超声波钢包搅拌数值模拟

论文摘要

长期以来钢包精炼采用底吹气体搅拌进行钢液脱氧、脱硫、脱磷、去除杂质等。但是底吹气体搅拌往往由于存在着循环死区等限制性因素,不能充分发挥脱硫、脱磷、脱氧剂效率的动力学条件。本论文以某厂180t LF钢包相似水模型为研究对象,利用FLUENT软件对底吹气搅拌和超声搅拌进行数值模拟。通过对比分析底吹气搅拌流场与超声波搅拌流场,探讨超声波应用于钢包精炼,改善其动力学条件,提高精炼效果的可能性。得到的具体结论如下:(1)钢包精炼底吹气体搅拌流场模拟中,形成一大一小两个循环流;随着吹气量的不同,形成的两个循环流大小发生变化,并且影响流体的绝对速度,所以不同的吹气量对流场的搅拌效果也不同。数值模拟得出吹气量为0.1m3/h时为最佳选择。(2)超声搅拌模拟中,工具杆在第一步的运动中就使得整个流场内压力发生剧烈变化,工具杆下部产生很大的负压区域,将高压区液体压入到低压区域,使液体产生比较规律的流动。通过对比分析,当超声振头处于250mm、功率为2000W时,有助于液体的循环流动,对流场的搅拌更好。(3)超声搅拌与底吹气体搅拌相比,由于工具杆振动使流场产生负压区域,在负压区由于空化作用产生大量的小气泡,在小气泡爆裂或者闭合的瞬间,会在局部产生很大的压强,使流场发生剧烈的搅拌,所以超声搅拌同样具有良好的去气效果。吹气搅拌随着气体量的增加,容易出现卷渣现象,超声搅拌相对于气体搅拌,液面波动较小,避免出现卷渣现象对液体产生污染,同时超声搅拌可以减少容器底部“死区”的出现。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 超声波技术简介
• 1.1.1 超声波技术发展
• 1.1.2 超声波技术分类
• 1.2 超声波技术应用
• 1.2.1 超声波技术的应用分类
• 1.2.2 超声波在冶金方面的应用
• 1.3 炉外精炼技术与数值模拟理论
• 1.3.1 炉外精炼技术的发展及现状
• 1.3.2 数值模拟理论
• 1.4 本文研究的意义和内容
• 1.4.1 研究的意义
• 1.4.2 研究的内容
• 2 功率超声应用的理论基础
• 2.1 超声的基本物理参数
• 2.2 超声的传播
• 2.2.1 超声的衰减
• 2.2.2 超声的散射与绕射
• 2.2.3 超声的反射和折射
• 2.2.4 超声的干涉
• 2.3 超声空化及其效应
• 2.3.1 空化泡的主要参数
• 2.3.2 超声波作用下空化泡的运动
• 2.3.3 混响场的超声空化
• 2.3.4 空化强度的测量
• 2.4 功能超声的功率测量
• 3 数值模拟原理
• 3.1 基本控制方程
• 3.1.1 质量守恒方程
• 3.1.2 动量守恒方程
• 3.1.3 能量守恒方程
• 3.2 离散化方程
• 3.2.1 有限差分法
• 3.2.2 有限体积法
• 3.2.3 有限元法
• 3.3 数值计算算法分析
• 3.3.1 分离解法
• 3.3.2 耦合解法
• 4 底吹气搅拌流场的数值模拟
• 4.1 FLUENT 软件介绍
• 4.1.1 FLUENT 概述
• 4.1.2 求解策略
• 4.2 模型的建立及求解
• 4.2.1 水模实验设备
• 4.2.2 模型的建立
• 4.2.3 数值求解
• 4.3 流场计算结果分析
• 5 超声波搅拌流场的数值模拟
• 5.1 模型的建立及求解
• 5.1.1 水模实验设备
• 5.1.2 模型的建立
• 5.1.3 数值求解
• 5.2 流场计算结果分析
• 5.2.1 模拟计算结果分析
• 5.2.2 超声波振头不同位置流场结果分析
• 5.2.3 超声波不同功率流场结果分析
• 5.3 超声搅拌与气体搅拌结果对比
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