钢包狭缝式底喷粉元件研制及粉气流行为特性研究

论文摘要

向熔池中直接喷吹粉剂因具有良好的热力学和动力学条件,此技术在铁水预处理和钢包精炼中得到普遍应用。本文针对现有喷粉工艺存在喷枪价格高、二次氧化和吸氮严重及易引发重大生产事故等缺点,开发了适合于钢包精炼底喷粉的喷粉元件,并对底喷粉过程粉气流行为进行了理论和实验研究,为此新工艺应用奠定理论基础。本论文主要的研究内容及获得的主要结果如下：（1）对粉气流在狭缝内的运动机理进行了数值仿真研究,获得了颗粒和气流密度及速度、颗粒直径和黏度的定量关系,即（2ρp+ρg）dVp/dt=3aρg（Vp-Vg）2-k/（2dp）（dp/v）-k +2ρgg-2ρpg,（式中：a和k为系数；V为速度,m/s；t为时间,s；p为密度,kg/m3；d为直径,m；v为运动黏度,m2/s；下标p和g分别代表颗粒和气体）及不同雷诺数下的解析式。研究结果表明：小颗粒只需极短的时间和距离加速就可达到99%的运动终速Vp（T）,在150m/s的氮气流中,直径为0.02mm石灰颗粒到达99%Vp（T）需要的时间和运动距离分别为0.01s和1.04m,而直径为2.00mm的石灰颗粒却需时间和距离分别为1.34s和167.21m；颗粒运动速度到达99%Vp（T）后,微小的速度增加量所需的加速距离却大量增加,0.02mm和2.00mm的石灰颗粒达到99.9%Vp（T）所需的距离分别为2.17m和328.65m；同类颗粒增大直径能缩短各自加速到穿透气／钢液界面的临界速度所需运动距离,0.200mm的石灰颗粒达到临界速度所需加速距离为0.46m,而2.00mm石灰的加速距离为0.21m；同直径的石灰、MgO、Fe2O3加速到99%Vp（T）的运动距离依次增加,而加速到各自得穿透临界速度的运动距离却依次减小。（2）对底喷粉钢液渗漏和粉剂堵塞的机理进行了理论研究和冷态和热态喷粉及5小时的磨蚀实验,提出了喷粉元件防止钢液渗漏的狭缝厚度即d＜-4σcosθ/（ρlgh）;防止粉料堆积得流化室夹角即a＜180°—2φ；防止粉料在狭缝内堵塞的无导角狭缝。（3）对底喷粉熔池的均混特性进行了物理模拟,考察了底喷粉元件的喷嘴形状、狭缝厚度、狭缝之间的距离、位置及气体流量对熔池搅拌的影响规律,结果发现：气体流量在（0.209Nl/s～0.523Nl/s）范围内圆孔喷嘴的均混时间短于狭缝喷嘴；单条狭缝在一定范围内（0.15～0.30mm×15.00mm,0.50～0.80mm×15.00mm）其厚度对熔池的均混时间影响可以忽略,但狭缝厚度增加到一定值后均混时间明显增大,在本实验条件下,狭缝厚度从0.30mm增大到0.50mm,熔池的均混时间增加了7.42s；狭缝之间距离为5mm下,相同出口截面积的双狭缝喷嘴对熔池的均混时间略小于单狭缝喷嘴；无论是单条狭缝还是多狭缝,距中心1/2处喷吹熔池的均混时间是最小的,侧部喷吹均混时间最长,二者最大差值达17.60s。（4）对粉剂穿透特性进行了物理模拟研究,通过对狭缝厚度、喷吹位置、喷嘴形状及空塔速度对粉剂穿透行为的研究发现：狭缝喷吹中,窄缝的粉剂穿透比高于宽缝,在本实验中,窄缝的粉剂穿透比平均高出1.3%；空塔速度范围为（10m/s～60m/s）底部中心和距中心1/2处单条狭缝喷粉的穿透比高出圆孔喷粉分别为4.21%和1.38%；空塔速度范围为（10m/s～60m/s）距中心1/2处和侧部位置单狭缝喷吹粉剂的穿透比高出底部中心位置喷粉分别3.68%和2.56%；狭缝喷粉的穿透比随着空塔速度的增加先增加后减小,并存在一个最佳的空塔速度,在本实验条件下,底部中心和距中心1/2处的最佳空塔速度为50m/s,侧部喷吹的最佳空塔速度为40m/s。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 铁水预处理
• 1.1.1 铁水预处理的发展及现状
• 1.1.2 铁水预处理的的重要意义
• 1.2 二次精炼处理
• 1.2.1 二次精炼的发展及现状
• 1.2.2 二次精炼技术的优势
• 1.2.3 喷粉冶金
• 1.3 本文研究的内容、目的和意义
• 1.3.1 本文研究的目的和意义
• 1.3.2 本文研究的内容
• 第二章 粉粒在狭缝式底喷粉元件内的运动机理研究
• 2.1 颗粒在垂直狭缝中的基本运动方程
• 2.2 运动方程求解
• p（T）'>2.2.1 颗粒加速完成后的速度V_p（T）
• 2.2.2 颗粒在加速段的瞬时速度与时间关系
• 2.2.3 颗粒运动速度与距离的关系
• 2.3 数值计算
• 2.3.1 计算参数选取
• 2.3.2 结果和讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 狭缝式底喷粉元件开发与实验研究
• 3.1 狭缝式底喷粉元件的研制
• 3.1.1 狭缝的设计
• 3.1.2 喷粉元件结构的设计
• 3.2 实验
• 3.2.1 冷态试验
• 3.2.2 热态试验
• 3.3 底喷粉中喷粉元件耐磨性能的实验研究
• 3.3.1 实验原理及方法
• 3.3.2 检测结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 钢包狭缝底喷粉混匀特性物理模拟
• 4.1 实验原理及方法
• 4.1.1 实验原理
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 通过相同截面积圆孔和狭缝喷粉的熔池均混特性
• 4.2.2 狭缝式喷嘴喷粉的熔池均混特性
• 4.2.3 载气流量对熔池均混特性的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 钢包狭缝底喷粉穿透特性物理模拟
• 5.1 实验原理及方法
• 5.1.1 实验原理
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 空塔速度对粉剂穿透比的影响
• 5.2.2 喷嘴形状对粉剂穿透比的影响
• 5.2.3 喷吹位置对粉剂穿透比的影响
• 5.2.4 狭缝的厚度对粉剂穿透比的影响
• 5.2.5 单条狭缝与双条狭缝对喷粉穿透比的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读学位期间获得成果
• 论文包含图、表、公式及文献