型,建立了模型与原型尺寸比为1:4的物理模型.采用示踪法测定了RH水模型不同下降管长度时,钢包模型内不同位置的电导率变化(RTD曲线)情况,计算了不同位置的混匀时间,分析了下降管长度对钢包内不同位置混匀情况的影响.     

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。     

210t RH精炼装置脱碳过程的数值模拟

RH是降低钢液碳含量、提高钢液纯净度的重要冶金反应器.准确确定RH装置内碳氧含量随时间的变化关系是控制RH脱碳行为的关键.脱碳数学模型考虑了活度和烟气化学成分的影响,并利用变步长四阶龙格库塔算法进行求解.数值结果与210 t RH工业试验结果相符.数值结果给出了容积系数、活度、二氧化碳生成量、压降模式、氩气流量等因素对钢液中碳含量的影响.在这些参数中,容积系数和压降模式是两个最重要的因素.     

RH真空精炼循环流动流场结构的数值模拟

为研究RH真空脱气过程中的流动行为,基于欧拉-欧拉两流体模型,建立了描述气泡驱动下的RH循环气-液两相流动的数学模型.采用计算流体力学(CFD)商业软件FLUENT6.0,应用所建理论模型对真空室和钢包内的流动进行了数值模拟,得到真空室内及钢包内的流动规律与实验结果基本一致.对流场结构的分析发现其中存在内部相对独立的回旋流动区域,会降低整体循环效率.RH设备的几何结构参数和充气参数的优化与匹配设计是未来改善循环流动结构、提高循环效率的关键.     

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.     

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.     

动态混合器内流动和混合特性的CFD模拟

首先建立了动态混合器的三维实体模型,然后利用动态方腔拖曳流的粒子图像测速（PIV）流场实验检验了模拟方法的可靠性。在此基础上对动态混合器进行了计算流体力学（CFD）模拟,研究了进料量和操作转速对混合器内流动和混合特性的影响规律。研究结果表明：动态混合器的高剪切速率主要集中在定转子交界处;动态混合器出口处的浓度分布标准差正比于质量流量,反比于转速。最后提出了一种评价动态混合器操作性能的新方法。     

多时距PIV技术在复杂流场测量中的应用

采用一种多时间间距适配(多时距)的粒子图像测速(PIV)技术对静水与横流环境下的垂向圆管射流流场进行测量，对比分析了多时距PIV技术测量结果的可靠性，探究了静水与横流环境下垂向圆管射流的运动特性。结果表明，多时距PIV技术得到的测量结果能够精确反映射流在静水和横流环境中的时均特征和紊动特征，且其精度明显优于传统PIV技术所得到的测量结果。研究发现，多时距PIV技术可既方便又精准地测量视窗内速度变化大的流场。     

Optimum process of RH-MFB refining for ultra-low carbon steel

A mathematical model was established and applied to simulatethe decarburization of RH-MFB process in Pansteel Company. Study of the effects of w_[c], w_[o], Ar flowrate, evacuation rate and MFB lance blowing parameters on the decarburization process was carried out. The results showed that this model could give the quantitative understanding of the process, especially the behavior of MFB lance blowing. This model has realized the optimum process of RH-MFB refining for ultra-low carbonsteels in Pansteel.     

基于互相关算法的粒子图像测速技术

对PIV（particle image velocimetry，粒子图像测速）技术的原理进行了详细的介绍。采用互相关算法，自行开发了一套图像处理软件，对粒子图像进行分析，提取速度场。以正方形容器内的旋转流场为例，用计算机模拟检验了此软件的可靠性与高效性，并利用PIV技术对内燃机缸内压缩流场进行测量，对PIV技术应用于气流测试进行了有益的探索。结果表明，互相算法可以有效地进行粒子图像识别，通过所开发的软件可以精确获取速度场。     

内燃机缸内流场测量示踪粒子的选取与供给

为了了解内燃机缸内流场状况，研究了使用激光粒子图像PIV测量技术时示踪粒子的选取原则和添加方法，介绍了自行研制的带有Laskin喷嘴的新型粒子添加装置及其在实际发动机缸内流场测量中的具体应用．结果表明，该装置可以产生粒径均匀的液态示踪粒子，这些粒子具有良好的跟随性和光散射特性，所得的PIV测量结果比较理想．