RH真空精炼过程的数学物理模拟

【摘要】： RH真空精炼是一个涉及多相流、传热及不同化学反应的复杂冶金过程。在实际生产中,提高循环流量、缩短均混时间是提高RH精炼生产效率的重要手段。要充分发挥RH的精炼功效,降低生产成本,就必须对RH内传输过程进行深入研究。 本文针对RH精炼装置内钢液流动、脱碳及夹杂物碰撞长大行为分别发展了相应的数学模型,研究了传统侧吹RH、侧底复吹RH和电磁RH内的传输行为;在此基础上针对底吹钢包内夹杂物碰撞聚合行为建立数学模型,研究了钢包底吹方式对夹杂物去除过程的影响,并对双孔底吹钢包的底吹位置进行了优化。研究成果概括如下: 一、RH精炼过程中传输行为 (1)建立了与RH精炼装置原型1:5.5比例的水模型,考察了不同工艺参数对循环流量、均混时间、顶吹溶氧及脱碳过程的影响,并根据实验数据回归得到循环流量、均混时间的表达式: (2)针对水平侧吹气体行为进行研究,推导了水平侧吹条件下气体穿透深度公式: 建立了RH内气液两相流动行为数学模型,数值结果表明提升气量是决定含气率分布的关键因素。 (3)发展了综合RH不同脱碳机理的三维数学模型及夹杂物碰撞长大行为的均相模型,讨论了不同工艺因素对夹杂物去除过程的影响;通过将Stokes碰撞应用于夹杂物数量及质量守恒模型,建立了RH装置内夹杂物碰撞长大行为的数学模型,给出了夹杂物数量密度及浓度的三维空间分布。 二、侧底复吹及电磁RH精炼过程中传输行为 (1)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的夹角θ=0时,循环流量随底吹位置至钢包中心距离L的增大先增大后减小,均混时间随L的增大而增大;当L=0.535m时,循环流量随夹角θ的增大而减小,均混时间随夹角θ的增大先减小后增大。 (2)在施加行波磁场条件下,循环流量随励磁电流强度的增加而增大,均混时间随电流强度的增大而减小,并且二者与电流强度近似成线性关系;电流频率在10～30Hz变化时,循环流量随电流频率的增大而增大,均混时间随电流频率的增大而减小;在30～60Hz变化时,循环流量随电流频率的增大而减小,均混时间随电流频率的增大而增大;提升气量小于饱和值时,在上升管周围施加行波磁场优于在下降管周围施加行波磁场;提升气量大于饱和值时,二者效果等同;同时在上升管和下降管周围施加行波磁场的脱碳及夹杂物去除效率最高,仅在上升管周围施加行波磁场次之。 三、底吹钢包内传输行为 (1)在夹杂物数量及质量守恒模型中引入气泡吸附夹杂物模型,建立了钢包内夹杂物去除过程的三维数学模型,结果表明:底吹方式是影响夹杂物去除的重要因素;三孔底吹效果最好,双孔底吹次之,偏心底吹优于中心底吹;顶渣吸附是最重要的夹杂物去除方式,侧壁吸附次之,钢包底壁吸附可忽略不计。 (2)针对双孔底吹钢包的底吹位置进行优化,结果表明:在底吹位置偏移中心距离一定的条件下,底吹位置与中心连线夹角存在一个最优值,反之亦然;回归实验数据可得双孔底吹钢包的均混时间表达式如下: