外文翻譯---物理和數(shù)學(xué)建模氬氧脫碳不銹鋼精煉工藝（譯文）

1、<p><b>　　中文3770字</b></p><p>　　物理和數(shù)學(xué)建模氬氧脫碳不銹鋼精煉工藝</p><p><b>　　魏季和</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　簡(jiǎn)要回顧現(xiàn)有的文獻(xiàn)并研究的物理和數(shù)學(xué)模型不銹鋼氬氧脫碳過(guò)程

2、。作者和 他的研究小組總結(jié)有了最新的進(jìn)展，應(yīng)用水中建模去調(diào)查液體流動(dòng)和在 18 噸位 容器內(nèi)混合特性，與氣體回流運(yùn)噴射的腐蝕效果和耐火內(nèi)層耐久性一樣并與充分 的旋轉(zhuǎn)類(lèi)似，旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)氣流噴射穿過(guò)二個(gè)環(huán)形通風(fēng)口分配主管和螺旋管類(lèi) 型。在實(shí)驗(yàn)中比例模型與原型幾何比例為 1：3.受氣體流速影響，作為實(shí)際應(yīng)用 二個(gè)通風(fēng)口角度和其它因素與螺旋風(fēng)口應(yīng)相適用，并進(jìn)行檢查。 最近的研究已 經(jīng)清楚并成功地揭示液體的流動(dòng)在浴室中的摻混特性和通氣噴射回流現(xiàn)象

3、的全 部特性，而且提供了更好的理解的精煉過(guò)程。除此之外,不銹鋼精煉過(guò)程進(jìn)行了 一個(gè)新的數(shù)學(xué)模型，提出并改進(jìn)了模式的質(zhì)量和整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡率計(jì)算方法。 另外影響的操作因素包括增加礦渣材料、廢料和合金劑等。非等溫條件的變化; 大量的金屬渣在精煉條件下，考慮其它因素，處理和分析奧氏體不銹鋼制造模型 (包括超低碳鋼)所獲得的試驗(yàn) 32 數(shù)據(jù)加熱獲得生產(chǎn) 304 級(jí)—18 噸氬氧脫碳鋼鐵 容器。浴室容器合成物變化和.應(yīng)用這個(gè)模型可以精確地預(yù)測(cè)在

4、精煉處理時(shí) 的溫度。這個(gè)模型能提供一些有用的信息并為優(yōu)化不銹鋼</p><p>　　關(guān) 鍵 詞:不銹鋼的氬氧脫碳步驟：液態(tài)流動(dòng)和混合?；亓鳜F(xiàn)象，非旋轉(zhuǎn)和 旋轉(zhuǎn)氣體噴射，脫碳，水中建模，數(shù)學(xué)建模。</p><p><b>　　一. 序論</b></p><p>　　與其他的不銹鋼精煉過(guò)程比較，這個(gè)氬氧脫碳過(guò)程中有很明顯的提高.從第 一次氬氧脫碳

5、容器建成并在 1968 年投入使用以來(lái)，這項(xiàng)煉鋼技術(shù)被廣泛應(yīng)用并 發(fā)展迅速，它遍及全世界. 并帶來(lái)了 生產(chǎn)不銹鋼和其它高鉻合金的主要方法, 同時(shí)這種方法幾乎可以用來(lái)制造所有類(lèi)型的鋼。目前超過(guò)世界 75%的的不銹鋼產(chǎn) 量是用這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。</p><p>　　在精煉過(guò)程中,幾個(gè)環(huán)形管式通風(fēng)口通常用來(lái)進(jìn)行水平鼓風(fēng)和注射。在浴室 中非常猛烈的運(yùn)動(dòng)的液體能促進(jìn)和加強(qiáng)傳熱。有利于加速反應(yīng)、提高浴室同種組 成和溫度。另一方面

