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.     

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真空室内气泡行为的研究

Ruhrstahl-Hereaeus (RH)上升管内的气液两相流是整个装置的重要动力源,并对钢液的流动、混匀及精炼过程有重要影响.上升管及真空室内的气液两相流决定了钢包内钢液的流动状态,为了研究真空室及上升管内气液两相流,通过1∶6的300t RH的物理模型模拟了RH上升管及真空室内气泡行为过程,并测量了RH循环流量的变化用于计算上升管内含气率以及气泡运动速度最终得到气泡在真空室内的停留时间,同时记录了气泡在真空室内的存在形式.气泡在真空室的存在形式的主要影响因素为提升气体流量,研究发现了气泡从规则独立的大气泡经历聚合长大,碰撞破碎成小气泡,最后变成小气泡和不规则大气泡共存的现象.液面高度达到80 mm之后,气泡在真空室内的停留时间达到一个平衡值,不再随真空室液面高度的增加而发生改变.当提升气体量达3000 L·min-1,气泡停留时间减小趋势弱,对应3000 L·min-1情况下,真空室内气泡开始聚合长大.研究认为对于300t RH的真空室液面高度应为80 mm,提升气体量应在3500 L·min-1左右,优化后,脱碳时间由原工艺的21.4 min缩短至现工艺的17.5 min.     

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.     

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.     

钢包吹氩精炼过程钢水流动与混合行为的研究

结合鞍钢180 t钢包吹氩搅拌装置的设备工艺条件,采用数学模型方法预报了吹氩搅拌过程中钢水循环流动和混合等冶金行为,分别探讨了吹氩方式和氩气流量对钢水循环流量和混匀时间的影响.     

钢包吹氩精炼过程钢水流动与混合行为的研究

结合鞍钢180t钢包吹氩搅拌装置的设备工艺条件，采用数学模型方法预报了吹氩搅拌过程中钢水循环流动和混合等冶金行为，分别探讨了吹氩方式和氩气流量对钢水循环流量和混匀时间的影响。     

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。     

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.     

70 t单管RH冶金传输行为的数值模拟

为了深入了解70 t单管RH内的冶金传输过程,分别采用欧拉-欧拉方法、示踪剂输运方程和碳氧质量分数输运偏微分方程组描述RH内钢液流动行为、混匀过程和脱碳过程。数值模拟结果表明:随着真空度由250 Pa降低到50 Pa,循环流量和混匀时间保持不变,钢液中碳质量分数由81.8×10-6降低到34.3×10-6;随着底吹氩气量由100 L/min增大到500 L/min,循环流量由23.1 t/min增加到42.2 t/min,均混时间由179 s下降到100 s,钢液中碳质量分数由72.6×10-6下降到47.5×10-6。预测的脱碳曲线与工业实验数据符合良好;提高单管RH底吹氩气量,有利于提高循环流量,减少均混时间,降低钢液中碳元素质量分数。     

210t RH浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究

采用1∶4的比例建立水力学模型模拟210 t多功能RH浸渍管内钢液流动装置,对钢液流态进行分析,并考察吹氩量、浸渍管插入深度及吹氩孔个数对钢液流场和混匀时间的影响.结果表明:钢包内存在一主回流和大量小回流,并且来自下降管的下降液流和其周围液体形成了液--液两相流,这种流动状态对钢包内的混合及传质起着决定性的作用;本文得到的关于RH钢包内液体的这种流动状态,否定了RH过程的早期研究中关于下降管和上升管间存在"短流"现象的结论.吹氩量、浸渍管插入深度、上层和下层吹氩孔个数对钢液混匀时间的影响都非常明显,其中吹氩量及下层吹氩孔个数的变化对钢液混匀时间的影响趋势较为强烈.     

