（热能工程专业论文）rh真空精炼过程的数学物理模拟.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nt h e r m a l e n g i n e e r i n g m a t h e m a t i c a la n d p h y s i c a ls i m u l a t i o no n r hv a c u um r e f i n i n gp r o c e s s b yg e n gd i a n q i a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh ej i c h e n g a s s o c i a t ep r o f e s s o rl e ih o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e m b e r2 0 0 9 5 肿62 啪7mji7iiil洲y 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 凸二 思。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：平佃椅 签字日期： 两年口 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文摘要 i m 真空精炼过程的数学物理模拟 摘要 r h 真空精炼是一个涉及多相流、传热及不同化学反应的复杂冶金过程。在实际生 产中，提高循环流量、缩短均混时间是提高r h 精炼生产效率的重要手段。要充分发挥 r h 的精炼功效，降低生产成本，就必须对r h 内传输过程进行深入研究。 本文针对r h 精炼装置内钢液流动、脱碳及夹杂物碰撞长大行为分别发展了相应的 数学模型，研究了传统侧吹r h 、侧底复吹r h 和电磁r h 内的传输行为；在此基础上 针对底吹钢包内夹杂物碰撞聚合行为建立数学模型，研究了钢包底吹方式对央杂物去除 过程的影响，并对双孔底吹钢包的底吹位置进行了优化。研究成果概括如下： 一、r h 精炼过程中传输行为 ( 1 ) 建立了与r h 精炼装置原型1 ：5 5 比例的水模型，考察了不同工艺参数对循环 流量、均混时间、顶吹溶氧及脱碳过程的影响，并根据实验数据回归得到循环流量、均 混时间的表达式： 绞i r = 7 3 8 h v o a 0 8 h - 。o d l e 3 8 醴3 6 j i z 怒l 。 t 。i 。= 3 0 7 4 矗：磬7h 1 a d l 0 i e 2 甜。4 7 h ；o b g b ：e ( 2 ) 针对水平侧吹气体行为进行研究，推导了水平侧吹条件下气体穿透深度公式： 岛= 3 c d p n 卜屠3 p 磊i c d 建立了r h 内气液两相流动行为数学模型，数值结果表明提升气量是决定含气率分 布的关键因素。 ( 3 ) 发展了综合r h 不同脱碳机理的三维数学模型及夹杂物碰撞长大行为的均相 模型，讨论了不同工艺因素对夹杂物去除过程的影响；通过将s t o k e s 碰撞应用于夹杂物 数量及质量守恒模型，建立了r h 装置内夹杂物碰撞长大行为的数学模型，给出了夹杂 物数量密度及浓度的三维空间分布。 二、侧底复吹及电磁r h 精炼过程中传输行为 ( 1 ) 在钢包底吹条件下，当底吹位置和钢包中心连线与浸渍管中心连线的央角0 = 0 时，循环流量随底吹位置至钢包中心距离l 的增大先增大后减小，均混时间随l 的增大 而增大；当l = 0 5 3 5 m 时，循环流量随夹角0 的增大而减小，均混时间随夹角0 的增大先 减小后增大。 ( 2 ) 在施加行波磁场条件下，循环流量随励磁电流强度的增加而增大，均混时间 随电流强度的增大而减小，并且二者与电流强度近似成线性关系；电流频率在1 0 、3 0 h z i i t 东北大学博士学位论文 变化时，循环流量随电流频率的增大而增大，均混时间随电流频率的增大而减 3 0 6 0 h z 变化时，循环流量随电流频率的增大而减小，均混时间随电流频率的增 大；提升气量小于饱和值时，在上升管周围施加行波磁场优于在下降管周围施加 场；提升气量大于饱和值时，二者效果等同；同时在上升管和下降管周围施加行 的脱碳及夹杂物去除效率最高，仅在上升管周围施加行波磁场次之。 三、底吹钢包内传输行为 ( 1 ) 在夹杂物数量及质量守恒模型中引入气泡吸附夹杂物模型，建立了钢 杂物去除过程的三维数学模型，结果表明：底吹方式是影响夹杂物去除的重要因 孔底吹效果最好，双孔底吹次之，偏心底吹优于中心底吹；顶渣吸附是最重要的 去除方式，侧壁吸附次之，钢包底壁吸附可忽略不计。 ( 2 ) 针对双孔底吹钢包的底吹位置进行优化，结果表明：在底吹位置偏移中心距 离一定的条件下，底吹位置与中心连线夹角存在一个最优值，反之亦然；回归实验数据 可得双孔底吹钢包的均混时间表达式如下： f 。；，= = 9 4 4 8 。一5 ( 詈 一2 1 3 1 5 。8 - 1 5 ( 兰+ 2 6 17 - 0 ) 1 。- 1 9 5q ：。2 6 7 6 关键词：r h 真空精炼；脱碳；气液两相流；夹杂物；行波磁场；底吹钢包；数学物理 模拟 i v 东北大学博士学位论文a b s t r a c t m a t h e m a t i c a la n d p h y s i c a ls i m u l a t i o no nr h v a c uu m r e f i n i n gp r o c e s s a bs t r a c t r hv a c u u mr e f i n i n gi sac o m p l i c a t e dm e t a l l u r g i c a lp r o c e s sw h i c hi n v o l v e si nm u l t i p h a s e f l o w , h e a tt r a n s f e ra n dv a r i o u sc h e m i c a lr e a c t i o n s b yi n c r e a s i n gc i r c u l a t i o nf l o wr a t ea n d s h o r t e n i n gm i x i n gt i m e ，t h er hp r o d u c t i o nr a t ec a nb ei n c r e a s e di na c t u a ls y s t e m t h e r e f o r e ， i no r d e rt ot a k ef u l l a d v a n t a g eo ft h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fr hd e g a s s e ra n dr e d u c e p r o d u c t i o nc o s t s ，i ti sn e c e s s a r yt oh a v ead e e pi n s i g h ti n t ot h et r a n s p o r tp r o c e s si nr h i n p r e s e n tw o r k ，s e v e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e dt os t u d yt h e g a s - l i q u i df l o w , d e c a r b u r i z a t i o np r o c e s sa n dt h ec o l l i s i o na n dg r o w t ha m o n gi n c l u s i o n s t h e t r a n s p o r tb e h a v i o ri nr hw i t ht r a d i t i o n a ls i d eb l o w i n g ，r hw i t hs i d e b o t t o mb l o w i n ga n d e l e c t r o m a g n e t i cr hh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yt h ea b o v em a t h e m a t i c a lm o d e l s o nt h i sb a s i s ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lc o n c e r n i n gc o l l i s i o na n dc o a l e s c e n c ea m o n gi n c l u s i o n si ng a s s t i r r e d l a d l eh a sb e e nd e v e l o p e dt os t u d yt h ee f f e c to fd i f f e r e n tt y p e so fb o t t o mb l o w i n go nt h e i n c l u s i o nr e m