（钢铁冶金专业论文）rh精炼过程的物理模拟及钢液流动的数学模拟.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 利用以9 0 t 多功能精炼装置为原型建立的几何相似比为1 ：5 的r h 水模拟 系统，研究了r h 精炼过程中液体的流动和混台特性，特别地，考察了吹气管管 径的影响。结果表明，在给定的吹气管管径( 0 0 8 ，o 1 2e r a ) 下，该装置的环流 量关系为：q ，* 绞o ”d 。“7 2 岛“”露“”( t m i n ) ；增大吹气管管径，环流量略有增 加：吹气管管径的变化不会显著影响钢包内液体的流态，大涡位置和数量几乎不 变，同样存在大量的小涡流；在下降管液流与其周围液体间形成一明显的液液两 相流：增大吹气管管径，使液体的混合时间略有缩短，相应的混合时间和搅拌能 密度关系为：f 。o cf “”。 基于气液两相流模型、连续性方程、动量方程和湍流的k - r 双方程模型，视 钢包、插入管和真空室为一整体，提出了r h 精炼过程中钢液流动的三维数学模 型，借助p h o e n i c s 计算软件对r h 模型装置内液体的流动作了数值模拟，计算了 上升管内液相的含气率和环流量。结果显示，该模型能相当好地模拟r h 装置内 液体的流场，与拍摄的流态相吻，可为实际r h 精炼过程中脱碳和脱气的预测提 供信息和依据；除靠近钢包内液体表面和两管脚之间的区域外，r h 精炼过程中 流体混合很充分，尤其在真空室内；气体主要集中于上升管壁附近；计算得的环 流量与测量结果很吻合，在一定条件下吹气量存在一临界值，对应有一个最大环 流量，即饱和环流量：该模型可相当精确地给出饱和环流量和相应的吹气量。 关键词r h 精炼过程，流体流动，混合特性，物理模拟，数学模拟 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t aw a t e rm o d e lo f1 5l i n e a rs c a l ef o ra9 0 tm u l t i f u n c t i o nr h d e g a s s e rh a sb e e n u s e dt oi n v e s t i g a t et h ef l u i da n d m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e si n r h r e f i n i n gp r o c e s s ，e s p e c i a l l y , t oe x a m i n et h ei n f l u e n c eo f t h ed i a m e t e ro f p o r t t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e l a t i o no ft h ec i r c u l a t i o nf l o wr a t eo f m o l t e ns t e e lf o rt h e u n i tu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h e p r e s e n tw o r kc a nb ee x p r e s s e d 、a s f o l l o w s ， q o c 绞“”见。7 2 d d “”d 。0 1 3 ( t m i n ) ，w h e r e 旷t l l eg a sf l o wr a t e ( n l m i n ) ，d 。a n d d a 一出ei n n e rd i a m e t e ru p a n dd o w n s n o r k e l ( c m ) ，d m - - d i a m e t e ro fn o z z l e ( o ，0 8 一 o 1 2 c m ) q ii n c r e a s e ss l i g h t l yw i t h a r ti n c r e a s eo f d , q ，w h i l ed h h a sn oi n f l u e n c eo nt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e ns t e e l t h e p o s i t i o na n da m o u n to fl a r g e re d d i e sa r e e s s e n t i a l l yn o t v a r i e dw i t ht h ec h a n g ei nt h e p o r td i a m e t e r , a n dt h e r ea r ean u m b e ro f s m a l le d d i e si nt h el a d l e al i q u i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o wi sf o r m e db e t w e e nt h e l i q u i d s t r e a mf r o mt h ed o w n 。s n o r k e la n dt h el i q u i da r o u n di t t h em i x i n gt i m ei ss l i g h t l y s h o r t e n e dw i t hi n c r e a s i n gd mt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h e m i x i n gt i m ea n d t h e s t i r r i n gp o w e rd e n s i t yi so b t a i n e dt ob e r 。o c 占一o ”。 