頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)氣液兩相流行為的模擬研究.pdf

1、頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法已成為當(dāng)今鐵水煉鋼的主流技術(shù)，轉(zhuǎn)爐底部噴嘴的支數(shù)、布置及氣體流量均對熔池內(nèi)的流場及混合效率有著重要影響。因此尋求合理的吹煉模式，并揭示熔池內(nèi)氣液兩相流行為規(guī)律，對于提高轉(zhuǎn)爐內(nèi)反應(yīng)速率、工況穩(wěn)定及產(chǎn)品質(zhì)量是十分必要的。針對頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池中項(xiàng)吹超音速射流和底吹鼓泡流雙重作用下復(fù)雜的氣液兩相流行為缺乏系統(tǒng)模擬研究和忽略氣流可壓縮性的現(xiàn)狀，本文結(jié)合國內(nèi)某廠轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹技術(shù)改造工程，建立了描述轉(zhuǎn)爐內(nèi)多孔氧槍超音速射流與多噴嘴底

2、吹氬氣鼓泡流雙重作用下的三維耦合數(shù)學(xué)模型，并采用數(shù)學(xué)和物理模擬相結(jié)合的研究方法考察底部噴嘴數(shù)目、布置、流量及頂吹參數(shù)對熔池內(nèi)氣液兩相流、混合效率及爐襯沖刷的影響。本文主要研究內(nèi)容和獲得的結(jié)果如下：
　　(1)根據(jù)相似原理建立了幾何比為1∶4.56的頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐物理模型研究體系，通過加入示蹤劑來監(jiān)測熔池中不同區(qū)域兩點(diǎn)的濃度變化曲線來測定熔池混勻時間，考察底吹噴嘴數(shù)量、布置、流量以及頂吹參數(shù)等對熔池混勻時間的影響，并為數(shù)值模擬驗(yàn)證提供

3、基礎(chǔ)。
　　(2)采用可壓縮模型描述了四孔氧槍噴頭頂吹超音速射流衰減行為，并耦合界面波動模型VOF(Volume of Fluid)及Lagrange多相流模型DPM(Discrete Phase Model)建立了描述頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)的氣液兩相流行為的數(shù)學(xué)模型。在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，考察了底部噴嘴數(shù)量、布置、底吹流量及頂吹參數(shù)對熔池內(nèi)氣液兩相流行為、混合效率及爐襯沖刷的影響，并提出了合理的吹煉模式。結(jié)果表明:
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4、頂吹超音速氣體在噴槍出口出現(xiàn)強(qiáng)烈脈動，流體的可壓縮性對氣流衰減行為有很大影響。在純頂吹條件下，四孔噴頭頂吹超音速射流對熔池液面沖擊產(chǎn)生四個獨(dú)立凹坑，轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼液沿著凹坑流向四周，并形成環(huán)流運(yùn)動，在爐底區(qū)域鋼液流動微弱，熔池的混勻時間為523 s。加入底吹后，熔池底部鋼液速度增大，熔池混勻時間為99 s，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池的混合效率明顯優(yōu)于純頂吹轉(zhuǎn)爐。
　　②隨著爐底噴嘴數(shù)量的增加，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的混勻時間先減小后增大，爐底采用三個噴嘴時

5、，熔池流動混合效果要優(yōu)于四個或者兩個的情況;隨著噴嘴遠(yuǎn)離爐底中心，混勻時間先減小后增大，當(dāng)噴嘴布置在0.4D環(huán)上（D為爐底直徑）時，混勻時間最短;隨著底吹噴嘴與耳軸間的角度θ的增大，混合時間先增大后減小，當(dāng)θ=45°時，轉(zhuǎn)爐熔池的混勻時間最短;噴嘴采用非等距布置(0.35D，0.35D，0.4D)方案時，轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)環(huán)流均勻性要優(yōu)于三噴嘴等距布置;底吹流量對熔池混合時間有著重要影響，隨著底吹氣流量的增大，熔池混勻時間減小。
　　③頂

6、槍吹煉參數(shù)對熔池內(nèi)混合效率的影響不大，隨著項(xiàng)槍槍位的增加，熔池內(nèi)凹坑深度逐漸減小，混勻時間先減小后略有增加;隨著頂槍供氧壓力的增大，凹坑深度和混勻時間逐漸增大。在供氧制度允許范圍內(nèi)，升高氧槍或者減小供氧壓力有利于提高熔池混合效率。
　?、苻D(zhuǎn)爐爐襯受鋼液沖擊應(yīng)力最大值出現(xiàn)在液面以下熔池深度80％處，隨著底吹噴嘴數(shù)量以及噴嘴距離爐底中心距離的增加，爐襯受鋼液的沖擊應(yīng)力逐漸減小;隨著氧槍槍位的升高，或者供氧總壓的降低，爐襯所受沖擊應(yīng)力逐

7、漸變小。
　　(3)基于上述優(yōu)化結(jié)果，對國內(nèi)某廠純頂吹轉(zhuǎn)爐進(jìn)行項(xiàng)底復(fù)吹工業(yè)改造，對比分析了改造前后的冶金效果及經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明:
　?、俑脑旌筠D(zhuǎn)爐冶煉化渣速度加快，吹煉平穩(wěn)，爐渣流動性及粘稠度適中，冶煉過程中噴濺事故大大降低。純吹氧時間縮短30～60 s，濺渣時間縮短60 s左右。
　?、诟脑旌罂梢垣@得理想的冶煉終點(diǎn)控制水平，鋼-渣接觸充分，爐渣形成條件理想，復(fù)吹爐次長條狀及板柱狀存在的C3S數(shù)量較頂吹轉(zhuǎn)爐的多25％