转炉吹炼过程分散相在连续相中分布的研究

论文摘要

对于大多数冶金反应系统，分散相与熔体连续相间的总反应速率与化学动力学过程无关，而决定于一些物理过程。为了加速物质的交换，经常使系统弥散化。为确定此这种体系的反应速度，必须确定分散相与连续相的反应界面积，但是利用欧氏几何的方法估算反应界面积并不精确。 本文依据相似定理，利用二维水模型对转炉吹炼中的渣金混合及乳化过程进行了物理模拟。利用数码相机进行摄影，由编制的计算机程序对图像进行处理与计算，应用分形理论对渣金母相边界的织构分维数、分散相分布的计盒分维数及分散相的粒度和坐标分布进行了分析研究，进而对渣金界面面积进行了计算。 在转炉吹炼过程中由于湍流的产生使渣金分散相相界面往往是粗糙、破碎的，分散相的分布可能是间断的或虽然连续但不可微。本课题研究中首先利用分形理论中的分维数来描述顶、复吹转炉吹炼过程中钢、渣滴分散相在连续相中的分布变化及渣金母相边界界面变化。发现在进行单一顶吹条件下，炉渣在钢液中的分布存在较明显的炉渣母相形变区及分裂区。而复吹过程中由于底吹气体的介入，使渣金间更充分混合。因此，可以认为复合吹炼使熔池趋于稳定，且不需要较大顶吹强度的条件下即可达到单一顶吹条件下所能达到的渣金混合效果。 对各操作条件下渣金母相边界织构分维数与分散相分布计盒分维数的计算表明：织构分维数是评价渣金母相界面相糙程度的重要依据。织构分维数随顺、底吹流量的增加、枪位的降低、渣金比的减小而增加，其中顶、底吹流量为决定因素；渣金分散相分布的计盒分维数是评价渣金混合状态的重要参数，分散相分布的计盒分维数越大，渣金乳化现象越激烈。并由此给出渣金母相边界织构分维数、钢滴及渣滴分散相分布的计盒分维数与操作条件之间的经验关系式。 本文还对吹炼过程分散相的粒度分布及坐标分布进行了研究，结果表明：存在于连续相中的各粒度级别分散相集簇出现的频率与其尺寸存在一定比例关系，利用这一比例关系可以描述分散相的粒度分布。而分散相无量纲坐标分布则可用于描述其在连续相中分布的均匀程度。并给出各操作条件对粒度分布和坐标分布影响的经验关系式。 最后由分形理论的余维相加定律利用得到的二维条件下渣金母相边界的织构分维数与钢、渣分散相计盒分维数推导出三维条件下的分维数，进而由投影关系计算出各操作条件下

论文目录

• 独创性声明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 分形理论的发展
• 1.2 课题提出的背景
• 1.3 课题实施的主要内容
• 第二章 转炉吹炼过程分散相在连续相中分布的物理模拟
• 2.1 前人的工作
• 2.2 水模型物理模拟参数的确定
• 2.2.1 水模型几何参数的确定
• 2.2.2 模型顶吹供气量的计算
• 2.2.3 模型底吹时底枪布置及供气量的计算
• 2.2.4 水模型顶吹及底吹搅拌能的计算
• 2.3 分散相图像的获得及图像的处理方法
• 2.3.1 数码图像的获得
• 2.3.2 实验图像的处理与分析
• 2.3.2.1 图像处理的研究内容
• 2.3.2.2 实验图像处理方法
• 第三章 转炉吹炼过程分散相分布分维数的计算
• 3.1 引言
• 3.2 渣金母相边界织构的分维数研究
• 3.2.1 渣金母相边界织构分形的测量和计算方法
• 3.2.2 渣金母相边界织构的分维数测量结果及分析
• 3.3 转炉吹炼过程分散相在连续相中的计盒分维数研究
• 3.3.1 计盒维数的定义
• 3.3.2 分散相计盒维数的计算
• 3.3.2.1 分布于熔渣连续相中钢滴分散相的计盒分维数
• 3.3.2.2 分布于钢液连续相中渣滴分散相的覆盖分维数
• 3.4 本章结论
• 第四章 转炉吹炼过程分散相的粒度及坐标分布
• 4.1 分散相粒度分布及坐标分布研究的目的和意义
• 4.2 转炉吹炼中的乳化现象及分散相液滴形成的条件
• 4.2.1 乳化现象的产生
• 4.2.2 转炉吹炼过程分散相液滴形成的条件
• 4.2.2.1 转炉吹炼过程钢液滴形成的条件
• 4.2.2.2 转炉吹炼过程渣滴形成的条件
• 4.3 转炉吹炼过程分散相在熔池湍流中的运动
• 4.4 转炉吹炼中分散相在连续相中的粒度大小分布
• 4.4.1 分散相在连续相中的粒度大小分布的研究方法
• 4.4.2 二维条件复吹转炉钢滴分散相的粒度分布
• 4.4.3 二维条件复吹转炉渣滴分散相的粒度分布
• 4.5 转炉吹炼过程分散相在连续相中的坐标分布研究
• 4.5.1 分散相坐标分布研究中的坐标系选取及坐标计算
• 4.5.2 钢滴、渣滴分散相坐标分布计算结果与分析
• 4.5.3 顶吹及复吹条件下钢、渣滴分散相无量纲坐标分布与边界条件的关系
• 4.5.3.1 单一顶吹条件下钢滴分散相无量纲坐标分布与边界条件的关系
• 4.5.3.2 单一顶吹条件下渣滴分散相无量纲坐标分布与边界条件的关系
• 4.5.3.3 复吹条件下钢滴分散相无量纲坐标分布与边界条件的关系
• 4.5.3.4 复吹条件下渣滴分散相无量纲坐标分布与边界条件的关系
• 4.6 转炉吹炼中各粒度级别分散相在连续相中的存在区域
• 4.6.1 各粒度级别钢滴分散相在渣相中的存在区域
• 4.6.2 各粒度级别渣滴分散相在钢液中的存在区域
• 4.7 本章结论
• 第五章 顶吹及复吹转炉渣金反应界面面积的定量计算
• 5.1 引言
• 5.2 渣金相界面面积的定量计算
• 5.2.1 渣金母相边界二维无量纲长度的计算
• 5.2.2 分形理论余维相加定律的应用
• 5.2.3 渣金母相边界三维界面面积的计算
• 5.2.4 顶吹及复吹过程分散相在连续相中相界面积的定量计算
• 5.2.4.1 基于体视学理论下的对分散相界面面积计算方法
• 5.2.4.2 应用分形几何理论对分散相界面面积的处理方法
• 5.3 炉渣中钢滴分散相的界面面积与边界条件的关系
• 5.3.1 顶吹转炉炉渣中钢滴分散相的界面面积与边界条件的关系
• 5.3.2 复吹转炉炉渣中钢滴分散相的界面面积与边界条件的关系
• 5.3.3 渣滴分散相在钢液连续相中的界面面积与熔池搅拌能的关系
• 5.3.3.1 顶吹转炉搅拌能与炉渣分散相界面面积的关系
• 5.3.3.2 复吹转炉搅拌能与分散相炉渣界面面积的关系
• 5.4 实际转炉吹炼过程渣金界面面积的计算
• 5.4.1 实型转炉吹炼中的渣金母相界面面积
• 5.4.2 实型转炉吹炼中的渣金分散相界面面积
• 5.5 本章结论
• 第六章 总结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文目录