（钢铁冶金专业论文）lf精炼炉夹杂物行为的模拟研究.pdf

h j t ， ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：l f 猜炼炉夹杂物行硼模拟研究 作者： 郝帅 指导教师： 协助指导教师： 堕墨壁鍪堡单位：喹茎吏型垫奎堂 论文提交日期：2 0 10 年0 6 月0 7 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 单位： a l j r x l f 精炼炉夹杂物行为的模拟研究 n 1 a 。s i m u l a t i qo fl n c l u ： u m e r l c a lb l m u l a t l o no ti n c l u s i o no f 。l f i 。n b a o 研究生姓名：郝帅 指导教师姓名：陈义胜 内蒙古科技大学材料与冶金学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：h a os h u a i s u p e r v i s o r ：c h e n y i - s h e n g s c h o o lo fm a t e r i a l sa n dm e t a l l u g y i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 创性说明 论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：望鞋肇日期：逮竣：厶z 一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：婢导师签i 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文以包钢新建1 5 0 tl f 精炼炉为研究对象，根据实际的精炼工艺和炉况条件，对吹氩 孔的位置、吹气量的大小、脱氧剂的混匀时间、夹杂物在钢液中的运动行为等问题进行了 研究和讨论，以期对实际生产提供理论支持。 课题以水模型和数学模型为研究方法，应用连续性方程、n a v i e r - s t o k e s 方程和湍流模 型，对钢包流场进行了数值模拟计算。在建立流场的基础上，应用示踪剂浓度分布扩散方 程，计算出脱氧剂在钢液中的混匀时间：在满足一些假设条件下，结合流场程序，应用颗 粒运动轨道模型，大量跟踪计算了不同初始位置条件下的9 种粒径颗粒在钢液内部的运动 轨迹，然后通过统计的方法得到各种粒径颗粒的去除时间。计算程序采用f o r t r a n 语言 编写，图形处理工具采用t e c p l o t 软件。 通过对数值模拟和实验结果的比较分析，得出钢包双孔喷吹时，随着两孔到中心距离 的增大和两孔之间的夹角的变小，底部动能的利用变好，流动活跃；而且通过水模实验的 研究得出吹气量的大小存在一个临界值，当吹气量大于这个临界值，混匀时间变化减缓； 脱氧剂在钢液中的混匀时间约为3 0 0 s 左右；对不同粒径夹杂物颗粒运动轨迹的计算得出： 在夹杂物去除过程中，各区域的去除时间不同，双孔对称布置的流场中，对称面附近的夹 杂物较难去除，夹杂物颗粒在漩涡中的运动轨迹近似为“二维运动”。 本课题的研究给出了一些在实际生产过程中的具体操作参数，为实际生产提供了一些 理论依据和参考价值。 关键词：数值模拟：流场；混匀时间；夹杂物：运动轨迹 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e w15 0 tl fr e f i n i n gf u l t l a c eo fb a o t o us t e e lf a c t o r yi sl o o k e da sr e s e a r c ho b j e c ti nt h e p a p e r a c c o r d i n gt oa c t u a lr e f i n i n gp r o c e s sa n df u r n a c ew o r kr e q u i r e m e n t s ，i ti sd i s c u s s e da n d r e s e a r c h e dt h a ta l et h ep o s i t i o no fb l o w i n ga r g o nh o l e s ，t h ed i f f e r e n ta r g o nb l o w i n gq u a n t i t y , t h e c o m m i xt i m eo fd e o x i d i z e ra n dt h em o