o v a lp r o c e s s i na d d i t i o n ，t h ed o u b l eb o t t o mb l o w i n gl o c a t i o n si nl a d l eh a v e b e e no p t i m i z e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： i t h et r a n s p o r tb e h a v i o rd u r i n gr hv a c u u m r e f i n i n gp r o c e s s ( 1 ) a1 ：5 5s c a l ew a t e rm o d e l i n go f t h er hp r o t o t y p eh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h ee f f e c t s o fd i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h ec i r c u l a t i o nf l o wr a t e ，m i x i n gt i m e ，t o pb l o w i n g o x y g e na b s o r p t i o na n dd e c a r b u r i z a t i o np r o c e s sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d b yr e g r e s s i o no nt h e b a s eo fe x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ee m p i r i c a lc o r r e l a t i o n sf o rt h ec i r c u l a t i o nf l o wr a t ea n dm i x i n g t i m ea r ea sf o l l o w s ： q i r = 7 3 8 h v ? 8 h - 。0 d l e 3 8 o o 3 6 h 0 。4 b b l e 7 t 。i ，= 3 0 7 4 罢7h l a l d l e 0 2 醴4 7 h - 0 u b b 9 0 l 。 ( 2 ) t h es i d e b l o w i n gg a sb e h a v i o rh a sb e e ns t u d i e da n dt h ef o r m u l af o rt h eh o r i z o n t a l l y b l o w i n gg a sp e n e t r a t i o nd e p t hi sa sf o l l o w s ： = 掣卜3 p i c 弱o am a t h e m a t i c a lm o d e lo fg a s l i q u i df l o wi nr hd e g a s s e rh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h e n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el i f t i n gg a sf l o wr a t ei st h ek e yf a c t o rt od e t e r m i n et h e v a n dn u m b e rc o n s e r v a t i o nm o d e l ，at h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e li s d e v e l o p e dt o v i 东北大学博士学位论文abs吼ct i n v e s t i g a t et h ei n c l u s i o nr e m o v a lp r o c e s si nl a d l e t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et y p eo f b o t t o mb l o w i n gi st h ek e yf a c t o rf o ri n c l u s i o nr e m o v a l t h et r i p l eb o t t o mb l o w i n gi