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转炉熔池气—渣—金多相流行为的模拟研究

曹玲玲  
【摘要】:氧气转炉炼钢是当前世界上最主要的炼钢方法。转炉高效平稳冶炼与熔池多相流体的传输行为密切相关。转炉熔池的传输行为十分复杂,涉及气体、液体、固体在钢液、炉渣和气相间的流动、传质、传热、熔化和化学反应等诸多复杂现象,其中,多相流体的流动行为是熔池复杂反应的基础。因此,针对转炉熔池多相流行为开展深入研究,明晰转炉熔池多相流行为的变化规律,可为转炉反应器的优化与冶炼工艺参数的调控提供参考与指导,为转炉炼钢数字化、智能化发展提供基础数据支撑。本文以某钢厂80吨转炉为研究对象,采用物理模拟结合数值模拟方法,通过开展冶炼熔池的搅拌与混匀特性模拟、废钢行为模拟、冲击凹坑模拟、多相流相互作用模拟以及重点部位溅渣行为模拟,探究熔池混匀效果优化的工艺方案、“再现”熔池废钢行为瞬时特征、阐明凹坑与熔池传输行为关系、明晰熔池多相流行为作用机制以及获取侵蚀严重部位溅渣工艺方案,实现涉及流体流动、废钢运动与熔化、气-液两相流、气-渣-金多相流以及溅渣渣液运动复杂传输行为的模拟,揭示不同冶炼工艺生产实践条件下转炉熔池气-渣-金多相流行为规律,为复吹转炉熔池多相流行为研究提供参考。采用物理模拟方法,对转炉熔池多相流作用下熔池的搅拌与混匀行为进行了模拟研究。研究结果表明:氧枪枪位、底吹元件布置方式、底吹流量以及氧枪流量对熔池混匀效果影响显著。对于80吨复吹转炉,熔池混匀效果优化的工艺操作方案为:氧枪枪位950 mm、氧气流量14000 Nm3/h、五孔氧枪喷头、底吹元件布置方式B、底吹流量100 Nm3/h。此外,通过拟合方法可得,80吨转炉熔池混匀时间与熔池搅拌能的关系为:τ = 169.72εA-0.35。基于相似理论,采用特制的不同形状与尺寸的冰块来模拟转炉高温熔池中的废钢,探究熔池中废钢的运动与熔化行为。在转炉熔池中,良好的熔池搅拌与混匀行为,有助于冶炼过程废钢的运动与熔化。较小尺寸的废钢,更容易熔化并获得较好的熔池传输效果。废钢形状是影响废钢熔化过程的关键因素,比表面积较小的重型废钢熔化时间较长,在实际冶炼过程中应尽量避免。通过对固体冰块的数值模拟研究发现,提高流体温度与加快流体速度均有利于废钢熔化,且提高流体流速对其影响更显著。借助物理模拟方法,分析转炉熔池气-液两相流体冲击凹坑的变化规律。为定量化表征冲击凹坑的形貌,提出了无量纲凹坑形状指数(IC)。凹坑形状指数与吹炼数(NB)呈现明显的指数关系,其函数关系式为:IC=1.0205-0.2428NB+0.0228NB2-0.0005NB3。然而,过大或者过小的凹坑形状指数均不利于熔池的混匀。对于80吨复吹转炉,应控制冲击深度与冲击直径大致相等(即IC=1),以获得更好的熔池搅拌与混匀效果,此外,凹坑形状指数对熔池金属液喷溅速率有重要影响,在一定范围内,随着凹坑形状指数的增加,熔池的液滴喷溅速率相应增加。采用数值模拟方法,建立三维、可压缩、非等温的气-渣-金多相流流体体积(VOF)模型,探究了转炉顶吹高速射流与熔池流体相互作用行为。转炉冶炼过程中,气-渣-金相互作用过程具有明显的瞬态和不稳定特征。氧枪操作参数对熔池气-渣-金相互作用过程有重要影响。其中,氧枪枪位的变化可明显改变冲击凹坑形貌,并影响着熔池内金属液喷溅与液滴的生成,而炉渣物理性质对熔池多相流体相互作用过程的动量传输几乎无影响。根据熔池多相流行为数值模拟研究结果,确定了炉衬冲刷侵蚀严重部位为渣线及耳轴以下区域,需重点防护。物理模拟实验结果表明,底吹工艺参数对溅渣效果的影响较小,而溅渣枪位是控制溅渣部位的重要参数。针对侵蚀严重区域的溅渣工艺方案为:溅渣枪位960 mm、溅渣流量18000 Nm3/h、四孔喷头、底吹布置方式D4、底吹流量100 Nm3/h、留渣量为10%。


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