t i v ef o r mo ft h ei n c l u s i o ni ns t e e lm o l t e ns t e e lt op r o v i d et h e t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h ep a p e rc o m b i n e dw a t e rm o d e l sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l s i tc a r r i e do nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt ot h ef l o wf i e l d , w h i c ha p p l i e dc o n t i n u i t ye q u a t i o n , n a v i e r - s t o k e se q u a t i o na n d t u r b u l e n c em o d e l s t h e ni tc a l c u l a t e dt h ec o m m i xt i m eo fd e o x i d i z i n ga g e n ti nt h em o l t e ns t e e lo n t h eb a s i so ff l o wf i e l d , w h i c ha p p l i e dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t e dd i f f u s i o ne q u a t i o n t h i r d l y , t h e p a r t i c l et r a j e c t o r ym o d e lh a sb e e nc o u p l e dt oc a l c u l a t et h er e t e n t i o nt i m ea n dt h et r a j e c t o r yo f9 p a r t i c l e sa td i f f e r e n ti n i t i a lp o s i t i o ni nm o l t e ns t e e l ，a n dt h e ns t a t i s t i c a lm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e dt o c o m p l e m e n tt h er e m o v a lo ft h ep a r t i c l e s t h ec a l c u l a t i n gp r o c e d u r ew a sw r i t t e nb yf o r t r a n l a n g u a g ea n dt h et e c p l o t s o f t w a r ew a sa sp o s t - p r o c e s s i n gt 0 0 1 t h o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nr e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t , i t g e t s 笛f o l l o w s ：w h e ni ti sb l o w i n gf r o mt h ed o u b l e - h o l e i to b t a i n e d t h a tt h em o m e n t u ma tt h e b o t t o mh a sc h a n g e db e t t e ra n df l o w e da c t i v e l yw i t ht h ei n c r e a s i n gc e n t e rd i s t a n c eo ft w oh o l e sa n d t h es m a l l e ra n g l eb e t w e e nt h et w oh o l e s ；b e s i d e s ，i tg e tt h a tt h eb l o w i n gv o l u m eh a sac r i t i c a lv a l u e t h r o u g hw a t e rm o d e le x p e r i m e n t , a n dw h e nt h ev a l u ei sg r e a t e rt h a nt h ec r