st h em o s t e f f e c t i v em e t h o df o ri n c l u s i o nr e m o v a l ，w h i l et h ed o u b l eb o t t o mb l o w i n gh a sam i n o re f f e c t a n dt h ee c c e n t r i cb o t t o mb l o w i n gi sb e t t e rt h a nt h ec e n t r i cb o t t o mb l o w i n g f o ri n c l u s i o n r e m o v a l ，t h ea b s o r p t i o nb yt h et o ps l a gi st h em a i nm a n n e r , t h ea d h e s i o nt ot h es i d e w a l li st h e m i n o rm a n n e r , a n da d h e s i o nt ot h eb o t t o mw a l lc a nb en e g l i g i b l e ( 2 ) t h ed o u b l eb o t t o mb l o w i n gl o c a t i o n si nl a d l eh a v ea l s ob e e no p t i m i z e da n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sau n i q u eo p t i m u mo f f s e to fd o u b l eb l o w i n gl o c a t i o n sf o ra p a r t i c u l a r i n c l u d e da n g l ea n dv i c ev e r s a t h ec o r r e c t i o nf o rt h em i x i n gt i m ef o rt h el a d l ew i t hd o u b l e b o t t o mb l o w i n gc a nb ee x p r e s s e da s ： f 。：9 4 4 8 t 。一5 ( 詈) 一2 1 3 1 5 。8 - 1 5 ( 詈+ 2 6 1 7 0 ) 1 。1 9 5 q ：。2 6 7 6 k e yw o r d s ：r hv a c u u mr e f i n i n g ；d e c a r b u r i z a t i o n ；g a s l i q u i df l o w ；i n c l u s i o n ；t r a v e l i n g m a g n e t i cf i e l d ；b o t t o ms t i r r e dl a d l e ；m a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e l i n g v i i 目 录 2 3 2 实验方案1 6 2 3 3 结果分析及讨论1 6 2 4r h 真空精炼过程传质特性19 2 4 1 实验原理19 2 4 2 实验方案2 0 2 4 3 结果分析及讨论2 1 2 5 本章小结2 4 第3 章r h 真空精炼过程气液两相流动的数值模拟2 7 3 1 引占2 7 3 2 数学模型2 7 3 2 1 基本假设2 7 3 2 2 代数滑移模型2 8 3 2 3 求解方法及相关参数3 0 i x 3 3 4 4 1，11 1 l 东北大学博士学位论文 目 录 3 2 4 侧吹气体运动行为3 l 3 3 模型验证3 5 3 4r h 精炼装置内钢液流场3 7 3 5 提升气量的影响3 9 3 6 侧底复吹r h 4 5 3 6 1 侧底复吹r h 真空精炼装置4 5 3 6 2 数值模拟方案4 6 3 6 3 底吹位置至钢包中心距离4 7 3 6 4 底吹位置和钢包中心连线与浸渍管中心连线夹角5 0 3 7 本章小结5 2 第4 章i m 真空精炼脱碳及夹杂物去除过程的数值模拟5 5 4 1 引言5 5 4 2r h 真空脱碳过程的数值模拟5 6 4 2 1 数学模型5 6 4 2 2 结果与讨论5 7 4 3r h 真空精炼过程夹杂物去除过程的均相模拟6 0 4 3 1 数学模型6 0 4 3 2 结果分析与讨论6 1 4 4r h 真空精炼过程夹杂物去除过程的三维数值模拟6 6 4 4 1 夹杂物的尺寸连续分御假设6 