微气泡法去除钢液中夹杂物的数学物理模拟

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降低钢液中夹杂物含量已成为炉外精炼过程的主要目的之一,尤其是将小尺寸夹杂物含量降到极低水平。向钢液中吹入惰性气体是目前应用最广泛的一种钢液精炼技术,其一方面借助搅拌促进大尺寸夹杂物的去除;另一方面,使小尺寸夹杂物颗粒与生成的气泡发生碰撞,与之粘附于一起上浮至钢液表面得以去除。对气泡法去除钢液中夹杂物的过程进行深入研究,具有极大的理论意义和应用价值。 为摸清钢包底吹氩过程中流体流动规律及夹杂物的长大和去除机理,分析了影响钢液流动行为的因素,对夹杂物颗粒各种长大方式和去除方式进行对比,并讨论了传统钢包底吹氩工艺对不同尺寸夹杂物的去除效果;为有效去除钢液中的小尺寸夹杂物,对从长水口吹入氩气去除钢液中夹杂物的工艺进行全面系统地研究,首先考察了影响长水口内流体流动行为和压力分布规律的因素;探讨了影响微气泡的尺寸及其分布的工艺参数,确定长水口内生成微气泡的最佳条件,并分析了从长水口吹入气体后对中间包内流体流动特征和混合效果的影响。 对钢包内流体流动规律的研究结果表明:喷嘴位置距钢包底中心太近,钢包内不能形成大的回旋流动;喷嘴距包壁太近,缩短包壁寿命。 将夹杂物长大和去除效率模型应用于邯钢135t钢包的底吹氩过程,结果表明:气体搅拌条件下,湍流碰撞是夹杂物增长的主要方式,随夹杂物尺寸的增大,斯托克斯碰撞的作用愈加明显,而布朗碰撞的作用可以忽略;壁面吸附对夹杂物去除的贡献最小;斯托克斯上浮只能使大尺寸夹杂物得到有效去除,小尺寸夹杂物去除效果不佳;传统钢包底吹氩产生的气泡尺寸大,通过粘附方式对夹杂物的去除作用极差,即传统的钢包底吹氩工艺不能有效去除钢液中的小尺寸夹杂物;钢包容量对其采用双透气砖后的效果有直接影响;邯钢现用135t钢包不适合使用双透气砖吹氩。 从浇铸过程中钢包和中间包之间的长水口处吹入氩气,可以得到合适尺寸的微小气泡,这些气泡与夹杂物颗粒之间具有较高的粘附概率,与钢液中的夹杂物颗粒发生碰撞并粘附于一起,落入中间包后上浮至钢液表面,可有效提高小尺寸夹杂物的去除率。 通过对长水口内压力分布及中间包内夹杂物去除效率的计算,结果表明:滑板附近的压力最低,并且出现空化作用;滑板开度变小、长水口内径增大或长度增加,都会导致长水口内压力降低;长水口内的压力与到中间包液面的距离不呈简单线性关系;长水口和中间包内生成的微气泡对夹杂物的去除效果显著。要获得合适尺寸的气泡,氩气吹入量、喷嘴位置及尺寸的确定是关键。 通过水模型试验,探讨了长水口内生成的微气泡尺寸及分布的影响因素,认为:长水口扩展处的高强度湍流扰动有助于微气泡的生成和均匀分布;降低吹气量,可使生成的气泡尺寸变小;较小喷嘴尺寸有助于更小尺寸气泡的生成。选择合适的喷吹参数,可以在长水口内生成尺寸小于1mm的微气泡。聚乙烯颗粒的去除效率受吹气量、拉速和颗粒浓度等因素的影响;较大拉速不利于聚乙烯颗粒的去除。 通过对中间包内钢液的流动状态进行分析,结果表明:从长水口引入气体对中间包内的流体流动特征和平均停留时间没有明显影响;邯钢现用35t中间包内存在死区,应对挡渣墙和坝进行合理调整。 试验结果表明:从长水口吹入氩气去除钢液中夹杂物的工艺是一项切实可行的技术,微气泡对夹杂物的去除效果显著。
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