i t i c a lv a l u e ，t h ec o m m i x t i m ew i l lc h a n g eg e n t l y ；t h ec o m m i xt i m eo fd e o x i d i z i n ga g e n ti sa b o u t3 0 0 si nm o l t e ns t e e l i n a d d i t i o n , b yc a l c u l a t i n gd i f f e r e n ts i z ep a r t i c l e st r a j e c t o r i e so fi n c l u s i o no b t a i n e d 嬲f o l l o w i n g ：t h e r e m o v a lt i m ei sd i f f e r e n ti nt h ed i f f e r e n tp o s i t i o ni nt h ep r o c e s so fr e m o v et h ei n c l u s i o n a n dt h e i n c l u s i o ni sr e m o v e dv e r yd i f f i c u l t l ya ta no p p o s i t ep o s i t i o no fd o u b l e h o l ew h e ni si nt h ef l o wf i e l d o fs y m m e t r i c a ld o u b l e h o l e a n dt h e nt h ei n c l u s i o nt r a j e c t o r ya p p r o x i m a t et w o - d i m e n s i o nm o t i o n i n t h ee d d y i ti sc o n c l u d e dt h a ts o m es p e c i f i co p e r a t i n gp a r a m e t e r si na c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s si nt h e s t u d ya n dp r o v i d e ds o m et h e o r e t i c a ls u p p o r ta n dr e 危r e n c ev a l u ef o ra c t u a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l u i df i e l d ；c o m m i xt i m e ；i n c l u s i o n ；t r a j e c t o r y n 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要兽 a b s t r a c t 弓i言 1 文献综述 1 1l f 炉的概述 1 1 1l f 炉精炼技术的现状和发展 1 1 2l f 炉的精炼原理。2 1 1 3l f 炉的精炼方法3 1 1 4l f 炉适用的钢种4 1 2l f 炉的基础理论5 1 2 1 脱氧5 1 2 ：! 脱硫6 1 2 3 去除夹杂物7 1 3 数值模拟的发展及研究方法。7 1 3 1 数学模型的发展7 1 3 2c f d 软件在数值模拟中的应用8 1 4 关于夹杂物的相关研究8 1 4 1 夹杂物的基本描述8 1 4 2 夹杂物的质量控制9 1 4 3 夹杂物的一般动力学理论研究1 0 1 4 4 吹氩去除夹杂物。1 2 2 选题的目的和意义1 4 2 1 课题的提出1 4 2 2 课题目的和意义1 4 3l f 流场的模拟研究1 5 3 1 数学模型的建立1 5 3 1 1 基本假设1 5 3 1 2 气泡模型1 5 3 1 3 数学模型1 6 3 1 4 边界条件17 3 2 计算方法1 7 3 2 1 网格划分1 7 3 2 2 模型求解方法18 3 2 3 计算条件1 9 3 3 模拟方案2 0 内蒙古科技人学硕士学位论文 3 3 1l f 精炼炉数值模拟方案2 0 3 3 2 模拟结果分析2 1 3 4 本章小结2 5 4 混匀时间的模拟研究2 6 4 1 基本假设2 6 4 2 模型的建立。2 6 4 3 边界条件2 6 4 4 混匀时间计算结果。2 6 4 5 本章小结3 0 5l f 炉水模型实验3 1 5 1 实验原理3 1 5 2 实验装置和测量方法3 2 5 3 实验内容3 4 5 3 1 双孔喷吹实验3 4 5 3 2 双孔喷吹实验数据。