6 4 4 2 控制方程6 6 4 4 - 3 边界条件6 7 4 4 4 相关参数及求解方法6 7 4 4 5 结果分析与讨论6 7 4 5 本章小结7 3 第5 章行波磁场下i m 真空精炼过程7 5 5 1 引言7 5 5 2 行波磁场发生装置7 5 5 3 数学模型7 6 5 3 1 基本假设7 6 5 3 2 控制方程7 6 x 东北大学博士学位论文 目 录 5 3 3 边界条件及相关参数7 7 5 4 结果分析及讨论7 7 5 4 1 电磁力的空间分布7 7 5 4 2 行波磁场的不同施加位置7 8 5 4 3 励磁电流参数对循环流量及均混时间的影响8 0 5 4 4 行波磁场埘脱碳过程的影响8 3 5 4 5 行波磁场对夹杂物去除过程的影响8 5 5 5 本章小结8 6 第6 章吹氩钢包内夹杂物去除过程的三维数值模拟8 9 6 1 引言8 9 6 2 数学模型9 0 6 2 1 基本假设9 0 6 2 2 控制方程9 1 6 2 3 气泡吸附央杂物9 1 6 2 4 边界条件9 2 6 2 5 计算对象及求解方法9 3 6 3 结果分析与讨论9 3 6 3 1 不同底吹方式9 3 6 3 2 双孔底吹钢包参数优化1 0 0 6 4 本章小结1 0 6 第7 章结论1 0 7 参考文献1 0 9 致谢1 17 攻读博士学位期间获得的成果1 1 9 作者简介1 2 1 x i 主要符号列表 符号列表 投 夹杂物特征体积浓度 虚拟质量系数 曳力系数 直径，m 直径，m 电场强度，v m 电流频率，h z 弗劳德准数 作用力矢量，n 重力加速度，r n s 2 湍动能产生项 高度，m 磁场强度，a m 电流强度，a 电流密度，a m 2 湍动能，m 2 s 2 元素矽的传质系数，m s 距离长度，m 穿透深度，m 质量，k 摩尔质量，g m o l 夹杂物特征数量密度，m 。 x i i i 尸 压力，p a 名 气泡吸附夹杂物效率 q 流量，m 3 s 厂+ 夹杂物特征半径，m r , r半径，m r e 雷诺准数 &湍流s c h m i d t 数 t 时间 历 速度矢量，r n s u t 上浮速度，m s “。，l 气液相对速度，m s “印 喷嘴出口处的气体速度，m s 矿 体积，m 3 w c ，w o碳、氧质量分数 希腊字母 口体积分率 尾b r o w n 碰撞速率，m 3 s j p s s t o k e s 碰撞速率，m 3 s 。1 屏 湍流碰撞速率，m3 s 。 s 湍动能耗散率，m 2 s 3 组分浓度 五几何相似比 动力粘度，p a s b磁导率，h m y 运动粘度，m 2 s 0 夹角 p密度，k g m 3 吼，吒湍流模型常数 仃 表面张力，n m 氏j d 丘 厂n 户 g 嚷蛐疗 ，歹 尼 勺三 厶 m m 矿 东北大学博士学位论文 主要符号列表 电导率，s i t i 底壁面 夹杂物体积浓度 循环 曳力 有效 电磁力 气相 液相 钢包 混合相 混合 夹杂物数量密度 夹杂物 水平方向 侧壁面 顶渣 真空室 虚拟质量力 坐际，m 湍流 初始值 x i v 湍流壁面摩擦力，n l m 2 一泳 幻 k 钾 g 、， 压 z 吒筋妣_d m吼g。腓m谳p r妣她眦w班t o 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 炉外精炼 第1 章绪论 近几十年来，随着航天航空、石油、汽车、电力电子以及国防工业等现代工业的不 断发展，市场不仪对钢材化学成分的控制范围要求越来越窄，对超纯净钢( 超低碳、超 低氮、超低氢、超低硫) 的需求量也不断扩大。超纯净钢开发已成为衡量一个国家钢铁 生产水平的重要标准之一。这就要求钢铁企业在尽可能降低钢中杂质的同时，提高劳动 生产率以降低生产成本，而炉外精炼使得超纯净钢的大规模低成本生产成为可能【l 弓】。 自上世纪6 0 年代，在世界范围内传统的炼钢方法发生了根本性的变化。在整个炼 钢过程中，除将原材料熔化为液态外，需要完成脱碳、脱氧、脱硫、脱气、去除夹杂、 调整温度和成分等任务。完成每项任务需具备相应的冶金热力学和动力学条件，但这些 条件并不相同，甚至互相矛盾。与此同时，把多项冶金任务分配到不同设备中进行成为 一种新的趋势。即由单一设备初炼及精炼的一步炼钢法，发展为由传统炼钢设备初炼， 然后在炉外精炼的二步炼钢法。所谓炉外精炼，就是将去除杂质( 气体、夹杂、有害元 素) 、调整钢水成分和温度等常规炼钢炉中需要完成的精炼任务，部分或者全部转移到 钢包或其它容器中进行。因此，炉外精炼也称为二次精炼。