论文题目: 钢液RH精炼非平衡脱碳过程的数学模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 钢铁冶金
作者: 胡汉涛
导师: 魏季和
关键词: 钢液精炼过程,非平衡态热力学,非平衡脱碳,数学和物理模拟
文献来源: 上海大学
发表年度: 2005
论文摘要: 回顾了钢液RH精炼技术的发展历程和取得的进展,概述了其冶金功能。分析和综述了有关该过程数学和物理模拟研究已有的成果和现状。另外,探讨了关于上升管中液相内气泡的直径和RH精炼过程脱碳机理的研究。 介绍了非平衡态热力学的基本理论。以纯净钢（超低碳钢和超低硫钢）的真空循环（RH）精炼为例,说明了冶金过程的非线性和非平衡性特征,分析了冶金反应工程学和非平衡态热力学的异同,讨论了基于非平衡态热力学和冶金反应工程学的观点、原理和方法研究和处理实际冶金过程的必要性和可行性。指出:为真实地定量描述实际冶金过程,必须充分考虑其非平衡性和非线性的特点;非平衡态热力学在冶金领域应该和能够发挥其作用,应该加强、加速开展和进行冶金过程非平衡态热力学及其应用的研究。对非平衡态热力学线性区的几种特殊情况分析了相应的本构关系、交互作用系数和唯象系数,并简要介绍和评述了已有的一些工作;从热力学稳定性分析出发,评述了非线性非平衡态热力学理论在电解和碳氧反应两个冶金过程中的应用研究。对非平衡态热力学线性区的几种特殊情况分析了相应的本构关系、交互作用系数和唯象系数,并简要介绍和综述了已有的一些工作;从热力学稳定性分析出发,评述了非线性非平衡态热力学理论在铝电解和钢液的脱碳两个冶金过程中的应用研究。 针对90 tRH多功能RH装置,在1∶5的水模型上,测定了钢液的循环流量,采用电导法测定了RH钢包内钢液的混合时间,显示了钢包内液体的流动状态和流场,由此研究了吹气管直径的变化对90 tRH装置内钢液的循环流动和混合特性的影响,得出以下结论:环流量随吹气管直径的增大有所增大,考虑吹气管直径影响的环流量关系为:Ql∝Qg0.23Du0.72Dd0.88din0.13;随着吹气管直径的增大,RH钢包内液体流态基本不变;随着吹气管直径的增大,混合时间略有缩短;在吹气管直径为1.2 mm情况下,混合时间与搅拌能密度的关系为τm∝ε-0.49。 基于气—液双流体模型和湍流的修正k-ε模型,提出了RH循环精炼过程中钢液流动的数学模型,确定了模型的有关参数,按等截面喷枪内气体的加热和摩擦流计算了上升管内提升气体的入口参数,由气流和钢液间的穿热估算了提升气体在上升管钢液内所达到的温度。应用该模型对90 tRH装置及线尺寸为其1/5的水模型装置内流体的流动作了模拟和估计,结果表明,该模型可以相当精确地模拟整个RH装置内液体的循环流动;吹入的提升气体主要集中在管壁附近,难以到达上升管的中心部位,存在气体的所谓附壁效应,在实际RH精炼条件下更为
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1．1 RH精炼过程概要
1．2 RH精炼过程中的喷吹工艺
1．2．1 RH精炼过程中的吹氧
1．2．2 RH精炼过程中的喷粉
1．3 RH精炼技术的冶金功能
1．3．1 脱碳
1．3．2 脱氧和夹杂去除
1．3．3 RH精炼过程中的脱硫
1．4 RH精炼过程计算机控制的工艺模型及其应用概况
本章符号说明
第二章 RH精炼过程的物理和数学模拟及有关的研究
2．1 RH精炼过程的物理模拟
2．1．1 RH精炼装置物理模型的建立及参数的测定
2．1．2 RH精炼过程的有关特性参数及影响因素
2．2 RH精炼过程中钢液流动的数学模拟
2．2．1 RH钢包内钢液流动的二维数学模拟
2．2．2 RH钢包内钢液流动的三维数学模拟
2．2．3 RH装置内钢液流动的三维数学模拟
2．3 钢液RH精炼脱碳过程的数学模拟
2．3．1 Yamaguchi等的模型
2．3．2 Kleimt等的模型
2．3．3 Takahashi等的模型
2．3．4 魏季和郁能文模型