3 5 5 3 3 双孔实验数据比较3 6 5 3 4 单孔喷吹实验。3 6 5 3 5 单孔喷吹实验数据3 7 5 3 6 单孔喷吹实验数据比较3 7 5 4 单、双孔喷吹实验比较分析3 8 5 5 水模混匀时间的数值模拟3 9 5 6 本章小结4 0 6l f 炉夹杂物去除的模拟研究。4 1 6 1 基本假设4 l 6 2 数学模型的建立。4 l 6 3 模拟结果分析4 2 6 3 1 静止钢液中夹杂物的运动特征4 2 6 3 2 吹氩过程中夹杂物的运动特征4 3 6 4 本章小结5 0 结论51 参考文献5 2 在学研究成果5 5 致谢5 6 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 钢铁工业是重要的基础工业，钢铁是国民经济的的命脉，钢铁发展是其 的基础。我国的钢产量已经连续九年居世界之首，但是这并不表示我国已经迈入钢铁强 国的行列。原因有两点：一是能耗大，我们每生产一吨钢所消耗的矿石、能源等远远高 于发达i 虱家，甚至世界平均水平；二是钢材产品结构不合理，我国生产的钢材大部分是 一些低附加值的长型钢材，像汽车、机床、家电等高档钢精品钢还是非常稀缺。这就要 求我们要对目前的生产设备和工艺进行改造更新，对初炼钢水进行二次精炼，去除钢中 的有害杂质，以达到生产精品钢的要求。 因此，二次精炼就变得尤为重要。怎样去除钢中的有害杂质是二次精炼的首要任务 之一。l f 钢包炉作为二次精炼的冶炼设备，它具有脱气、均温、微调成份及合金化等 多种功能，而且它的设备具有简单、高效等特点。但是由于各个钢铁企业的工况条件差 别很大，需要针对具体的l f 钢包炉和操作工艺进行具体研究。 随着冶金工艺技术和相关科技的发展，以及激烈市场竞争对工艺优化的要求，传统 的研究方法已不能适应新形势发展的需要。利用计算机硬件和相关的服务性软件，依靠 数学模拟已经成为今后冶金过程研究的重要手段之一。 我国由于多种因素的影响，在数值仿真研究方面总体上与国外有较大的差距，一是 整体水平不高，基础薄弱；二是研究和应用范围较窄，尚未形成良性发展环境，更未形 成足够的应用市场。目前，冶金过程的数学模拟研究，不少国外研究者已经转向依赖商 业软件进行，将工作重点转移到冶金过程本身更复杂机理的研究，更加重视源项和边界 条件的正确描述和努力提高体系仿真的精度，但是，通用商业软件也有其本身的限制， 它很难对发生在冶金过程的一些复杂现象作出符合实际的描述，而数学模拟的成败，有 时只取决于对过程和现象的认识。数值模拟工作是一件须经反复推理，多次运算与不断 对照实验，三者相互结合的工作，这样建立的数学模拟才有足够的可靠性。 内蒙古科技大学硕士学位论文 l 文献综述 1 1l f 炉的概述 随着现代科学技术的发展和工农业对钢材产品质量要求的提高，钢厂普遍采用了炉 外精炼工艺流程，它已成为现代炼钢工艺中不可缺少的重要环节。炉外精炼技术开发于 四十年代，1 9 6 1 年瑞典a s e a - s k f 公司开发了新的炉型，1 9 7 1 年日本大同特殊钢公司 在a s e a - s k f 精炼法的基础上开发了l f 精炼法【l 】o 1 1 1l f 炉精炼技术的现状和发展 钢包炉( l f ) 精炼方法早先以精炼处理特殊钢为主，是一种以电弧加热、氩气搅拌和 渣精炼为核心的钢包精炼炉生产技术。由于l f 法具有多种冶金功能和使用中的灵活性， 在普钢生产厂也得到广泛的应用。 在我国，随着连铸比的大幅度提高，l f 也迅速地发展起来。l f 所处理的钢种几乎 涉及从特钢到普钢的所有钢种。l f 法设备简单，投资不大。生产中可视质量控制的需 要，采用多种不同的工艺操作制度；设计中按产品需要进行不同配套组合，满足最终产 品质量控制的要求 2 1 。 目前，国内中小型l f 炉基本实现国产化，但对于1 0 0 t 以上的l f 炉，由于某些国 产设备的质量和性能不能稳定满足生产要求，可以考虑引进一部分关键技术和设备， 如： ( 1 ) l f 导电横臂，包括电极夹持器及电极松开液压缸。 ( 2 ) l f 电极调节器。 ( 3 ) 个别关键部件，如绝缘体、液压缸、比例控制阀等。 另外，大型l f 短网系统( 从变压器二次侧抽头至电极夹持器) 的基本设计、三电系 统的基本设计、生产操作软件和数学模型的设计等，可以采取与外商合作设计的方式 成。 国内l f 的电消耗、电极消耗、氩氧消耗以及合金消耗等技术经济指标偏高，与国 外先进水平相比尚存在一定的差距。针对这一现状，今后应加速发展l f 炉的冶金模型 控制，开发先进适用的操作软件，以适应不断发展的市场需求【3 j 。 1 1 2l f 炉的精炼原理 ( 1 ) l f 炉主要由钢包炉体、电极加热系统、吹氩搅拌系统、合金加料系统以及测温 取样系统等部分组成。