这样，既可以保留常规炼钢 设备的某些优势，如高功率电炉熔化废钢的优势及氧气转炉脱碳的优势等，又可以拓宽 初炼炉原材料的使用范闱，从而达到提高初炼炉效率、降低生产成本的目标1 4 ，5j 。 众所周知，用连铸来代替模铸是炼钢生产流程中的一场革命，其影向和意义是深远 的。连铸技术于上世纪5 0 年代中期进入了工业生产阶段，在6 0 年代，弧形连铸机的出 现使连铸技术在世界范围内大量被采用1 6 7 1 。现代铡铁生产流程由传统的三步法生产流程 ( 高炉炼铁_ 电炉或转炉炼钢一铸锭) ，转变为多步法流程( 高炉炼铁_ 铁水预处理一 电炉或转炉炼钢一炉外精炼一连铸) 。炉外精炼在整个流程中具有重要地位，一方血通 过炉外精炼可以提高铡的纯净度、去除有害夹杂、进行微合会化并均匀成分和温度；另 一方面，连铸机要求炼钢设备能够按时按量提供满足成分和温度要求的钢水，而炉外精 炼作为一个缓冲环节，可以实现连铸机的连续运行，从而改善炼钢设备和连铸机的配合， 实现钢厂连铸比的提高。 二次精炼技术的主要特点有【4 】： ( 1 ) 改善了冶金化学反应的热力学条件。如对于反应产物为气体的脱碳、脱气反 应，通过降低气相压力，提高真空度，可以促进反应的进行。 二次精炼技术发展至今，为了满足不同用户对钢产品的需求，已经出现四十余种炉 外精炼方法，这些精炼方式都是渣洗、真空、搅拌、加热和喷吹五种基本手段的不同组 合【l ，4 】。当前发达国家的大型钢铁联合企业均配有二次精炼装置。日本在上世纪7 0 年代 为了降低炼钢成本，提高钢的纯净度，率先将炉外精炼技术应用于特殊钢生产中，随后 西欧的钢铁企业也加入到使用这项技术的行列中。早在1 9 8 5 年日本的炉外精炼比已达 到6 5 9 ，1 9 8 9 年上升到7 3 4 ，特殊钢的炉外精炼比达到9 4 。到1 9 9 0 年为止世界 各主要工业国家捌有1 0 0 0 多台( 套) 炉外精炼设备。而在近2 0 年，同本、欧美等先进 钢铁生产国家的炉外精炼比已经达到9 0 以上，其中真空精炼比超过5 0 ，并且某些钢 厂已达到1 0 0 。我国早在2 0 世纪5 0 年代末，6 0 年代中期就在炼钢生产中采用钢包静 态脱气等初步精炼技术，但并没有精炼装备。国内一些特钢企业( 大冶、武钢等) 在6 0 年代中期至7 0 年代引进了一批真空精炼设备。8 0 年代我国自行研制开发的二次精炼设 备也逐渐投入使用。截至到2 0 0 0 年，我国二次精炼的处理能力已达全国钢产量的2 0 左右。进入2 1 世纪以来，为了满足市场上对洁净钢产品日益增长的需求，国内各钢铁 企业普遍重视二次精炼工艺，并努力完善二次精炼设施。现在以炉外精炼技术为核心的 “初炼( 电炉或转炉) _ 精炼一连铸的三位一体”短流程工艺已广泛应用于国内各钢铁 企业，国内大、中型钢铁企业二次精炼比从2 0 0 0 年的2 0 迅速增长到2 0 0 7 年的6 4 8 , 9 】。 东北大学博士学位论文第1 章绪论 表1 1 给出2 0 0 7 年国内二次精炼设备的台数和吨位数据【1 0 1 。 1 2r h 真空精炼 1 2 1r h 真空精炼的发展 1 9 5 7 年，德国r h e i n s t a h l 公司和h e r a e u s 公司共同开发了r h 真空精炼技术，并在 19 5 9 年正式投入工业生产。r h 精炼设备主体是一个真空槽，通常称为真空室，真空室 下部有上升管和下降管，插入钢包钢液中，通过在真空室内抽真空，并在上升管中通入 气体，上升管中与气体混合的钢液在气泡浮力作用下向上流动进入真空室，在真空室内 进行脱碳和脱气反应，然后钢液在重力作用下沿下降管流回大包，经过多次连续循环， 实现精炼钢液的目的。作为一种重要的炉外精炼方法，r h 具有处理周期短、生产能力 大、精炼效果好、易操作等优点，在炼钢生产中得到了广泛应用【4 ，5 1 。 4 0 多年来，r h 精炼技术由单一的脱气设备发展成为包括真空脱气、脱碳、吹氧脱 碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等多种功能的炉外精炼设备，而且在生产超 低碳钢方面表现出了显著的优越性，成为现代化钢厂中重要的炉外二次精炼装置之一。 r h 吹氧技术的发展经历了r h o ，r h o b ，r h k t b ，r h m f b 等阶段【l l 】。 ( 1 ) r h 0 技术 1 9 6 9 年，德【目蒂森钢铁公司亨利希钢厂开发了r h o 技术，用铜质水冷氧枪由真空 室项部向钢水表而吹氧强化脱碳，在缩短冶炼周期的同时降低了脱碳过程中铬的氧化损 失。 ( 2 ) r h 一0 b 技术 同本新f 1 铁室兰厂于1 9 7 2 年根据v o d 原理开发了r h o b 技术。