6、,作為水下氣體注射技術(shù)一種重要的應(yīng)用，氬氧脫碳過(guò)程的 重要缺點(diǎn)是耐火內(nèi)層的短暫使用壽命，其明顯特征是非均勻磨損和侵蝕。它與在 鼓風(fēng)條件下液體在浴室中運(yùn)動(dòng)模式密切相關(guān)。氣體噴射回流重現(xiàn)所有水下氣體通 風(fēng)冶金過(guò)程，這是指在一種重要的因素情況下進(jìn)行調(diào)查,取得一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí), 液體流動(dòng)現(xiàn)象和混合特性與在氬氧脫碳作用時(shí)回流運(yùn)動(dòng)一樣,改進(jìn)建立數(shù)學(xué)模型 的過(guò)程，并優(yōu)化安裝設(shè)計(jì)鼓風(fēng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線控制過(guò)程。</p><p>

7、　　二. 氬氧脫碳物理模擬過(guò)程</p><p>　　在氬氧脫碳過(guò)程中，在浴室中從側(cè)墻靠近底部容器水平通入氣體，通過(guò)一些 鼓風(fēng)口（≤6），在氣液二個(gè)階段轉(zhuǎn)換外液體運(yùn)動(dòng)方式是氣體驅(qū)動(dòng)，在氣液二個(gè)階 段轉(zhuǎn)換外的液體運(yùn)動(dòng)預(yù)期將會(huì)依據(jù)雷諾數(shù)強(qiáng)制攪動(dòng)氣流為特點(diǎn)。浮力，慣性力和 重力將主要控制氣體邊側(cè)氣流量。因此，修改勞德數(shù)頻率也可以為系統(tǒng)選擇一個(gè) 決定性的無(wú)窮小值：</p><p><b>

8、　　Fr ?</b></p><p><b>　　pg</b></p><p><b>　　pl ??pa</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　u g</b></p><p>&

9、lt;b>　　g d</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　?g g</b></p><p><b>　　p g d</b></p><p>　　ug 代表氣體的速度單位是 m ??s</p><

10、;p>　　，pl 和 pg 分別是氣體和液體的密度單位是</p><p>　　kg ??cm?3 。 g 是重力加速度單位是 m ??s?1 。d 為系統(tǒng)特征尺寸單位是 m.保持液體 原型與模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)上運(yùn)動(dòng)相似性，因此,他們的修改佛勞德數(shù)需要保持相等。</p><p>　　除了維持他們的幾何相似性以外，把 d 帶入風(fēng)口直徑中關(guān)系式： ?Fr'?m ???Fr'??&

11、lt;/p><p>　　?p??0 ?????p</p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　??2 ??p</b></p><p><b>　　11</b></p><p>　　??2 ??d ??2</p>&

12、lt;p><b>　　Qm ??Q?</b></p><p><b>　　p ?</b></p><p>　　?p g 0 ????</p><p><b>　　lm ?</b></p><p><b>　　?</b></p>&

13、lt;p><b>　　lp</b></p><p><b>　　?????m ?</b></p><p><b>　　??</b></p><p><b>　　?p</b></p><p><b>　　????m ?</b>&

14、lt;/p><p><b>　　??</b></p><p><b>　　p</b></p><p><b>　　3?1</b></p><p><b>　　m ?????</b></p><p><b>　　????

15、?</b></p><p><b>　　?3</b></p><p>　　Qm 單位是 Nm ??h</p><p><b>　　風(fēng)口處氣體的密度。</b></p><p>　　， p??0 代表消耗氣體的密度單位是 kg ??Nm</p><p><b

16、>　　， p??代表</b></p><p>　　顯然，為了一個(gè)初始給定的模型系統(tǒng)，在出風(fēng)口處的氣體模型密度 pgm</p><p>　　和容器的密度 p?p ，它們是 2 個(gè)主要的參數(shù)。在封口處它們是有密切相關(guān)的氣流 數(shù)據(jù)。</p><p>　　氣體使用的主要通風(fēng)口和備用通風(fēng)口分別是：混合 O2 和 N2 （4：1），最初 提煉 N2 的階段：混