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) l f 炉的工艺优点：a 精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢。 b 热效率高，升温幅度大，温度控制精度高。 c 具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产 品的稳定性。 d 采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低。 e 设备简单，投资较少。 ( 3 ) l f 炉的原理图如下： 1 2 一 1 3 “ 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 图1 1l f 钢包冶炼原理图 l 一滑动水口；2 支座；3 钢包；4 惰性气体；5 一防溅包盖；6 一真空室盖； 7 一电极； 8 一电极夹头；9 一合金料斗：l 州则温取样；1 l 窥孔；1 2 真空管道；1 3 真空系统 1 1 3l f 炉的精炼方法 ( 1 ) 氩气搅拌 这是l f 炉最大的贡献一强化精炼( 还原) 。 “强化 加速钢一渣之间接触，有利于钢液脱氧、脱硫反应，加速夹杂物的上浮 及均匀钢液成分与温度。 吹氩搅拌可以去除非金属夹杂物，特别是对舢2 0 3 类型的夹杂物上浮去除更为有 利。吹氩可加速a 1 2 0 3 粒子的上浮速度，特别值得提出的是l f 炉的吹氩搅拌是在排除 了大气的密封罩内进行的，因此可以用大吹氩量操作。 f 内蒙古科技大学硕士学位论文 吹氩搅拌的另一作用是可以加速钢液中的温度与成分均匀，能精确的调整复杂的化 学组成，而这对优质钢又是必不可少的要求。此外吹氩搅拌可加速钢中氧化物的还原， 对回收铬、钼、钨等有价值的合金元素有n t 4 1 。 ( 2 ) 埋弧加热 降低初炼炉出钢温度，补偿精炼过程吹氩、合金化等温度损失。 l f 炉三根电极插入渣层中进行埋弧加热，这种方法辐射热小，对炉衬有保护作 用，热效率高，浸入渣中石墨与渣中氧化物反应不仅提高了渣的还原性，而且还提高合 金回收率，生成c o 使l f 炉内气氛更具还原性。 ( 3 ) 造强还原气氛 l f 炉本身不具备真空系统，但由于钢包与炉盖密封隔离空气，加热时石墨电极与 渣中f e o 、m n o 、c r 2 0 3 等反应生成c o 气体，使l f 炉内气氛中氧含量减至o 5 ， 使炉内具有强还原气氛。钢液在强还原气氛条件下可以进一步脱氧、脱硫及去除非金属 夹杂。 ( 4 ) 造高碱度白渣 l f 炉白渣以c a o - - c a f 2 为主要成分，一般渣量为钢液的3 7 ，渣对钢液中氧 化物吸附和溶解，达到脱氧效果。 l f 炉由于有温度补偿，吹氩强烈搅拌，随渣中碱度提高，硫的分配增大，可炼出 含 s 仅为5 p p m 的低硫钢。钢液在强还原气氛、高碱性炉渣条件下可以进一步脱氧、 脱硫及去除非金属夹杂【5 】。 1 1 4l f 炉适用的钢种 除超低碳、氮、硫等超纯钢外，几乎所有的钢种都可以采用l f 法精炼，特别适合 轴承钢、合金结构钢、工具钢及弹簧钢等的精炼。精炼后轴承钢氧含量降至0 0 0 1 ， 脚降至0 0 0 0 3 - - 0 0 0 0 5 ， n 降至0 0 0 15 - 0 0 0 2 ，非金属夹杂物总量在0 0 0 4 0 0 0 5 1 6 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 l f 处理工艺过程如图： 加发泡剂 1 2l f 炉的基础理论 图1 2 l f 处理工艺过程图 1 2 1 脱氧 氧在液体和固体中的溶解度是很有限的，而且氧在固体钢中的溶解度比在液体中低 的多。l f 精炼中，初炼炉出来的钢水往往含有较强的氧化性，这使l f 炉完成深度脱氧 和脱硫等精炼任务构成限制因素。氧的危害性主要表现在： ( 1 ) l f 炉要冶炼超低硫钢，而钢液中的氧含量或渣的氧势会影响硫在钢渣中的平衡 分配，而且由于氧的存在，钢渣间的张力将下降，会影响残留在钢中的含硫非金属夹杂 物性状和数量，所以良好的脱硫必须先有良好的脱氧。 ( 2 ) 氧在钢中的溶解度随温度的下降而显著降低，并以f e o 的形式析出，在钢水冷 却结晶的过程中，由于选分结品导致钢水中 c 、 0 发生偏析而聚集，从而引起碳的 再氧化。由此产生的c o 气体，会破坏钢的致密性或连续性，是钢坯产生气孔、疏松以 致上涨等缺陷的主要原因。 ( 3 ) 在钢水冷却凝固过程中，析出的氧与钢中的s i 、m n 、a 1 等元素反应形成非金 属夹杂物，它是高级优质钢产生发纹缺陷的主要原因之一。