其主要特点足通 过安装于真空室下部侧壁的浸入式喷嘴向钢液吹入氧气，同时向真空室内加铝，使钢液 温度升高，升温速度可达4 m i n ，最大可达8 1 0 m i n 。 ( 3 ) r h k t b 技术 在传统r h 基础上，f l 本川崎公司于1 9 8 6 年成功丌发了r h k t b 技术，将r h 推 向了一个新阶段。该法是从真空室顶部插入垂直升降的水冷氧枪，通过向真空室内钢液 吹入氧气和惰性气体来强化脱碳，同时利用炉气中c o 的二次燃烧提供附加热量以补偿 精炼过程中的温降。 ( 4 ) r h m f b 技术 继日本川崎公司丌发r h k t b 精炼技术之后，同本新闩铁公司广钿厂为降低初炼炉 的出钢温度及脱碳的需要，于1 9 9 2 年开发了具有多功能喷嘴的r h 项吹氧技术。其冶 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 金功能与r h k t b 技术相近，可喷吹铁矿石粉以加速脱碳，并可以在精炼过程中吹入天 然气使之燃烧，以达到加热钢水的目的。 r h 喷粉技术也经历了一个发展过程，主要有以下几种技术【1 2 , 1 3 】： ( 1 ) v i 真空喷粉法 v i 法由内蒙第二机械制造厂和内蒙金属研究所于1 9 8 4 年共同研制。其技术特点是 粉剂在铡液中停留时间较长，可以充分发挥其脱硫、脱氧的作用。该技术可使氧含量降 到1 9 8 p p m ( 最低达9 p p m ) ，硫含量降到1 5 - 4 0 p p m 。 但) r h i j 喷粉法 日本新日铁大分厂于1 9 8 5 年开发了r h i j 法，该法是将喷枪直接插入上升管下方， 既可将氩气与粉剂同时吹入，又可单独吹入氩气。喷入粉剂可充分与钢液接触，有利于 反应充分进行，并能加强钢包底部和真空室内的钢水搅拌。 ( 3 ) r h p b 喷粉法 日本新同铁名古屋厂于1 9 8 7 年研制了r h p b 技术，其特点是利用原有r h o b 设 于真空室下部的吹氧喷嘴，使其具有喷粉功能，并依靠载气将粉剂吹入钢液。真空室下 部一般有两个喷嘴，可通过切换阀门灵活切换为吹氧或喷粉，并可加铝对钢水进行温度 补偿，温升速度达8 1 0 m i n 。 ( 4 ) r h p t b 喷粉法 r h p t b 法是由同本住友金属工业公司和歌山厂于1 9 9 4 年研制开发。该技术利用 水冷项枪进行喷粉，由于粉剂输送流畅，因而不存在钢水阻力的问题，载气耗量很小。 ( 5 ) m e s i d 技术 m e s i d 是由比利时s i d m a r 钢铁厂于1 9 9 4 年研制的，其核心技术是采用脉冲气流 工作的m e s i d 喷枪，减少了氧气流对真空室内液面的影响，并通过向熔池表面喷吹固 体混合料用于脱硫。 目前，r h 技术已在欧美以及同本等发达国家得到普遍推广，新同铁大分厂、川崎 水岛厂己全部实现了进行r h 真空精炼，截j 七到2 0 0 1 年，全世界已有1 6 5 台r h 设备投 入生产。我国自上世纪8 0 年代术加快引进r h 技术的步伐，目前国内各大钢厂如宝钢、 武钢、鞍钢、莱钢、唐钢等均引进了r h 技术。随着钢材纯净度的日益提高，要求真空 处理的钢种逐渐增多，r h 真空精炼技术将得到进一步发展【1 2 】。 1 2 2r h 真空精炼的研究现状 在实际生产中，由于直接对生产现场进行在线观测研究十分困难，多数冶金过程过 4 一 东北大学博士学位论文第1 章绪论 程中所需的重要参数仍无法通过在线获得，因此预测冶金过程中的重要参数具有非常重 要的实际意义。目前，在水模型实验基础上，数值模拟己成为研究冶金传输过程，开发 新工艺和新产品的最莺要手段之一【1 4 _ l 。 数值模拟是基于计算流体力学、传热学及冶金反应工程学等学科，应用数值方法求 解微分方程，从而获得工艺过程中各参数的变化规律及各参数问的定量关系，具有耗费 少、速度快、给出的资料完整、能模拟真实或理想的条件等优点。通过数值模拟，可以 提高对冶会反应过程基本现象、反应机理的认识，为工艺设计及优化提供参考，并可以 通过获得的过程中参数的变化规律实现对工艺过程的自动控制。 然而，受数学模型的局限性，数值模拟结果与实际模型的结果存在一定差异。因此， 冶金研究者通常与物理模拟方法结合，以减少实验工作量，缩短实验周期，从而获得理 想的实验结果。所谓物理模拟，是指针对需要研究的冶金过程，根据相似原理建立物理 模型，即采用与原型成一定比例的缩小有机玻璃模型模拟实际反应器，用水模拟钢水， 来模拟并观测冶金反应过程中的气泡行为、熔池中的流动及混合行为等，从而克服冶金 过程的复杂性，以较低的消耗对冶金反应过程进行研究，为优化工艺过程或开发新工艺 提供依据，并可以验证和完善数值模拟结果，使之尽可能逼真地描述实际过程。 