侧顶复吹条件下AOD转炉熔池内流体流动现象的数学和物理模拟

论文摘要

概要介绍了不锈钢AOD炉的精炼原理及工艺发展过程,分析和综述了有关该精炼过程的数学模拟和物理模拟的研究进展。以宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司120 t侧顶复吹AOD转炉为原型,按与原型1:4的几何相似比设计和建造了一套水模型装置。以该炉内冶炼304不锈钢主脱碳期的吹炼过程为对象,合理确定了原型和模型用套管式等截面喷枪对气流的摩擦系数,并进行了侧吹用套管式等截面喷枪和顶吹用拉瓦尔顶枪内气流特性参数的理论计算,由此较合理地确定了模型用侧枪和顶枪的吹气量,从而保证了模型和原型间足够的相似性。利用水模拟研究了AOD转炉侧顶复吹过程中熔池内气体射流搅拌和流体流动状态、熔池液面的稳定性、液体的流动和混合特性、侧吹气体射流的反冲现象和及其对炉衬蚀损过程。考察了侧吹气量、侧枪支数、相邻两侧枪间的夹角、顶吹气量等因素的影响。结果表明,吹炼过程中熔池液体处于活泼的搅拌和循环运动状态,熔池内没有明显的死区,混合效果极好,混合时间短。侧吹主枪的吹气量对熔池内流体的流动和混合有决定性的影响,侧吹副枪气体射流对主枪气体射流有显著的物理屏蔽效应,适当提高侧吹副枪吹气量也可提高混合效率。顶吹气体射流会改变熔池内侧吹气体的搅拌和流体流动的状态,使紊流强度增大,混合效率降低,混合时间延长,且顶吹气量越大其效果越明显。在给定的侧枪支数和吹气量下,增大相邻两枪间夹角,有利于提高气体射流对熔池的搅拌效率,缩短混合时间。在给定的侧枪枪位和吹气量下,增加侧枪支数未必会有类似的效果,且单枪吹气量的减少,使得侧吹气体射流的水平穿透距离变短,熔池内的高温（反应）区会移向甚至贴近炉壁,影响炉衬寿命。仅就混合时间而言,综合考虑侧枪支数、枪位、侧吹及顶吹气量等因素的影响,对应于工艺规定的6600 Nm3/h的顶吹气量,6枪27°的侧枪配置在各精炼期均可提供良好的熔池混合效果。对现行工艺中采用的18°枪间夹角,无论是采用7枪,还是6枪和5枪,均不能达到理想的混合效果。与纯侧吹和底吹过程中气体射流的反冲现象相比,侧顶复吹条件下水平侧吹气体射流的反冲现象具有自己的特征。在侧顶复吹条件下,侧枪主枪气流对水平侧吹气体射流的反冲现象具有决定性的作用;副枪气体射流对之有明显的抑制和缓解效应;顶吹气体射流则使之变得较均匀,同时使反冲强度（压力）增大。在侧顶复吹条件下,熔池内液体的循环运动也是引起水平侧吹气体射流反冲现象的另一个重要原因。浮力对侧吹气体射流的反冲有相当大的影响,它不仅使之强度增大,而且使炉衬蚀损区域扩大。与纯侧吹相比,在侧顶复吹条件下,浮力对侧吹反冲强度的增大作用相对要弱,但由于与顶吹射流冲力的相互作用,使反冲力的作用区域,即炉衬受损区域更大。对应于本工作给定的侧枪支数及侧吹和顶吹气量,在18°～27°范围内,合宜地增大相邻两侧枪间的夹角有利于缓解侧吹气体射流反冲的影响。相对而言,对于给定的侧吹和顶吹气量,采用7枪22.5°或6枪27°的侧枪配置时,无论是纯侧吹还是侧顶复吹过程,炉衬的受损程度都比采用其它配置要轻。基于气—液双流体模型和湍流的修正k-ε模型,提出了纯侧吹条件下AOD转炉熔池内流体流动的数学模型,确定了模型的有关参数。