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精炼钢包透气砖服役过程数理模拟及结构与性能优化

黄奥  
【摘要】: 钢包底吹氩作为一种有效的冶金技术多年来成为冶金科技工作者关注的重点之一,纷纷采用数理模拟的方法研究了透气砖位置和气量大小对钢液混匀时间及夹杂物去除率的影响。目前国内主要采用狭缝式透气砖,其容易横断而过早损毁,严重降低精炼效率;而且为延长钢包服役寿命,避免耐火材料的二次污染,最大限度地净化钢液,透气砖的狭缝结构参数对净化钢液的影响,以及透气砖底吹搅拌对钢包内衬耐火材料的蚀损的影响都亟待探讨。 因此,本文针对大型精炼钢包,采用数理模拟相结合的方法,系统研究了单、双吹条件下吹气参数对钢液精炼效果的影响,透气砖狭缝结构参数对钢液混匀时间及夹杂物去除的影响;采用有限元法对透气砖服役过程的温度-热应力进行了计算分析,结合透气砖的物理性能,讨论了实际服役条件下透气砖横断损毁的因素;建立了精炼钢包内衬材料的冲蚀模型,进行了数值仿真模拟,探讨了透气砖吹气参数对钢包内衬耐火材料蚀损的影响;在上述研究的基础上,采用MgO微粉结合系统研制了性能相对优越的精炼钢包透气砖。 论文研究得出了以下结论: 1.精炼钢包内衬耐火材料冲蚀率的主要影响因素为冲蚀角、夹杂物粒径、冲蚀速度以及耐火材料的气孔率,其中冲蚀角的影响为单峰型,其它均成指数关系。采用回归分析,拟合出夹杂物和钢液的冲蚀关联式,建立了精炼钢包内衬耐火材料冲蚀的数学模型。 2.对单、双吹时钢包内钢液流动特性及夹杂物去除的研究结果表明:在同等气量条件下,单吹时的混匀时间和夹杂物去除率均小于双吹,但由于单吹的临界卷渣气量较双吹大,可通过增加单吹气量的方法达到双吹对钢液的精炼效果。其吹气量为1.45m3/h时的混匀时间仅为82.44s,夹杂物去除率为62.86%,能够满足搅拌钢液达到成分和温度的快速均匀以及净化钢液的作用。 3.透气砖的外环狭缝数量变化对钢液精炼效果的影响较大,而狭缝宽度变化主要影响夹杂物去除的粒径分布,狭缝的宽窄分别有利于大粒径和微小夹杂物的去除,而对夹杂物的总去除率的贡献不大;据此优化后的PB5透气砖,同时提升了微小夹杂物及大于100目的夹杂物的去除率,从而显著增加了夹杂物的总去除率,达到67.21%;同时,为保证良好的精炼效果,透气砖偏心单吹位置应距离圆心大于0.4R。 4.针对不同透气砖底吹参数条件下钢包内衬耐火材料的蚀损状况进行了仿真计算,研究发现:相比双吹,单吹条件下钢包内衬耐火材料的蚀损程度与范围较轻;精炼钢包渣线耐火材料承受较大的蚀损;吹气量增大会加剧钢包内衬蚀损,而透气砖偏心度过大则造成透气砖内衬的局部过早损毁;因此,应在保证吹气效果的同时,尽量选择小的底吹偏心度,以免短板效应。 5.吹气量的改变会使服役中的透气砖产生温度-应力的骤变,其局部会承受较大的热应力交替,容易在近工作面部位产生裂纹和剥落;透气砖在烧氧过程中极易因周期性急冷急热而导致横断损毁,缝宽趋向窄时轴向热应力会随之降低;通过改进缝分布及降低热膨胀系数,能够明显改善透气砖在烧氧过程中的轴向热应力分布,避免其在短期内横断损毁。 6.采用MgO微粉结合系统,制备了常规性能强、热震稳定性好、更耐侵蚀的铝镁质透气砖。相较原砖,其热膨胀系数低,狭缝渗渣浅且不结瘤,能够避免长时间的烧氧处理,且能更好地抵抗服役过程中间歇底吹和烧氧处理时的热应力,可望避免透气砖横断损毁。


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