旋流作用下RH精炼工艺中气液两相流动与脱碳行为的模拟研究

【摘要】：作为现代炼钢流程的主要环节之一,炉外精炼功能正被日益强化。提高钢的炉外精炼效率和钢液的质量是炼钢工艺流程中的核心。作为最广泛应用的炉外精炼设备,RH真空精炼装置在设备寿命、工艺指标方面仍然存在着诸多问题,例如:上升管易损坏、氩气利用效率低、脱碳脱硫不充分等,这些问题制约着设备效能的发挥及产品质量的提高。 本文从钢精炼工艺的基本物理过程出发,探讨改进RH真空精炼的技术方法,揭示RH真空装置内气液两相流及传质规律,发展旋流作用下RH真空精炼系统内钢包、上升管、下降管、真空室内一体化三维流动模型,分析气泡运动行为,研究旋流提高RH真空脱气装置精炼效率的机理。RH真空精炼装置是一个多功能冶金设备,除了脱气功能以外还具有脱碳、去除夹杂物和合金化等功能。为了全面掌握旋转磁场作用下RH系统内的传输现象和冶金特性,在流场基础上,结合钢液内碳浓度变化方程,粒子运动方程对旋流作用下RH系统内的脱碳过程和夹杂物运动行为进行模拟研究。主要研究内容和结果如下: (1)利用旋流技术改进RH真空精炼效率,提高氩气的利用率。 氩气利用率直接影响RH真空脱气装置的精炼效率。针对电磁驱动旋流精炼过程,采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法,研究有、无旋流作用时RH系统内气泡运动行为。研究结果表明:旋流条件下,气泡被细化,数量增加,且不再贴近管壁分布,而是弥散于整个上升管内,当旋流数达到0.21时,开始形成“气泡幕”。气泡幕条件下夹杂物与氩气泡接触机会最大,气泡吸附夹杂物量最大,此时精炼效率最高。此时氩气利用率也是最高。但随着旋流强度的继续增加,气泡在上升管内形成气柱,精炼效率反而下降。 (2)发展人口平衡模型,建立RH真空精炼系统气液两相流模型。 人口平衡模型广泛的应用于化工、核工业等领域用来解决复杂的流动现象,该模型能够很好的模拟气泡合并、破碎过程。针对RH真空精炼系统气液两相流特征,本文将人口平衡模型应用于RH系统内气泡分布进行预测。结果表明:无旋流时,直径较大的气泡多出现在上升管管壁附近,而管子中心区域基本没有气泡。施加旋流后,上升管内气泡的平均直径变小,且分布均匀,随着旋流强度进一步增加,管子中心处出现大直径气泡,而其他区域气泡数量减少。 (3)分析夹杂物粒子的运动轨迹及去除条件。 去除钢液中的非金属夹杂物是RH精炼装置的主要功能之一。氩气在钢液内上浮过程中与夹杂物结合,一起到达渣/金界面进入渣中,从而达到净化钢液的目的。气泡数量和气泡与夹杂物碰撞的机会决定RH装置去除夹杂物的效率。对旋转磁场作用下夹杂物的运动行为的模拟表明:夹杂物的运动轨迹呈螺旋线型。旋流增加了夹杂物在上升管内的运动路程,从而增大了其与气泡碰撞、合并的机会。有利于夹杂物的去除。尺寸较小的夹杂物因受粘滞力影响较大更易于随流体流动,不易从系统中排出。 (4)研究旋流条件下RH真空脱碳过程的特点。 RH真空精炼装置最主要的冶金功能是深度脱碳,本文在分析RH系统内钢液湍流场的基础上,结合钢液内碳浓度变化方程,建立旋流场内钢液脱碳的三维非稳态数学模型,所得旋流数为零时钢液脱碳过程与文献中实验结果相符合。同时对比研究电磁搅拌作用下新型RH系统内钢液脱碳过程.结果表明:当旋转磁场作用后,磁感应强度为0.04T时,初期脱碳速度比无旋流作用时增加了15%,而且随着磁感应强度得增加,脱碳速度增加明显;但当脱碳反应进行到最后阶段,不同磁感应强度情况下的碳浓度趋于相同稳定值。