顶底复吹转炉内气液两相流行为的模拟研究

论文摘要

顶底复吹转炉炼钢法已成为当今铁水炼钢的主流技术,转炉底部喷嘴的支数、布置及气体流量均对熔池内的流场及混合效率有着重要影响。因此寻求合理的吹炼模式,并揭示熔池内气液两相流行为规律,对于提高转炉内反应速率、工况稳定及产品质量是十分必要的。针对顶底复吹转炉熔池中顶吹超音速射流和底吹鼓泡流双重作用下复杂的气液两相流行为缺乏系统模拟研究和忽略气流可压缩性的现状,本文结合国内某厂转炉顶底复吹技术改造工程,建立了描述转炉内多孔氧枪超音速射流与多喷嘴底吹氩气鼓泡流双重作用下的三维耦合数学模型,并采用数学和物理模拟相结合的研究方法考察底部喷嘴数目、布置、流量及顶吹参数对熔池内气液两相流、混合效率及炉衬冲刷的影响。本文主要研究内容和获得的结果如下：（1）根据相似原理建立了几何比为1：4.56的顶底复吹转炉物理模型研究体系,通过加入示踪剂来监测熔池中不同区域两点的浓度变化曲线来测定熔池混匀时间,考察底吹喷嘴数量、布置、流量以及顶吹参数等对熔池混匀时间的影响,并为数值模拟验证提供基础。（2）采用可压缩模型描述了四孔氧枪喷头顶吹超音速射流衰减行为,并耦合界面波动模型VOF （Volume of Fluid）及Lagrange多相流模型DPM （Discrete Phase Model）建立了描述顶底复吹转炉内的气液两相流行为的数学模型。在与实验数据对比验证的基础上,考察了底部喷嘴数量、布置、底吹流量及顶吹参数对熔池内气液两相流行为、混合效率及炉衬冲刷的影响,并提出了合理的吹炼模式。结果表明：①顶吹超音速气体在喷枪出口出现强烈脉动,流体的可压缩性对气流衰减行为有很大影响。在纯顶吹条件下,四孔喷头顶吹超音速射流对熔池液面冲击产生四个独立凹坑,转炉内钢液沿着凹坑流向四周,并形成环流运动,在炉底区域钢液流动微弱,熔池的混匀时间为523s。加入底吹后,熔池底部钢液速度增大,熔池混匀时间为99s,顶底复吹转炉熔池的混合效率明显优于纯顶吹转炉。②随着炉底喷嘴数量的增加,顶底复吹转炉的混匀时间先减小后增大,炉底采用三个喷嘴时,熔池流动混合效果要优于四个或者两个的情况；随着喷嘴远离炉底中心,混匀时间先减小后增大,当喷嘴布置在0.4D环上（D为炉底直径）时,混匀时间最短；随着底吹喷嘴与耳轴间的角度θ的增大,混合时间先增大后减小,当θ=450时,转炉熔池的混匀时间最短；喷嘴采用非等距布置（0.35D,0.35D,0.4D）方案时,转炉熔池内环流均匀性要优于三喷嘴等距布置；底吹流量对熔池混合时间有着重要影响,随着底吹气流量的增大,熔池混匀时间减小③顶枪吹炼参数对熔池内混合效率的影响不大,随着顶枪枪位的增加,熔池内凹坑深度逐渐减小,混匀时间先减小后略有增加；随着顶枪供氧压力的增大,凹坑深度和混匀时间逐渐增大。在供氧制度允许范围内,升高氧枪或者减小供氧压力有利于提高熔池混合效率。④转炉炉衬受钢液冲击应力最大值出现在液面以下熔池深度80%处,随着底吹喷嘴数量以及喷嘴距离炉底中心距离的增加,炉衬受钢液的冲击应力逐渐减小；随着氧枪枪位的升高,或者供氧总压的降低,炉衬所受冲击应力逐渐变小。（3）基于上述优化结果,对国内某厂纯顶吹转炉进行顶底复吹工业改造,对比分析了改造前后的冶金效果及经济效益,结果表明：①改造后转炉冶炼化渣速度加快,吹炼平稳,炉渣流动性及粘稠度适中,冶炼过程中喷溅事故大大降低。纯吹氧时间缩短30-60s,溅渣时间缩短60s左右。②改造后可以获得理想的冶炼终点控制水平,钢-渣接触充分,炉渣形成条件理想,复吹炉次长条状及板柱状存在的C3S数量较顶吹转炉的多25%-30%,且C3S相较粗大。③改造后小型转炉冶炼终点[C][O]积小于0.0030；小型转炉冶炼成本比顶吹转炉10.11RMB/ton钢；小型转炉底吹元件实现炉役同步。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 复吹转炉炼钢技术的发展