钢包喷吹时气泡泵现象的全浮力模型

本文研究了钢包喷吹时,供入气流而造成钢液强烈搅动的气泡泵现象。为研究这一现象提出了一种全浮力模型。模型提供了定量分析钢液被搅动的程度和供入能量之间关系的基础。通过在60t钢包内液流速度的实际测定,获得了单位时间内因受气泡泵的作用而进入循环的钢液量与供入气体流量和熔池深度的关系式。这种气泡泵作用的效率是很高的,在正常喷吹条件下,1kg惰性气体(Ar)可以使重量比本身大50万倍左右的钢液向上运动而进入循环。已经发现,对60t钢包内喷吹氩气时,包内钢液对流循环的周期只需20～35 sec,加入物料达到足够均匀所需的混合时间约1.0～1.5 min。     

氧气底吹造锍过程中气泡行为的水模实验

通过底吹炼铜转炉水模型实验,研究底吹造锍转炉中喷嘴数量、喷嘴角度、喷嘴直径、气流速度等因素对转炉熔池气泡大小、气含率及液面喷溅的影响规律.结果表明:喷嘴直径的增大不利于气泡微细化,且加剧了液面喷溅现象;喷嘴角度的增大有利于减小喷溅,但气含率下降;气流速度的增大有利于气泡微细化,显著提高气含率,但喷溅比较剧烈.与单喷嘴喷吹相比,在总喷气量相同的条件下,双喷嘴喷吹具有明显的优势,两种方法的气泡微细化程度差别不大,但是双喷嘴的喷溅情况明显减弱;双喷嘴夹角44°时能获得最大的气含率,约为9%.     

吹气搅拌熔池内轴对称循环流速度场的计算——Ⅱ.数学模型及其应用

本文利用描述喷吹钢包内流动现象的全浮力模型及其提供的边界条件,建立轴对称循环流场的数学模型。利用以速度和压力为主要因变量的微分方程组和Κ-ε双方程湍流模型来描述流体流动,用SIMPLER法数值求解。将所得结果与相同喷吹条件下的激光测速仪测量值对比,两者吻合较好。由数学模型预示的混匀时间与全浮力模型公式计算值和示踪剂实测值相近。     

陶瓷过滤器脉冲喷吹清灰系统动态模型

针对在使用刚性陶瓷过滤器时难以解决其脉冲喷吹清灰的问题 ,利用气体动力学和流体瞬变理论建立了脉冲喷吹系统内气体流动的动态仿真模型 ,从而解决了由于实际管路内气体为非稳态流动而按稳态方法分析其流场会产生较大误差的问题。将由模型计算出的喷吹气体质量流量与热线风速仪的测定结果进行了对比 ,确定出脉冲阀的时间特性参数。利用该模型分析了储气罐容积、管线长度、喷嘴直径等参数对喷吹气体流动特性的影响。结果表明 ,该模型可用于分析脉冲喷吹系统的结构参数和流动参数对喷吹清灰性能的影响 ,且此模型的建立对气体过滤器脉冲喷吹系统的优化设计具有参考价值。     

RH处理超低碳铝镇静钢的总氧预测模型及应用

根据300t钢包RH真空处理超低碳铝镇静钢的实验数据,建立了RH处理过程钢中总氧含量的预测模型,得到了钢中氧含量的预测公式.模型综合考虑了处理时间、真空室吹氩流量、钢水环流量、浸渍管直径和钢包渣中(FeO+MnO)含量等因素对总氧含量的影响,并对改进RH处理工艺进行了讨论.模型分析表明,促进夹杂物上浮的手段有增大吹氩流量、增加浸渍管直径,但都有一个合适的范围.     

陶瓷过滤器脉冲喷吹清灰系统动态模型

针对在使用刚性陶瓷过滤器时难以解决其脉冲喷吹清灰的问题，利用气体动力学和流体瞬变理论建立了脉冲喷吹系统内气体流动的动态仿真模型，从而解决了由于实际管路内气体为非稳态流动而按稳态方法分析其流场会产生较大误差的问题。将由模型计算出的喷吹气体质量流量与热线风速仪的测定结果进行了对比，确定出脉冲阀的时间特性参数。利用该模型分析了储气罐容积、管线长度、喷嘴直径等参数对喷吹气体流动特性的影响。结果表明，该模型可用于分析脉冲喷吹系统的结构参数和流动参数对喷吹清灰性能的影响，且此模型的建立对气体过滤器脉冲喷吹系统的优化设计具有参考价值。     

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.     

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.