17、合 O2 ；驗(yàn)收條件在第二次(中)精煉階段氣體(3:2)，并且模 型和原型的幾何相似比為 1：3（包括主管類(lèi)型通風(fēng)口）。與建模的各種氣體和空 氣用于精煉，在應(yīng)用的通風(fēng)口中加熱氣流的條件下進(jìn)行計(jì)算初始和中期通風(fēng)階 段。這與 Qm 的價(jià)值有關(guān)，計(jì)算結(jié)果表明在二個(gè)不同的通風(fēng)階段差別不太大。中</p><p>　　期通風(fēng)階段的有關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果用表 1 表示出來(lái)：</p><p>　　表 1 中期通

18、風(fēng)階段有關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果</p><p><b>　　m1.4392+</b></p><p><b>　　g</b></p><p><b>　　l</b></p><p><b>　　2.1實(shí)驗(yàn)條件</b></p><p>　

19、　圖一 18 噸位的氬氧脫碳容器設(shè)備模型原理圖用于水中模擬實(shí)驗(yàn)（a） 和它的風(fēng)口位置安排(b)</p><p>　　圖一 （a） 是用來(lái)表示試驗(yàn)中 18 噸位氬氧脫碳容器模型設(shè)備的尺寸的原理 圖，（b）是表示 17 風(fēng)口被固定在它的側(cè)壁位置.它的二個(gè)風(fēng)口最大分離角度為</p><p>　　150 度。用黃銅做的風(fēng)口內(nèi)管的模型；外管使用紅銅做的圓形風(fēng)口管道。這個(gè)結(jié) 構(gòu)與截面直筒風(fēng)口在圖二（a

20、）（b）中分別提出來(lái):</p><p>　　圖二用于 18 噸氬氧脫碳容器模型的 結(jié)構(gòu)(a)和截面尺寸的直線管道將(b)和風(fēng)口主要風(fēng)口的螺旋平風(fēng)口(c)。</p><p>　　一個(gè)環(huán)螺旋平風(fēng)口插入一個(gè)螺旋平到中央管(主要的風(fēng)口)是用來(lái)獲取旋轉(zhuǎn) 的噴射氣體.圖二（c）表示螺旋風(fēng)口使用尺寸截圖;有效的量程 46.57 mm.它具 有更好的通風(fēng)性能。</p><p>　　

21、2.2 無(wú)窮小的混合時(shí)間</p><p>　　這個(gè)空間的分析表明,為了在浴室中混合攪拌，二個(gè)通風(fēng)口通風(fēng)時(shí)采用環(huán)形 通風(fēng)口進(jìn)行氬氧脫碳處理，以下方程是有效的。</p><p><b>　　?u ?u ?</b></p><p><b>　　p u2</b></p><p><b>　　p

22、u2</b></p><p>　　HDDppS ?</p><p>　　f ??g1 m ??g2 m ???g1 g1 ???g2 g2 ???</p><p>　　???y1 ???g2 ?</p><p><b>　　???0</b></p><p><

23、b>　　???dd</b></p><p><b>　　p gd</b></p><p><b>　　p gd</b></p><p><b>　　D ddp</b></p><p><b>　　pS ?</b></p&g

24、t;<p><b>　　?12ll</b></p><p><b>　　12l</b></p><p><b>　　1u ?</b></p><p>　　下標(biāo)1和2 分別適當(dāng)?shù)谋硎局黠L(fēng)口和備用風(fēng)口參數(shù)。D 是浴室的等效直徑， 把 u ??ug1 ?Qm1 /?Qm1 ??Q