• 1.1.1 顶吹氧气转炉炼钢法
• 1.1.2 底吹转炉炼钢法
• 1.1.3 顶底复吹炼钢法
• 1.2 复吹转炉炼钢技术的类型
• 1.3 底吹元件、底吹气源及渣金蘑菇头
• 1.3.1 底部供气元件及其发展
• 1.3.2 底吹气源的种类和优缺点
• 1.3.3 蘑菇头的组织结构及形成机理
• 1.4 顶底复吹转炉冶炼过程中气液两相流行为的研究
• 1.4.1 水模型研究现状
• 1.4.2 数值模拟研究现状
• 1.5 本文研究的内容、目的和意义
• 1.5.1 本文研究的目的和意义
• 1.5.2 本文研究的内容和创新点
• 第2章 顶底复吹转炉熔池内混合特性水模拟研究
• 2.1 实验原理及模型的建立
• 2.1.1 几何相似及参数确定
• 2.1.2 动力相似及参数确定
• 2.2 实验装置
• 2.3 实验方法及方案设计
• 2.3.1 实验方法
• 2.3.2 复吹转炉优化实验方案
• 2.4 结果分析
• 2.4.1 纯顶吹、纯底吹及顶底复吹转炉的混匀特性
• 2.4.2 底吹供气元件数量的影响
• 2.4.3 底吹供气元件布置方式的影响
• 2.4.4 顶吹枪位、流量的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 顶底复吹转炉内气液两相流数学模型的建立
• 3.1 复吹转炉几何模型的构建
• 3.2 建立描述顶底复合吹炼多相流模型
• 3.2.1 氧枪顶吹超音速射流行为方程
• 3.2.2 液面凹坑及熔池运动的控制方程
• 3.2.3 熔池湍流行为控制方程
• 3.2.4 底吹气泡行为控制方程
• 3.2.5 组分传输控制方程
• 3.2.6 边界条件
• 3.3 控制方程离散化
• 3.4 方程求解方法和收敛条件
• 3.4.1 求解方法
• 3.4.2 收敛条件
• 3.5 本章小结
• 第4章 顶底复吹转炉内气液两相流行为的数值模拟研究
• 4.1 氧枪顶吹气体射流的模拟与验证
• 4.2 纯顶吹转炉与顶底复合吹炼转炉的模拟结果对比
• 4.2.1 熔池运动
• 4.2.2 混匀时间
• 4.3 底吹模式的优化控制
• 4.3.1 底部喷嘴数量的影响
• 4.3.2 喷嘴位置的影响
• 4.3.3 喷嘴角度的影响
• 4.3.4 喷嘴非等距的影响
• 4.3.5 喷吹流量的影响
• 4.4 顶吹模式优化控制
• 4.4.1 顶吹枪位的影响
• 4.4.2 顶吹流量的影响
• 4.5 本章小结
• 4.5.1 转炉内气液两相流运动规律
• 4.5.2 转炉顶底复吹模式的优化
• 4.5.3 顶底复吹转炉炉衬的冲击应力
• 第5章 转炉顶底复吹优化模式的工业应用
• 5.1 国内某厂50吨转炉顶底复合吹炼改造
• 5.1.1 转炉、顶枪参数
• 5.1.2 底吹供气元件及布置位置的确定
• 5.1.3 底吹供气参数的确定
• 5.2 复吹改造后冶金效果
• 5.2.1 冶炼操作过程平稳冶炼周期缩短
• 5.2.2 炉渣组元
• 5.2.3 冶炼终点碳氧积[C][O]
• 5.2.4 顶吹、复吹工艺条件下铸坯和成品轧材中夹杂物含量对比分析
• 5.2.5 冶炼成本
• 5.3 复吹改造后冶炼过程中出现的问题及采取的措施
• 5.3.1 个别底枪发生堵塞现象
• 5.3.2 个别底枪发生漏气现象
• 5.3.3 炉底接缝处发生漏气现象
• 5.3.4 炉底上涨或下降过快现象
• 5.3.5 制定的具体措施及效果
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读学位期间获得成果