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多功能RH精炼过程的数学和物理模拟

郁能文  
【摘要】:对多功能RH精炼过程中钢液的流动和混合特性作了水模拟研究。以90t多功能RH精炼装置为原型,设计、加工和建成了几何相似比为1∶5的RH水力学模拟系统。用一新的方法直接测定了钢液的循环流量;采用电导法测定了RH钢包内钢液的混合时间;考察了一些主要工艺和结构参数对流动、混合和传质的影响;显示并分析了钢包内液体的流动状态和流场;采用刺激—响应实验测定了下降管出口处示踪剂浓度随时间的变化,得到了相应的停留时间分布。由此得出以下结论:该精炼装置的环流量计算式为:Q_1=0.0333Q_g~(0.26)D_u~(0.69)D_d~(0.80)(t/min);钢包内钢液的混合时间与搅拌能密度关系为:τ_m∝ε~(-0.50)(s);钢包内钢液至少需经3次以上循环才能混合均匀。 研究了RH-PTB(顶喷粉)精炼过程中钢液和粉剂颗粒间的传质特性。以分析纯氯化钠粉作粉剂,测定了液体侧的传质系数k。结果表明,在本工作条件下,液体侧的传质系数随驱动气体吹入量、上升管内径、环流量和粉剂粒度的增大而增大,随下降管内径增大而减小,其值在(1.36~7.30)×10~(-4)m/s范围内。得到了相应的无量纲关系。考虑颗粒与液流的相对速度,RH-PTB条件下熔池传质特性可由下式表征: Sh=2+0.073Re_s~(0.777)Sc~(1/3)考虑紊流中脉动速度引起的能量耗散,RH-PTB条件下熔池传质过程服从如下关系: 2001年上海大学博士学位论文 「_,410·259 l七l_a 01,. sh一2+0·073}书于一}sc“’ L vlJ 将粉剂颗粒与钢液间的传质当作刚性的气泡与钢液间的传质处 理,对RH~PTB过程有: 「,,,,\0 07211455 1 loVJ才l万 sh=2+0 .02司R毋48sc03,9!三一竺旦11 L‘贬D那JJ 考察和分析了RH喷粉脱硫过程及机理,基于双重阻力传 质理论和体系内硫的质量衡算,建立了RH喷粉脱硫过程的动 力学模型,确定了模型各有关参数,包括各传质系数和脱硫处 理过程中钢液内参与脱硫反应的粉剂量等.以该模型对300t RH 装置内设定的不同工况(初始硫含量和喷粉量)下喷吹石灰基 粉剂的脱硫过程作了计算和模拟,相应的钢液环流量和喷粉速 率分别取为100口n五n和150kg/min;设定的初始硫含量和喷粉 量分别为70,60,50,40,30,20xl0--4 mass%和10,8,6,5, 4,3kglt一钢;对每种工况计算了8个循环,相应的总脱硫处理时 间为24min.结果表明,由该模型所作的估计与一些工业实验和 生产数据相当吻合;在(60~80)、10闷mass%的初始硫含量下, 喷吹3一skglt一钢石灰基粉剂(85%石灰(Cao)+l5%萤石(CaFz)),总 处理时间为12一20而n,有可能使钢液达到(5一10)xlo-4 mass% 以下的超低硫水平;强化喷粉操作,增大钢液环流量可有效地 提高喷粉脱硫过程的速率.该模型可望为确定合理的喷粉脱硫 工艺和参数,控制喷粉脱硫过程提供有用的信息和依据. 基于质量和动量衡算,同时考虑RH上升管、真空室液滴 及真空室熔池对钢液脱碳精炼的贡献,建立了多功能RH精炼 过程的数学模型,用以分析和模拟了90t RH及RH~KTB(顶吹 多功能RH精炼过程的数学和物理模拟 氧)过程中的脱碳和脱气精炼.模型计算结果与一些工业实 验和生产数据完全相符.六个循环的计算结果表明,RH上升 管内的脱碳量占总脱碳量的10.47%一11.62%,在真空室液滴 位置可占37.44%一137.97%,真空室熔池的贡献为50.52% 一巧2.09%.在初始碳含量《400、rose4mass%的情况下,利用RH 精炼条件可自然脱碳,经10一16而n的处理,可使钢液含碳量《 20/10-4mass%:若初始碳含量达(400一500)/10es4mass%以上, 则在RH精炼的条件下难以进行自然脱碳.采用RH.KTB (Q吸二600 Nm3爪,吹氧时间一6而n)操作,在同样的初始含碳 量(400 xlo一mass%)下,将碳降低至(20/10一mass%的时间 需12一13而n,比常规RH脱碳所需时间可缩短3一4而n;顶吹氧 量从QoZ=600Nm3lh增加到QoZ=1000Nm3lh,由初始含碳量550 /10一mass%降至(20 x 10ee4mass%的时间需15一16而n,对700 /10一mass%的初始含碳量约需18一19而n左右.只要转炉、RH、 连铸机的生产周期允许,转炉终点含碳量可以提高到(550~700) /10一坛ass%.在所考察的工况下,驱动气体(氢)吹人量由 60ONUmjn增加到900NUntin,对脱碳和脱气效果影响不大.


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