考虑到气体的加热摩擦流动,在侧吹用套管式等截面喷枪内气流特性参数计算和气流与钢液间传热估算的基础上,合理确定了侧吹气体的入口参数;应用该模型对该120t AOD转炉及线尺寸为其1/4的水模型装置内的流体流动作了模拟和计算,考察了侧枪支数和相邻两枪间夹角的影响。结果表明,该模型可以相当可靠地模拟AOD炉内液体的流动;在多股气流和液体的相互作用下,整个熔池流体处于活泼的搅拌和循环运动状态,不存在明显的“死区”;侧枪支数的变化没有改变熔池内气体搅拌和液体流动的基本特征,也不会改变熔池内液相的湍流动能和含气率分布规律,但在相同侧枪夹角和侧吹气量下,枪数的减少使气体的搅拌强度增大,从而使流场、湍流动能和含气率分布发生局部变化,采用6枪27°喷吹比7枪18°或22.5°喷吹更为均匀;在给定侧枪支数和侧吹气量下,枪间夹角的增大不会从根本上改变熔池内气体搅拌和液体流动的特征,但流场有较明显的变化,相邻两枪间夹角越大,侧枪所夹扇形区的总面积越大,气液两相区在熔池中所占面积也越大,各股气体射流间的相互作用因之减弱,相应的能量损耗因之减少,气体射流对熔池的搅拌则越均匀。与纯侧吹条件下AOD转炉熔池内流体的流动相比,侧顶复吹条件下AOD转炉熔池内液体的流场当是侧吹和顶吹气体射流共同作用的效果。基于这种考虑,本工作同时还提出和建立了纯顶吹条件下AOD转炉内钢液流动的三维数学模型,应用该模型对该120 t AOD炉及线尺寸为其1/4的水模型装置内的流体流动作了模拟和估计,再将所得结果与纯侧吹条件下得到的流场相叠加,从而得到侧顶复吹条件下熔池内液体的流场。所得结果表明,侧顶复吹条件下AOD转炉熔池内流体的流动是在顶吹气体射流的影响下由侧吹气体射流所引起的,整个熔池液体同样处于活跃的搅拌和运动之中,也不存在明显的“死区”;与纯侧吹过程相比,同时作用于熔池的顶吹气体射流并未改变熔池内气体搅拌和液体流动的基本特征和规律,但是,顶吹气体射流的存在使熔池内液体的局部流态发生明显的变化;侧顶复吹条件下,侧枪支数的变化同样没有改变熔池内气体搅拌和液体流动的基本特征,也不会改变熔池内液相的湍流动能和含气率分布的规律,在相同的侧枪夹角和侧吹气量下,枪数的减少使气体的搅拌强度增大,流场、紊流动能和含气率分布发生局部的变化,采用6枪27°比采用7枪18°或22.5°喷吹搅拌更为均匀;侧顶复吹条件下,给定侧枪支数和侧吹气量,相邻两枪间夹角增大,同样不会从根本上改变熔池内气体搅拌和液体流动的特征,但流场还是有较明显的变化,在给定的侧枪支数和侧吹气量下,相邻两枪间夹角越大,侧枪所夹的扇形区域的总面积越大,气液两相区所占面积越大,各股气体射流间的相互作用减弱,相应的能耗减少,气体射流对熔池的搅拌越均匀。根据上述结论,对宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司120 t侧顶复吹AOD转炉炉壳作了技术改造,并进行了工业性实验,证实上述结论是可靠的、可信的和正确的。本工业性实验条件下,采用7枪、22.5°代替7枪、18°的侧枪配置可使120 t侧顶复吹AOD转炉的炉龄大幅度提高,并可使精炼过程的各项技术经济指标有较大幅度的提高。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 AOD精炼工艺概述