由于r h 装置内的钢液处于熔融态，反应体系为气、液、固多相并存且反应为高温、 真空。r h 内的钢液宏观流动、混合传输行为，以及脱碳反应过程、脱氧夹杂物的碰撞 长大至去除过程是分析r h 精炼过程时须重点研究的基本内容。此外，针对r h 工艺改 进和参数优化也是研究的一个重要方向。近几十年来，国内外的广大冶金工作者利用数 值及物理模拟方法对r h 精炼过程开展了大量的研究工作，本文主要足围绕r h 真空精 炼装置内流体流动行为、脱碳过程、脱氧夹杂物碰撞长大行为、r h 真空精炼的物理模 拟以及r h 工艺改进和参数优化展j f ：研究的。 1 2 2 1r h 真空精炼装置内流动行为的研究 r h 精炼装置内的流动是在抽真空的条件下，钢液在气泡浮力作用下向上流动，经 过真空室、下降管和钢包实现循环流动。r h 精炼装置内的气液两相区( 上升管和真空 室的部分区域) 流场为典型的多相流。由于r h 精炼装置的特点，目前尚无有效方法获 得实际r h 精炼装置内真实流体的流态，因而数值模拟成为研究r h 精炼装置内流场的 常用手段。与其它精炼方式如钢包底吹氩相比较，水平侧吹射流的气泡行为和气液两相 区流场更加复杂，因而研究者对于r h 精炼装置内的流场模拟经历了一个由简单到复杂 的过程。 东北大学博士学位论丈 第1 章绪论 在早期，n a k a n i s h i 等【1 5 】和s h i r a b e 等【1 6 】通过忽略真空室及浸渍管部分，并指定上升 管和下降管下端钢液速度作为出1 5 1 和入口的边界条件，分别计算了r h 精炼钢包内的二 维流场。随后其他研究者【1 7 - 1 9 1 也采用这种方法计算了r h 精炼钢包内的三维流场。此方 法的缺陷在于没有将真空室、浸渍管和钢包作为一个整体，因而流场的计算结果显示在 钢包内上升管与下降管之间存在短路流。 随后，朱苗勇等【2 0 1 利用c a s t i l l e j o s 等【2 l 】提出的底吹钢包含气率实验关系式计算了 r h 装置内气液两相区的含气率分布，从而获得了包括真空室、钢包、上升管和下降管 的整个r h 装置内的流场。结果表明计算循环流量与水模型实验符合较好，并且钢包内 上升管与下降管之间并不存在短路流。这种采用底吹钢包含气率实验关系式的方法也被 其他研究者应用于r h 精炼装置内的流场计算【2 2 “】。该模型虽然可以准确地估算吹入氩 气所做浮力功的大小，但根据钢包底吹含气率实验关系式计算所得的含气率分布是事先 规定的，缺乏通用性，并且采用底吹模型模拟侧吹情况，与实际情况差别较大。 为了能够使模拟结果更加符合实际，研究者开始进一步研究如何更准确地模拟气液 两相区结构。2 0 0 0 年，p a r k 等【2 5 】在t h e m e l i s 等【2 6 】提出的基于动量守恒的侧吹气体的运 动轨迹及含气率分布模型基础上，提出了一个均相数学模型。该模型通过描述气体侧吹 行为，可以给出一个较为合理的含气率分布。 2 0 0 5 年，l i 等2 7 黜】应用水平滑移速度将氩气导入r h 精炼装置，并采用含气率守恒 方程计算了r h 内含气率分布和气液两相的流动行为。与利用底吹钢包含气率实验关系 式所得结剽2 0 ，2 2 出】比较，该模型得到气液两相区结构更加合理。然而，该模型没有较好 地描述实际过程中气相速度逐渐衰减这一实际情况，并且气体在喷嘴处的初始速度非常 大，因而与实际情况并不完全符合。 近期，m i k i 等【2 9 采用v o f 方法模拟了包括真空室、浸渍管和钢包整个r h 装置内 的流动行为。但该模型缺陷在于无法考虑到气液两相的相对速度，因而同样无法准确描 述气液两相区结构。 2 0 0 5 年，w 葫等【3 0 , 3 1 】应用相问滑移模型( i n t e r p h a s es l i pa l g o r i t h m ) 计算了r h 精 炼装置内的流场，模拟结果显示上升管中的氩气泡存在“贴壁效应”，即气泡在上升过 程中紧贴上升管侧壁，无法到达上升管中心，这是由于相i 日j 滑移模型无法考虑虚拟质量 力的影响造成的。在喷嘴附近区域，气液相对速度变化很大，数值实验表明虚拟质量力 不能忽略【32 1 。如果要描述r h 精炼装置内上升管喷嘴处气液相对速度剧烈变化这一现象， 则需要极细的网格并耗费大量的计算时间，这在目前的计算条件下很难做到。 东北大学博士学位论丈第1 章绪论 1 2 2 2r h 真空脱碳过程的研究 脱碳和脱气是r h 最主要的精炼功能之一，