25、m 2 ????ug 2 ?Qm 2 /?Qm1 ??Qm 2 ???d1 d2 d 和 C 分別代入主通風(fēng)口和備</p><p>　　用通風(fēng)口相等的直徑中，并把二個(gè)通風(fēng)口合二為一。</p><p>　　2.3 水下水平通風(fēng)氣體噴射回流現(xiàn)象</p><p>　　水平氣體噴射回流現(xiàn)象，在更廣泛的意義包括三個(gè)部分，第一點(diǎn)，在風(fēng)口出 口剩余氣體噴射回流現(xiàn)象是狹義的觀點(diǎn)；第

26、二點(diǎn)，噴射的反向抵抗；第三點(diǎn)，注 意在抑制液體運(yùn)動(dòng)的條件下從在側(cè)壁反向噴射大量分離氣泡運(yùn)動(dòng)。此外，氣體噴 射的回流作用與促進(jìn)在浴室中液體循環(huán)密切相關(guān)。這將保證至少有一組水平的氣 體噴射，在這個(gè)案例中,適當(dāng)?shù)幕亓鳜F(xiàn)象,主要由前者兩種作用。</p><p>　　2.4 環(huán)形螺旋平衡風(fēng)口的實(shí)際適用性并有效加以利用</p><p>　　水中模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出相對(duì)于環(huán)形螺旋風(fēng)口， 為了讓浴室可以更好的

27、攪 動(dòng)，在合適的強(qiáng)度條件下環(huán)形平螺旋風(fēng)口能夠用于主要風(fēng)口的氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因 此達(dá)到更好的混合效率。另外,將非常有效的緩解的氣體噴射回流可減少甚至消 除泡沫所帶的大量小氣泡。將非常有效的緩解的氣體噴射回流,減少了不均勻的 侵蝕速度和耐火內(nèi)層磨損。從而為水平通風(fēng)處理和氬氧脫碳處理改善耐火內(nèi)層的 使用壽命。 同樣,利用率的氧氣和利率的精煉的反應(yīng)將會(huì)明顯增加反應(yīng)接口。 值得一提的是這種類(lèi)型的風(fēng)口擁有良好的潛在利用價(jià)值和有效的復(fù)合方法并適 合在工

28、業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用。</p><p>　　三. 不銹鋼氬氧脫碳精煉處理的數(shù)學(xué)建模</p><p>　　3.1 氬氧脫碳處理分析</p><p>　　著名的氬氧脫碳不銹鋼制作，提供氧氣分離溶化狀態(tài)下鋼中的碳。氬(或氮) 同時(shí)可以降低一氧化碳通風(fēng)壓強(qiáng)和促進(jìn)脫碳。從而有效地實(shí)現(xiàn)目的并移除二氧化 碳和減少損失的鉻。然而硅錳溶解的鋼液還可以吸收吹氧和限制二氧化碳和鉻的 氧化反應(yīng)。那

29、里碳、鉻、硅、錳及其他元素的溶解在鋼在整個(gè)精煉過(guò)程中競(jìng)爭(zhēng)氧 化。</p><p>　　再者，在高碳濃度條件下。將沒(méi)有足夠的氧氣去氧化碳從大部分的鋼液轉(zhuǎn) 移到反應(yīng)接口。當(dāng)在鋼的含碳量下降到一個(gè)確定的較低的水平,大量碳從液體容 器轉(zhuǎn)移到反應(yīng)接口可以由脫碳率控制。 比較而言.它是一個(gè)臨界點(diǎn)或者一個(gè)臨 界狀態(tài)過(guò)程類(lèi)似煉鋼業(yè)的氧氣轉(zhuǎn)換器。另外,浴室總是在煉油等過(guò)程中具有明顯 的非等溫特性，可以直接強(qiáng)烈影響各種精煉的反應(yīng)的均