1.1.1 设备特点

1.1.2 工艺过程

1.1.3 AOD工艺过程的原理

1.1.4 AOD工艺的发展动态

1.1.5 AOD法精炼的效果

1.2 AOD精炼过程数学模拟研究进展

1.2.1 Asai和Szekely的不锈钢脱碳数学模型

1.2.2 Fruehan的脱碳动力学模型

1.2.3 DebRoy和Robertson的数学模型

1.2.4 Ohno和Nishida的数学模型

1.2.5 Tohge等的数学模型

1.2.6 Vercruyssen等的转炉不锈钢精炼数学模型

1.2.7 魏季和等的数学模型

1.3 纯侧吹AOD熔池流态的数学模拟

1.3.1 Themelis射流轨迹方程

1.3.2 余加耕等的研究

1.3.3 Turkoglu等的研究

1.3.4 朱苗勇等的研究

1.3.5 Tilliander等的研究

1.4 顶吹转炉熔池流态的数学模拟

1.4.1 Szekely等的研究

1.4.2 李有章等的研究

1.4.3 张家芸等的研究

1.5 AOD过程的物理模拟研究进展

1.5.1 Leach等的水模拟研究

1.5.2 Figueira和Szekely等的水模拟研究

1.5.3 Aoki等的水模拟研究

1.5.4 Carlsson等的水模拟研究

1.5.5 魏季和等的研究

1.5.6 Fabritius等的研究

1.5.7 魏季和等对侧顶复吹AOD过程的水模拟研究

1.6 结语

1.7 本工作的研究目的和内容

第二章侧吹用等截面喷枪内气流的特性参数及顶枪气流参数的验算

2.1 等截面喷枪内气流特性参数的计算

2.1.1 计算原理

2.1.2 副枪气体出口参数的计算

2.1.3 主枪气体出口参数的计算

2.1.4 有关参数的确定

2.2 120t AOD炉及其模型用侧吹喷枪摩擦系数的确定

2.2.1 模型用侧吹喷枪的P-Q曲线和摩擦系数的确定

2.2.2 原型用侧吹喷枪的P-Q曲线和摩擦系数的确定

2.3 120t AOD炉及其模型用侧吹喷枪内气流特性及出口参数的计算结果

2.4 120t AOD炉及其模型用顶枪气流参数的验算

2.5 本章小结

第三章侧顶复吹精炼过程中AOD转炉熔池内流体流动及混合特性的水模拟研究

3.1 熔池内流体流动特性的水模拟研究

3.1.1 实验装置

3.1.2 实验原理

3.1.3 实验方法

3.1.4 实验条件

3.1.5 实验结果

3.1.6 结果分析及讨论

3.2 熔池内流体混合特性的水模拟研究

3.2.1 实验方法

3.2.2 实验条件

3.2.3 实验结果

3.2.4 结果分析及讨论

3.3 本章小结

第四章侧顶复吹过程中AOD转炉侧吹气体射流反冲现象及炉衬蚀损研究

4.1 AOD转炉侧顶复吹过程中侧吹气体射流反冲现象研究

4.1.1 实验方法

4.1.2 实验条件

4.1.3 实验结果

4.1.4 结果分析及讨论

4.2 AOD转炉侧顶复吹过程中熔池内炉衬蚀损的研究

4.2.1 实验方法

4.2.2 实验条件

4.2.3 实验结果

4.2.4 结果分析及讨论

4.3 本章小结

第五章侧吹AOD转炉熔池内流体流动数学模拟的研究

5.1 数学模型的建立

5.1.1 基本假设

5.1.2 控制方程

5.1.3 紊流模型

5.1.4 边界条件

5.1.5 液相内气泡的直径

5.2 计算方案

5.3 计算结果

5.4 结果分析及讨论

5.4.1 熔池内气体搅拌和液体流动特征

5.4.2 熔池内液体的速度场

5.4.3 熔池內液体的紊流动能分布

5.4.4 熔池内的含气率分布和双流体模型的适用性

5.4.5 相邻两侧枪间夹角的影响

5.4.6 侧枪支数的影响

5.4.7 气泡尺寸的影响

5.5 本章小结

第六章侧顶复吹AOD转炉熔池内流体流动的数学模拟

6.1 顶吹转炉熔池内流体流动的数学模拟

6.1.1 基本假设

6.1.2 数学模型

6.1.3 计算方案

6.1.4 计算结果

6.2 側顶复吹AOD转炉熔池内流体的流场

6.2.1 侧顶复吹AOD转炉熔池内流场的获得

6.2.2 侧顶复吹AOD转炉熔池内流体的流场

6.2.3 结果分析及讨论

6.3 本章小结

第七章研究结果的初步应用—120 t侧顶复吹AOD转炉炉壳的技术改造及工业性实验

7.1 问题的提出和考虑

7.2 120 t侧顶复吹AOD转炉炉壳改造方案的确定和实施

7.3 工业性实验及效果

7.4 本章小结

第八章全文总结

主要符号表

参考文献

致谢

攻读博士学位期间公开发表的论文和获奖项目

侧顶复吹条件下AOD转炉熔池内流体流动现象的数学和物理模拟

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