b a s e do nt h eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wm o d e l ，c o n t i n u i t ye q u a t i o n ，m o m e n t u m e q u a t i o n a n dk - em o d e lo ft u r b u l e n t f l o w , c o n s i d e r i n g t h e l a d l e ，t h eu p a n d d o w n s n o r k e la n dt h ev a c u u mv e s s e la saw h o l e , a3 - d i m e s i o nm a t h e m a t i c a m o d e lo f m o l t e ns t e e lf l o wi nr h r e f i n i n gp r o c e s sh a sb e e np r o p o s e da n dd e v e l o p e d b ym e a n s o ft h ep h o e n i c sc o m p u t 酞i o ns o f t w a r e ，t h e l i q u i d f l o wi nt h er hm o d e lu n i th a s n u m e r i c a l l yb e e nm o d e l e da n dt h eg a sh o l du po f t h el i q u i dp h a s ei nt h eu p s n o r k e l a n dt h ec i r c u l a t i o nf l o wr a t eh a v eb e e nc a l c u l a t e d u s i n gt h em o d e l t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ef l o w p a t t e r no fl i q u i di nt h eu n i tm a y b ew e l lm o d e l e db yt h e m o d e l ，a n di si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ep a t t e r no b t a i n e db yw a t e rm o d e l i n g e x p e r i m e n t s t h em o d e lc a np r o v i d es o m ei n f o r m a t i o nf o rp r e d i c t i n gd e c a r b u r i z a t i o n a n dd e g a s s i n gr e a c t i o ni nt h ep r a c t i c a lr h r e f i n i n gp r o c e s s t h el i q u i d ，p a r t i c u l a r l y o n ei nv a c u u n lc h a m b e rc a nb ef u l l ym i x e dd u r i n gr h r e f i n i n gp r o c e s se x c e p tt h e a r e ac l o s et ot h el i q u i ds u r f a c ei nt h el a d l ea n dt h ez o n eb e t w e e nt h es n o r k e l s t h e i i 一 一圭堂查兰堡主兰竺丝塞 l i f t i n gg a si sr i s i n gm o s t l yn e a rt h ew a l lo fu p s n o r k e l t h ec i r c u l a t i o nf l o wr a t e s g i v e nb y t h em o d e l a g r e ew e l lw i t h t h e e x p e r i m e n t a lv a l u e s u n d e r ac e r t a i nc o n d i t i o n ， q g h a sac r i t i c a lv a l u ea n d ，c o r r e s p o n d i n g l y , t h e r ei sa l a r g e s tv a l u eo fq f ，w h i c hi s n a m e da st h es a t u r a t i o nc i r c u l a t i o nf l o wr a t e t h es a t u r a t i o nc i r c u l a t i o nf l o w r a t ea n d t h er e l e v a n tg a sf l o wr a t ec a nb er a t h e r p r e c i s e l yg i v e nb y t h em o d e l k e y w o r d s r hr e f i n i n g p r o c e s s ，l i q u i df l o w , m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，p h y s i c a l m o d e l i n g ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g - 1 h 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：学会魑日期如铲m 厂 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：莲玺鳖导师签名：彳脚日期：趔! 堑： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 钢铁是现代社会中广泛应用的结构材料。随着社会的发展和科学技术的进 步，对钢的质量要求越来越高。