2．3．5 RH脱碳过程的三维数学模型
2．4 RH装置上升管中液相内的气泡直径
2．4．1 低温常压下的喷吹
2．4．2 高温常压下的喷吹
2．4．3 常温低压下的喷吹
2．4．4 模型和实际RH装置上升管部位气泡直径的确定
2．5 RH精炼过程中钢液脱碳机理的研究
2．5．1 真空感应炉内脱碳的研究
2．5．2 真空悬浮熔炼条件下钢液的脱碳研究
2．5．3 真空循环精炼过程中钢液的脱碳
本章符号说明
第三章 非平衡态热力学
3．1 非平衡态热力学的发展历程
3．2 基本方程
3．2．1 控制方程
3．2．2 本构关系
3．2．3 熵的衡算方程和熵产生
3．3 本构方程的封闭和简化
3．3．1 本构方程的封闭
3．3．2 本构方程的简化
3．4 线性非平衡态热力学
3．4．1 本构方程
3．4．2 空间对称性—Curie-Prigogine原理
3．4．3 时间对称性—Onsager倒易关系
3．5 非平衡态热力学的一些热力学函数及热力学关系
3．5．1 补偿函数(Compensation Function)
3．5．2 热力学关系
3．6 本章小结
本章符号表
第四章 冶金过程和非平衡态热力学
4．1 冶金过程的非线性和非平衡性
4．2 冶金反应工程学和非平衡态热力学的异同
4．3 对实际非线性非平衡冶金过程的研究现状
4．4 应用非平衡态热力学研究冶金过程的必要性和可行性
4．5 非平衡态热力学在冶金过程研究中的应用
4．5．1 线性非平衡态热力学在冶金过程研究中的若干应用实例
4．5．2 非线性非平衡态热力学在冶金过程研究中的若干应用实例
4．6 本章小结
4．7 本工作的研究目的和内容
本章符号表
第五章 吹气管直径对RH精炼过程中钢液流动和混合特性的影响
5．1 模型设计与装置
5．2 测量方法
5．2．1 环流量的测定
5．2．2 混合时间的测定
5．2．3 钢包内液体流态的显示
5．2．4 流量计示值的修正
5．3 结果及讨论
5．3．1 吹气管直径对环流量的影响
5．3．2 吹气管直径对RH钢包内液体流态的影响
5．3．3 吹气管直径对混合时间的影响
5．4 本章结论
本章符号说明
第六章 真空循环精炼过程中钢液流动的数学模拟
6．1 基本假设
6．2 控制方程
6．2．1 相连续性方程
6．2．2 相动量守恒方程
6．3 湍流模型
6．4 边界条件
6．5 上升管中提升气体有关特性参数的确定
6．5．1 上升管中提升气体的入口参数
6．5．2 液相内气泡的直径
6．5．3 钢液对提升气体的加热效应
6．6 计算方案
6．7 计算结果
6．8 结果分析及讨论
6．9 结论
本章符号说明
第七章 钢液RH精炼非平衡脱碳过程的数学模拟：过程数学模型
7．1 基本假设
7．2 控制方程
7．2．1 连续性方程
7．2．2 动量方程
7．2．3 C、O的质量衡算方程
7．3 控制方程的模化和湍流模型
7．4 基本方程的通用形式
7．5 边界条件和碳、氧组分的源项
7．5．1 边界条件
7．5．2 碳、氧组分的源项
7．6 有关参数的确定
7．6．1 体系内各反应位置钢液内碳和氧的传质系数
7．6．2 钢液内碳和氧的活度系数
7．6．3 某些物性参数、热力学和动力学参数的选取和确定
7．7 计算方法
7．8 本章结语
本章符号说明
第八章 钢液RH精炼非平衡脱碳过程的数学模拟：模型的应用及结果
8．1 计算结果
8．3 结果分析及讨论
8．3．1 钢液内C、O浓度的分布及变化规律
8．3．2 KTB操作对RH精炼脱碳过程的影响
8．3．3 各反应区域对脱碳的贡献
8．3．4 驱动气体流量对脱碳精炼的影响
8．3．5 熔池内耗散因子q_e(κ)、熵产生和非平衡活度系数的分析
8．4 本章小结
第九章 全文总结
参考文献
致谢
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
发布时间: 2005-09-16
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