另外，由于非金属夹杂物含 量的增高，也降低了钢的各种性能指标，如比例极限、冲击功和延伸率及导磁性能等。 ( 4 ) 钢中氧使硫的危害作用加剧，因为f e o 与f e s 可以生成熔点为1 2 1 3 k 的低熔点 共晶物，使钢的塑性变坏或在热加工时，使机体遭到破坏1 7 1 。 l f 炉一般选择沉淀脱氧和扩散脱氧，如配有真空装置还有真空脱氧。 ( 1 ) 沉淀脱氧 内蒙古科技大学硕士学位论文 沉淀脱氧是扒净氧化渣后，直接向钢水中加入块状脱氧剂，生成稳定化合物并和钢 液分离进入炉渣的方法，溶于钢液中的脱氧元素与钢液中的溶解氧反应产生在钢液中的 脱氧产物由于密度小而上浮去除。钢液中元素脱氧反应的通式为：x m + y o = m x o y 砧及含舢和碱土元素的合金组成的复合脱氧剂，在工业生产中使用较多。这是因 为舢脱氧产物a 1 2 0 3 易和其它脱氧产物形成低熔点、易长大的复合脱氧产物( 如 m c a o 1 1a 1 2 0 3 ) ；有利于上浮排出钢液，从而降低钢中此类夹杂的数量。 ( 2 ) 扩散脱氧 扩散脱氧是将脱氧剂( 一般以粉状脱氧剂为主) 加在渣面上，脱氧反应在钢、渣界面 进行。 将粉状脱氧剂加入渣中，渣中( f e o ) 含量势必减少，氧在钢渣中的分配平衡遭到破 坏，为了达到重新平衡，钢液中的氧就向渣中扩散或转移，由此不断地降低炉渣中氧含 量，就可使钢液中的氧陆续得以脱除。 1 2 2 脱硫 一般情况下，硫是钢的有害元素。硫之所以成为主要脱除或控制元素之一，是因为 它对钢的质量有多方面的危害，硫的危害性主要表现在： ( 1 ) 引起钢的热脆。即钢中含 s 0 0 8 时，在不加m n 的情况下凝固时，在晶界 产生低熔点的共晶化合物f e o - f e s ( 熔点为9 4 0 ) ，高浓度的氧加速了它的形成，其熔 点远低于轧、锻温度( 1 1 5 0 左右) ，热加工时即在钢坯内液体处开裂。合适的锰含量可 防止这一现象的发生。但过高的硫会产生过多的m n s 夹杂物，轧锻后的硫化物夹杂被 拉长，降低钢的强度，使钢的磨损增大，明显的降低钢的横向机械性能，降低钢的深冲 压性能嗍。 ( 2 ) 硫化物夹杂对钢材力学性能的影响，除与其数量、大小有关外，还和其形状有 关系。当钢材中存在着条状或片状的夹杂物的时候，钢的横向拉伸性能一定会受到不良 影响。含硫量或硫化物夹杂含量相同的情况下，夹杂物的大小起着很大的作用，夹杂物 大，对钢材的局部性能的影响也就大。而且硫化物夹杂对钢的塑性断裂也有影响。 ( 3 ) 钢中硫化物夹杂还会引起抗蚀现象。另外，在钢的焊接过程中，硫化锰夹杂还 能引起热撕裂等。 脱硫是l f 炉非常重要的精炼效果之一，现已公认的钢渣间脱硫反应是根据炉渣离 子理论提出的下列反应式：【s 】+ ( 0 2 ) = ( s 2 计【o 】 脱硫的方法有很多：增加炉渣碱度，降低炉渣氧化性，提高温度，降低钢中氧含 量，加大渣量，加强搅拌。增加精炼时，最根本的其实就是创造有利于脱硫的热力学和 动力学条件【9 1 0 1 。 一 m a j u m d a r 1 2 l 及g r e v e t 1 3 】等首先接受了浮力是驱动钢液流动的动力，为此，他们建立了 均相流动模型。在此基础上，s a h a i 和g u t h e r i e 1 4 1 发展了一个代数关系式，该关系式将 操作条件与气泡域参数及周围钢液流动参数关联起来。 c r o s s 和m a r k a t o s ”】贝0 是首先采用两相流体模型研究钢包内流动现象的学者，但他 们预测的结果与水模型的实测结果相差甚远。原因是事先不清楚气泡的直径分布、分裂 与合并行为及气泡与钢液的相互作用等参数。两流体模型需要更多的过程知识，而这些 过程知识的获得比了解我们最后要求的流场特性还要难b 6 。此后，t u r k o g l u 和f a r o u k 1 7 j 发展了两相流体模型，他们引进弥散普朗特数描述气液两相间的质量交换行为，通过调 整弥散普朗特数可以找到气相分率的计算值与实测值相符合的结果，同时他们又将计算 区域拓展到超出钢液面的一定高度上，进而预测出自由表面形状，该模型同样含有大量 的假设【l 踟，例如，所有气泡直径相等、没有聚合破碎行为等。而且推广到三维情况时， 计算量大幅度增加。 不论是均相流模型还是两相流体模型，目前都难以考虑钢包内钢液上部渣层的影 响，尽管曲英【1 9 1 等研究熔渣下的钢包流场，但他们是利用水模型内测量的油水界面的速 度作为流场计算的边界条件，显然，这样的处理无法应用到实际中去【2 0 j 。 吹气钢包内流体流动的数学模型计算工作，除少量工作外，大部分都针对中心喷吹 条件下的二维轴对称体系，可用二维数学模型来描述。