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基于铁水预处理脱硫的流体流动特性研究

纪俊红  
【摘要】:随着用户对低硫和超低硫钢材使用的增加,对铁水炉外预处理工艺水平的要求也进一步提高。机械搅拌法和喷吹法是最常用的铁水炉外脱硫方法。对于喷吹法深脱硫工艺,改善熔池中铁水的动力学条件、缩小气泡尺寸并将小气泡均匀分散到熔池中是提高脱硫效率、避免镁脱硫剂浪费的重要手段。对于机械搅拌法深脱硫工艺,快速地将固体脱硫剂颗粒从铁水液面卷入,并均匀分散到熔池中参加脱硫反应,不仅可以提高脱硫效率、避免脱硫剂浪费、还可以减少温降。因此,对铁水深脱硫工艺中的脱硫剂混合行为研究具有重要意义。本文从喷吹法和机械搅拌法铁水炉外脱硫工艺的物理过程出发,采用物理模拟和数学模拟相结合的方法,对脱硫过程中的流体流动特性进行了深入研究。基于搅拌-喷吹法,开发了改进型搅拌-喷吹搅拌桨,发展了描述搅拌-喷吹法熔池中气泡破碎和聚并行为的多尺寸气泡模型,探讨了搅拌-喷吹法熔池中气泡的破碎和分散行为。基于机械搅拌法,提出了适用于铁水深脱硫的变速机械搅拌法,对变速搅拌熔池中脱硫剂卷入和混合行为进行了模拟研究,并优化了操作参数。主要研究内容和结果如下:1、基于新型搅拌-喷吹法的气液流动结构及脱硫剂气泡的破碎与分散行为1)进行了搅拌-喷吹法的冷态水模型实验研究,考察气泡在熔池中的破碎和分散过程,研究不同搅拌模式对气泡破碎和分散行为的影响。研究结果表明:(1)气泡从喷口喷出后,部分气泡进入桨叶背弧的气穴中,需要足够的动力才能将气泡从气穴中甩出并击碎。搅拌桨定速搅拌模式的速度超过400 rpm后,气泡才能充分破碎,此时液面出现了较大漩涡,造成破碎后的气泡被卷吸其中,不利于脱硫剂的充分利用。(2)变速搅拌模式可以产生混乱的气液流动,有较强的动力将气泡从气穴中甩出并初步破碎。气泡上升过程中,紊乱的流体进一步将气泡破碎并分散到熔池中。(3)相同操作条件下,搅拌桨顺、逆时针交替旋转搅拌模式与定方向变速搅拌模式相比具有较好的气泡破碎和分散能力,变速搅拌模式下操作参数影响气泡尺寸及其分布。2)建立了单一尺寸气泡的气液两相流数学模型,考察了气液流动特征,并分析了不同搅拌模式的流场结构。得到以下结论:(1)相对于标准k-ε模型和修正的k-ε模型,RNG k-ε模型更适合描述搅拌-喷吹熔池中的湍流行为。(2)搅拌桨型对熔池中的气液流动结构有一定的影响,圆盘桨有利于阻碍气泡喷出后沿桨叶轴心处快速逸出液面,还有减小液面出现漩涡的作用。(3)变速搅拌模式的流体在不同时刻出现了不同位置的漩涡,破坏了定速搅拌模式的固定流动结构,更有利于气泡的破碎和分散。3)首次将气泡群平衡模型应用于搅拌-喷吹法的气液体系,预测气泡大小及分布。对气泡聚并和破碎过程进行分析,综合考查搅拌-喷吹法气泡聚并和破碎的机制,发展了更适合描述搅拌-喷吹法的气泡聚并和破碎模型,预测了搅拌桨交替旋转搅拌模式下的气泡尺寸和分布。研究了模型对气泡尺寸预测的准确性,结果表明气泡群平衡模型可以很好地描述搅拌-喷吹法气泡破碎和分散行为。4)采用多尺寸气泡模型对搅拌-喷吹法熔池中的气泡尺寸分布进行了预测。研究表明:(1)搅拌模式不同,气泡破碎效果和分散程度有明显的不同。搅拌桨顺、逆时针交替旋转搅拌模式下的气泡尺寸分布均匀且尺寸较小。(2)在变速模式下增加搅拌桨的转速,一定范围内可以减小气泡尺寸,随着转速的进一步增加,搅拌桨顺、逆时针交替旋转搅拌模式的气泡尺寸减小趋势变缓。在搅拌桨定方向变速搅拌模式下速度差较小时容易导致搅拌轴心处出现漩涡,造成气泡尺寸分布不均匀。(3)在变速搅拌模式下增加喷吹量虽然可以增加气泡体积分数,但对气泡的破碎和分散行为不利。2、提出变速机械搅拌法改善深脱硫过程中的脱硫剂颗粒卷入和分散行为应用Euler-granular模型,研究了变速搅拌模式下脱硫剂颗粒在铁水中的混合行为,分析了影响脱硫剂卷入和分散效率的因素,并探讨了改变转速和变速周期条件下的脱硫剂颗粒分布值和分布范围,优化了操作参数。得到如下结论:(1)变速搅拌模式能够改善脱硫剂卷入时的流场结构,并且消除了熔池中混合隔离区,改善了脱硫剂颗粒分散效果,达到了提高脱硫率和脱硫剂利用率的目的。(2)增加转速或减小变速周期,可以增加脱硫剂分散的均匀程度,减小混合时间。变速周期对混合时间和混合均匀程度的影响较大,而变速范围对脱硫剂体积分数大小的影响稍大。(3)本文研究范围内,变速搅拌模式下采用转速50-90 rpm,变速周期8 s的操作参数时脱硫剂分布最均匀、混合时间最短。


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