30、衡比率。另一個(gè)氬氧脫碳 過(guò)程的特征是浴室中氣體強(qiáng)烈活動(dòng)。前文指出，這可以有效地促進(jìn)加強(qiáng)熱和傳質(zhì) 并有利于加速和提高在浴室的溫度、位置煉油反應(yīng)。</p><p>　　以前的分析的基礎(chǔ)上,提議和發(fā)展不銹鋼精煉過(guò)程采用一種新的數(shù)學(xué)模型。 提及考慮并注意這些條件和特點(diǎn)。</p><p>　　3.2 競(jìng)爭(zhēng)的氧化元素和在元素中吹氧脫碳比例</p><p>　　在氧化精煉過(guò)程中存

31、在競(jìng)爭(zhēng)氧化的原理，類(lèi)似于在任何空間反應(yīng)體系。吹氧 在不同的元素中具有不一樣的比例分配，將精煉的條件下動(dòng)態(tài)改變比例。特別是 構(gòu)圖和溫度的浴室，吉布斯自由能量的各種氧化反應(yīng)是第一用來(lái)試圖確定這個(gè)參 數(shù)值的元素。分配在碳、鉻、硅和錳中通氧比例三級(jí)加熱溶解鋼，如圖三所示。</p><p>　　圖三為吉布斯自由能量的各種氧化反應(yīng)中三級(jí)加熱溶解鋼， 分配在碳、鉻、硅和錳中通氧比例 它也應(yīng)該強(qiáng)調(diào)給出價(jià)值觀不僅確定吉布斯自由能量

32、氧化反應(yīng)，同樣也是浴室</p><p>　　組成和溫度的影響。后者與諸多因素密切相關(guān),如在精煉過(guò)程中動(dòng)力學(xué)的研究, 熱平衡和質(zhì)量等等。</p><p><b>　　四. 總結(jié)</b></p><p>　　這項(xiàng)最新的研究提出作者和他的研究小組確定氬氧脫碳物理數(shù)學(xué)建模過(guò) 程，這些研究都明確并成功帶來(lái)在在精煉過(guò)程中浴室的液體流動(dòng)混合特性和氣體 噴射回

33、流現(xiàn)象的全部特征提供一個(gè)更好的理解方式。</p><p>　　適當(dāng)提高在前一時(shí)期氧氣和氮?dú)饬髁坎⒃诘诙未灯陂g減少氧氣流量和增 加供應(yīng)氬氣，不僅提高了浴室中的溫度并且強(qiáng)化前一時(shí)期脫碳性。并且減少鉻避 免過(guò)度浴室高溫.并在第二個(gè)環(huán)節(jié)下層中去除液鋼中的碳。其它因素,例如初始溫 度和鋼液質(zhì)量、增加作物結(jié)束。廢料和合金劑也可以改變脫碳過(guò)程。所有的因素 應(yīng)該合理控制該模型能實(shí)時(shí)在線的提供非常有用的信息并優(yōu)化氬氧脫碳不銹鋼

34、精煉過(guò)程。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p><b>　　[1]</b></p><p>　　J. C,羅杰斯浸一和史翰 G 操作的在煉鋼業(yè)中從氬氧脫碳制造過(guò)程中[J].平 衡記分卡,1978.5：107—120</p><p><b>　　[2]</b

35、></p><p>　　Figueroa R M 和 Szekely 現(xiàn)象,1985.16B：67—75</p><p>　　J 在水中數(shù)學(xué)建模模型[J].交易系統(tǒng)中湍流流動(dòng)</p><p><b>　　[3]</b></p><p>　　Szekely J and As a S 不銹鋼脫碳并優(yōu)化工業(yè)規(guī)模系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

36、建模[J].冶 金交易信用證,1974.5（7）：1573—1580</p><p>　　[4] 從 底部 通 風(fēng)口實(shí) 驗(yàn) 研究中 研 究 Aolo T 機(jī)制的 回 流現(xiàn)象 [J].1990.76 ； 20042010</p><p><b>　　[5]</b></p><p><b>　　[6]</b></p>