当前，生产中的许多钢包吹气搅 拌，如偏心喷吹、多喷嘴喷吹等，具有明显的三维特点，故对吹气钢包流动体系进行三 维数学描述和仿真越来越受到重视。由于圆柱体系三维流场计算将面临边界条件处理和 ，一 内蒙古科技大学硕士学位论文 坐标系选择带来的困难，吹气钢包内的流场计算程序开发和计算工作呈现出多种多样的 方式。s j o o 和g u t h r i e t 2 1 1 等在三维柱坐标中进行了各种偏心喷吹流场的计算；李宝宽 2 2 1 等在偏心喷吹钢包流场计算中采用了保角变换技术解决三维问题；m z h u t 2 3 1 等则以适体 坐标为基础进行程序的开发和三维流场计算。 1 3 2c f d 软件在数值模拟中的应用 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是计算流体力学的简称，它是伴随着计算机技 术的发展而产生的- f 7 科学。简而言之，c f d 相当于“虚拟的在计算机中做实验，用 以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是利用数值求解控制流体流动的微分 方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。即 c f d 是流体力学、传热学、热力学、数值分析、计算机科学等多门学科组成的综合学 科。 目前，在国际上，有多家c f d 商业软件公司。他们通过与高校、研究所、企业合 作的形式开展c f d 软件的研究与开发，取得了巨大的成功。这种方式不仅促进了软件 的发展，而且取得良好的经济效益，最终形成了研究与应用的良性循环。其中，以 f l u e n t ，a n s y s ，c f x ，p h o e n i c s ，s t a r - c d 等最为成功。各商业软件在钢包炉中得到 了一些应用，如a n s y s f 2 4 】，f l u e n t l 2 5 婀等。 各模拟计算工具对于实际研究工作都有其优越性，对于已经开发的各商业软件，在 精炼领域得到了广泛的应用，各个商业软件对于特殊的边界条件或特殊条件的加入要通 过自己编程，只有对软件了解的比较深刻才能更好的研究。通过编程模拟研究l f 炉内 钢液的流动、温度场和混匀时间，相对于商业软件，计算过程的重复性劳动较多，从数 值计算本身而言，可以重新审视计算过程和计算条件，其灵活性较大，由于对程序自身 了解，可以在调试过程中及时更正、及时加入新的研究成果。 1 4 关于夹杂物的相关研究 1 4 1 夹杂物的基本描述 钢中的非金属夹杂物，是氧化物、硫化物、氮化物、硅酸盐等以及由它们组成的各 种复杂化合物的统称。从金相学的角度，把夹杂物分为五类，并对其特征作了如下描 述： a 类( 硫化物类) ：具有高延展性，单个灰色颗粒有较大的压缩比( 长度宽度) ，一 般尾端呈钝角；b 类( 氧化铝类) ：大多数没有变形，有角的，压缩比小( 一般小于3 ) ， 黑色或黑蓝的颗粒，沿轧制方向排成一行( 至少有三个颗粒) ；c 类( 硅酸盐类) ：具有高 ，一 内蒙古科技大学硕士学位论文 的延展性，单个呈黑色或深灰色颗粒，压缩比较大( 一般大于等于3 ) ，一般尾端呈尖 角：d 类( 球状氧化物类) ：不变形，角状或园形，压缩比小( 一般小于3 ) ，黑色或蓝黑 色，任意分布的颗粒；d s 类( 单颗粒球类) ：圆形或近圆形，直径大于或等于1 3 p p m 的 单颗粒夹杂物1 2 7 j 。 夹杂物按来源可分为内生夹杂和外来夹杂。内生夹杂直接源于冶炼，主要是钢液脱 氧或脱硫时，杂质( 0 、 s ) 和合金化元素化学反应的产物。内生夹杂的颗粒一般比 较小，其在钢中的分布，相对来说比较均匀。从组成看，内生夹杂可能是单组分的，也 可以是多组分的，可以是单相的，也可以是多相的。外来夹杂，是由于在冶炼和连铸过 程中耐火材料腐蚀、卷渣等造成的，尺寸一般较大，外形多不规则。 夹杂物对金属性能的影响总的来说是有害的，夹杂物的存在破坏了基体的连续性， 造成金属组织的不均匀，使金属的力学性能特别是金属的塑性、韧性和疲劳强度下降， 另外，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。比如，滚动轴承钢出现疲劳裂纹， 薄带出现表面缺陷以及线材拉断等都与夹杂物有关。在特殊情况下，夹杂物对金属性能 存在有利的一面，比如硫化物夹杂能提高钢的易切削性能，细小的夹杂物在金属液凝固 时自发形核，起到细化晶粒的作用。 夹杂物尤其是大型夹杂物是造成铸坯表面和内部缺陷的重要原因。由于夹杂物未充 分去除，生产中经常发现连铸坯皮下夹渣和距离内弧1 4 处夹杂物有聚集趋势，由此造 成的铸坯废品率和钢材质量争议不断增多。 