中間包氣幕擋墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其夾雜物去除的數(shù)學(xué)物理模擬研究.pdf

1、隨著潔凈鋼的發(fā)展，中間包在鋼水精煉中的地位與作用日益得到人們的重視。由于氬氣泡對鋼液中微小夾雜物的去除作用，近年來，中間包氣幕擋墻技術(shù)在超純凈鋼生產(chǎn)中的作用已引起了冶金及材料科技工作者的廣泛關(guān)注。吹氣參數(shù)的控制是氣幕擋墻技術(shù)能否有效發(fā)揮中間包冶金作用的關(guān)鍵，而吹氣元件—?dú)饽粨鯄Υu的性能及結(jié)構(gòu)制約著吹氣參數(shù)的制定。以往對氣幕擋墻中間包的數(shù)學(xué)物理模擬研究中，對氣幕擋墻磚進(jìn)行了較多的簡化，與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)使用的氣幕擋墻磚性能尚有一定區(qū)別。

2、 本文根據(jù)中間包氣幕擋墻磚的實(shí)際使用條件，首先研究了影響氣幕擋墻磚性能的因素，并制備了與實(shí)際生產(chǎn)使用的透氣磚微觀結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)相同的氣幕擋墻磚做水模研究。采用自制的水模型氣幕擋墻磚為吹氣元件進(jìn)行了水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，并將多孔介質(zhì)模型應(yīng)用于描述氣體在氣幕擋墻磚內(nèi)的流動，首次采用用數(shù)學(xué)物理模擬相結(jié)合的方法研究了氣幕擋墻磚性能參數(shù)對中間包流體流動特性的影響?？紤]中間包內(nèi)夾雜物的碰撞長大、壁面吸附、Stokes上浮及氣泡吸附作用，用拉格朗日隨機(jī)軌

3、道模型模擬計算了氣幕擋墻中間包內(nèi)夾雜物的運(yùn)動軌跡及去除率，并分析了影響夾雜物運(yùn)動及去除率的因素，進(jìn)一步完善了氣幕擋墻中間包內(nèi)夾雜物去除的數(shù)學(xué)模型。在上述研究的基礎(chǔ)上，對某煉鋼廠二流板坯中間包進(jìn)行了氣幕擋墻技術(shù)的數(shù)學(xué)物理模擬研究，并優(yōu)化了吹氣參數(shù)。論文研究得出了以下結(jié)論： 1.研究了粒度組成、細(xì)粉加入量、外加劑等對氣幕擋墻磚剛玉—莫來石透氣層材質(zhì)的物理性能及顯微結(jié)構(gòu)的影響，首次利用因次分析中的π定理分析了影響氣體在氣幕擋墻磚內(nèi)流動

4、時的阻力系數(shù)。研究結(jié)果表明，當(dāng)細(xì)粉加入量15﹪左右，并配以膨脹劑、分散劑等外加劑，采用振動澆注施工，可以制得顯氣孔率達(dá)30﹪以上，并具有較高的強(qiáng)度，良好的透氣性，孔徑分布均勻的透氣磚；氣體在氣幕擋墻磚內(nèi)流動的粘性阻力系數(shù)及慣性阻力系數(shù)與氣體的雷諾準(zhǔn)數(shù)、透氣磚的平均孔徑、氣孔率、透氣磚的特征尺寸的關(guān)聯(lián)式可分別表示為：1/α·d20=11.9819Re-0.97337(d0/L)1.17335Ps-3.28532C2·d0=-30.8639

5、9Re-2.1684(d0/L)-4.7716Ps-4.1378該關(guān)聯(lián)式的適用范圍為Re：30～1000。 2.水力學(xué)模擬與數(shù)學(xué)模擬結(jié)果表明，多孔介質(zhì)模型能更好的描述氣體在氣幕擋墻磚內(nèi)的流動過程。氣幕擋墻磚的氣孔率及透氣度對形成氣泡的大小、氣泡的逃逸速度有重要影響，對中間包內(nèi)鋼液的流動特性及氣體的體積分布有一定影響。在吹氣參數(shù)相同時，氣幕擋墻磚的氣孔率及透氣度越大，所形成的氣泡越大，氣泡進(jìn)入鋼液的初始速度越大，從而帶動鋼液向上流

6、動的速度增加，中間包內(nèi)全混流體積分?jǐn)?shù)增加，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)降低，上浮到液面的氣體的體積分?jǐn)?shù)增加，對平均停留時間、活塞流體積分?jǐn)?shù)及中間包內(nèi)氣體的體積分?jǐn)?shù)影響不大。 3.研究表明，氣幕擋墻中間包內(nèi)夾雜物通過碰撞長大、Stokes上浮作用、耐火材料壁面吸附作用、氣泡對夾雜物的粘附作用而去除。壁面吸附及夾雜物的碰撞長大對夾雜物去除率的影響不大，只占總?cè)コ雎实?﹪左右；大顆粒夾雜物主要通過Stokes上浮作用而去除；小顆粒夾雜物主要靠氣泡吸附

7、作用而去除，占總?cè)コ实?0﹪以上。 4.對某煉鋼廠二流板坯中間包的數(shù)學(xué)物理模擬研究表明，氣幕擋墻中間包內(nèi)吹氣參數(shù)及控流裝置的使用情況對鋼液流動特性、氣體的體積分布及夾雜物去除率有重要影響：(1)在只有湍流控制器的中間包內(nèi)，使用氣幕擋墻技術(shù)可以顯著改善中間包內(nèi)流體的流動特性，延長流體停留時間，降低死區(qū)體積，促進(jìn)夾雜物的上浮去除。其中吹氣參數(shù)對鋼液流動特性、氣體的體積分布、夾雜物去除率有重要影響，吹氣量的適宜范圍為1.70～2.1

8、5m3/h，若出口距離鋼液入口的距離為L，吹氣位置與鋼液入口的距離應(yīng)控制在0.5L～0.8L。 (2)氣幕擋墻代替中間包內(nèi)的擋渣堰或擋渣壩均可以有效延長鋼液的停留時間，促進(jìn)夾雜物上浮去除。其中代替壩時，效果更顯著。 (3)在同時使用湍流控制器、堰、壩的中間包內(nèi)，在能形成有效氣幕并不引起表面卷渣的吹氣量下，氣幕擋墻的位置對流體流動特性有重要影響。當(dāng)氣幕擋墻位于堰、壩之間時，停留時間及對澆注區(qū)鋼液流動特性影響不大，注入?yún)^(qū)鋼液