夹杂物还容易在壁面沉积，造成结晶器水口、r h 上升和下降管堵塞，不仅降低冶 金容器的寿命，而且直接危及生产的连续性和稳定性。镇静钢中主要的央杂物a 1 2 0 3 ， 在钢液温度下为固态，在钢中容易团聚形成簇状、群落状或珊瑚状的大型夹杂物，这些 大型夹杂物一旦到达炉墙很容易吸附结瘤 2 8 2 9 1 。 1 4 2 夹杂物的质量控制 夹杂物对钢材的危害主要与夹杂物的数目和尺寸有关，对夹杂物进行质量控制，首 先是控制夹杂物的数目和尺寸。由于钢种不同和冶炼成本限制，对夹杂物的要求也不尽 相同。对普通钢，总氧5 0 p p m 、夹杂物大小在5 0 1 x m 以下，通常对钢材性能不构成严重 的质量问题 3 0 l 。然而，对薄带、等特殊用钢，这个指标可能根本达不到要求，例如， 钢帘线要求a 1 2 0 3 夹杂小于1 0 - 15 1 越r n ，才能满足拉丝过程中2 0 万米无断头的要求。 提高钢产品质量、生产纯净钢的关键在于控制夹杂物。钢液中的夹杂物大部分是通 过浮力自然上浮去除的，可以说这种情况在整个冶金过程中一直在进行。炼钢是大规模 连续生产，仅靠自然上浮效率很低，无法满足生产要求，常常需要采用专门的手段，例 如炉外精炼、过滤等，强化夹杂物的去除。目前，主要的去夹杂技术【3 i 】有： 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 吹氩 常见的精炼手段，可以达到三个冶金目的：搅拌、均匀成分、温度、脱气和去夹 杂。吹氩对夹杂物的作用表现在两个方面，一、通过气泡的捕捉、吸附作用，直接去除 夹杂物；二、通过浮力搅拌间接促进夹杂物碰撞聚合，从而促进夹杂上浮。 ( 2 ) 渣洗 常见精炼手段。利用合成渣处理钢液，不仅可以快速脱硫，对去夹杂也十分有效。 渣洗去除夹杂物的原理，实质上与吹氩非常类似，即以异相大颗粒( 或液滴、气泡) 为媒 介吸附夹杂物，同时促进夹杂物碰撞聚合。为了保证渣洗的效果，通常需要吹氩强化。 ( 3 ) 过滤法 一些特殊钢，比如不锈钢、钢对夹杂物控制往往比较严格。因此，在中间包中采 用安装过滤器的措施，来强化钢液的纯洁度。过滤器主要通过机械阻碍、表面吸附的作 用去除夹杂物。 ( 4 ) 离心分离【3 2 】 利用夹杂物与钢液的密度差，可以在离心场中分离夹杂物。在旋转的钢液中，由于 夹杂物密度比钢液小，夹杂物会向心运动，从而在钢液中心聚集、上浮。钢液的旋转运 动，可以通过旋转磁场产生。其基本原理可类比电动机，钢液相当于电动机的转子( 次 级) ，旋转磁场则是定子( 初级) 。 1 a 3 夹杂物的一般动力学理论研究 夹杂物的扩散长大 开始时夹杂物在整个钢液中迅速的扩散蔓延，其数密度可达z = 1 0 t 1 0 培个c i n 3 。可 以认为每个核拥有一个独立的溶质供料区，这是一个以该颗粒为中心的球形区域，其半 径取决于夹杂物核的密度，这个区域不妨称为“扩散球”【3 3 1 。 c a ) 图1 3 夹杂物生长机理示意图 c a ) 扩散长大c b ) 碰撞长大 ( b ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 3 ( a ) 可以简单地描述这个物理模型。其中实心球代表夹杂物核，周围反应元素 不断地向夹杂物表面扩散，并反应析出，r 表示夹杂物半径，表示扩散球半径。由于 溶质扩散和夹杂物生长是两个互补的过程，只要知道其中一个就可以求夹杂物的生长 率。假设溶质扩散为各向同性，模型最后归结为反应元素的一维球扩散问题，其控制方 程及定解条件用式子( 式1 1 ) 至( 式1 4 ) 来描述。 掣= 罢p 鼬掣) 一= = 一一i ，7 一i 魂 za p a p 1 c ( p ，0 ) = c o d v c ( r ，) = 屈( c 一巳) v c ( r , ，) = o ( 式1 1 ) ( 式1 2 ) ( 式1 3 ) ( 式1 4 ) 其中c 白力表示反应元素的瞬时浓度；勖表示初始浓度；c e 表示反应到达平衡时浓 度；p 表示径向坐标；侈为夹杂物表面的传质系数，它反映元素反应和析出的快慢，与 反应活化能、温度及表面形状等因素有关：扩散半径心由夹杂物核的数密度z 确定，由 于如包围的体积元内只有一个夹杂物核，根据4 万z 孵3 = l ，心= ( 3 4 7 r z ) u 2 。 还应指出，球扩散方程( 式1 1 ) 忽略了对流项。因为对微米级颗粒，表征对流与扩 散传质相对大小的p e l e c t 数= p t , , r + 4 ) 口嘣= 1 0 0 n 。0 。2 2 ( ? 嵝4 ) 噌g ，、! 5 一o 2 4 3 掣r w 4 8 式中a ，a m a x 一两相区和中心线上含气率； ，h 珊厂两相区径向尺寸和含气率半径； p ，旷两相区液体密度和喷嘴处气体