以超低碳钢为例，为满足当代汽车工业的需要， 钢中碳和氧的含量必须控制在1 0 1 0 4m a s s 以下。上世纪五、六十年代新技术 革命时期出现的各种复合材料、高分子材料形成了对金属材料的挑战。r h 、d h 、 a o d 、v o d 、a s e a s k f 等一大批炉外精炼技术的出现，大大提高了钢的质量， 使钢材料又具有了竞争性。 随着冶金科学和技术的发展，钢铁生产流程已经由原来的三步法( 炼铁 炼钢铸锭) 发展成目前的多步法，即高炉铁水预处理转炉( 或电炉) 二次精炼连铸。传统的炼钢方法由一步炼钢发展成炉内初炼和炉外精炼 两步炼钢。钢液的炉外精炼即二次精炼，就是将传统炼钢工艺中在炼钢炉内完成 的精炼任务，如除气去杂、成分与温度的调整和均匀化等，部分或全部移到钢包 ( 或专用容器) 中进行，旨在强化冶炼过程、提高生产率、扩大产品品种、提高 产品质量、降低产品能耗。钢液的二次精炼是现代冶金生产中实现冶金功能重新 分配和优化组合的关键。它不仅在提高产品质量、扩大品种、优化工艺、降低能 耗等方面发挥着巨大的作用，而且已成为传统钢铁工艺流程的合理组合、系统优 化以及新流程开发所不可缺少的重要工序。 在众多二次精炼技术中，真空循环( r h ) 精炼，由于其适应性强、速度快、 效率高、效果好、精炼操作简单方便等一系列的优点，应用最广，发展最快，已 成为一种多功能二次精炼技术，在相当大程度上，是低碳和超低碳钢生产流程中 不可缺少的组成部分和钢液降碳去气的主要精炼操作，其在二次精炼技术中占据 了主导地位。 r h ( r u h r s t a h l h e r e a e u s ) 循环脱气法，是在常压下向真空室的上升管吹氩 气或氮气，使钢液在真空室和钢包之间循环流动，从而在真空室中脱碳除气。 此方法是1 9 5 7 年西德鲁尔钢铁公司( r u h r s t a h l ) 的亨利希斯钢铁厂和赫拉 欧斯公司( h e r e a e u s ) 共同设计开发的一种钢液炉外精炼法，1 9 5 9 年建成了世 界上第一台r h 装置。r h 精炼技术一俟诞生，即引起国际钢铁界的关注。日本于 1 9 6 3 年由新日铁的前身富士公司引进了第一台r h 装置，用以生产板材。1 9 7 5 上海大学硕士学位论文 年新日铁建造了至今世界上最大的r h 精炼设备( 3 4 0 吨) ，实现了大型化。经过 4 0 多年的不断研究和发展，现在r h 真空精炼处理水平及配套技术已达到相当完 善和成熟的地步。目前，全世界已有此种设备5 0 0 余台，其容量从几十吨到3 4 0 吨【1 。r h i j ，r h o b ，r h k t b ，r h p b ，r h p t b 等精炼技术相继出现，由原来单 一的脱气装置转变为包含真空脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的 多功能炉外精炼装置。我国自1 9 6 7 年大冶钢厂从西德引进第一台r h 装置后，循 环式真空脱气处理的优势逐渐被认识，武钢、宝钢在7 0 年代、8 0 年代也相继采 用，各大钢铁公司都在为进一步应用该精炼技术而努力，建造新的高水平的装置。 1 1r h 过程的工艺原理 提升 图卜1r h 脱气原理示意图 r h 精炼装置主要由钢包、上升管、真空室和下降管组成。图卜1 为r h 真 空循环脱气原理的示意图。钢液循环脱气处理时，把与真空室下部相通的两根环 流管( 即上升管和下降管) 插入钢包的钢液，靠真空室被抽真空后建立的压差使 钢液由环流管进入真空室进行脱气，同时从两根环流管之一( 上升管) 吹入驱动 气体( 通常为氩气) ，利用气泡泵原理抽引钢液流过真空室和下降管回入钢包， 产生连续的循环流动，在这种循环运动中钢液分批进入真空室并得以精炼。 1 2r h 过程的工艺特点 上海大学硕士学位论文 为前所述，r h 循环脱气法的主要功雏己经由原来单一的脱气设备发展成为 包含真空脱气脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的一种 多功能炉外精炼设备，其主要精炼功能包括： ( 1 ) 真空脱碳：r h 过程具有较强的脱碳功能，在2 5m i n 处理周期内生产 c 、 2 0 1 0 。4 m a s s 的超低碳钢【2 】； ( 2 ) 真空脱气：可生产 h 1 5 ) ( 1 0 4m a s s ， n 、 o 0 1 的范围内，主要由吹氧来控制脱碳反应，脱碳速率随 o 】的 增加而增加( 图1 2 ) ；但当 c o 0 1 时吹氧的作用就不是很大。 g “ o u 8 u 鲁 旷 每 1 0 0 ) r i t 脱碳f j - i 目- j ( _ i n ) ( a ) 传统方法 o24681 01 2 1 41 6 k t b 脱碳时间( m l n ) ( b ) ，k t b 方法 a r h 过程b r h k t b 过程 图1 - 6r h 和r h - - k t b 过程排气成分和二次燃烧率的比较 应用r h k t b 技术不需要热源即可补偿脱碳精炼中钢液的温度损失，降低 了转炉的出钢温度；不需要延长精炼时间，可获得高的脱碳速度；在转炉出钢终 点( c ) 5 0 0 x 1 0 4m a s s 的情况下冶炼超低碳钢，脱碳过程中不会发生强烈喷 溅，减少了r h o b 工艺中a r 气的消耗；使用灵活，操作简便。当然，r h k t b 技术也有其不足之处，如增加了氧枪及其控制系统，要求真空室有更高的 高度，但仍不失为是一项较完善的真空吹氧技术。 1 4 2 4r h 多功能喷嘴( m f b ) 1 1 8 继日本川崎公司成功开发p , _ h - - k t b 精炼技术之后，日本新l q 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p , h 多功能喷嘴顶吹 氧技术( 图1 7 ) 。其冶金功能与k t b 精炼技术相近，另外可喷吹铁矿石粉以加 速脱碳，还可在精炼过程中吹入一定量的天然气使之燃烧达到加热钢水的目的。 上海大学硕士学位论文 1 4 3r h 喷粉技术及发展 1 4 3 1 v i 真空喷粉法 v i 法由内蒙古第二机械制造厂和内蒙古金属研究所于1 9 8 4 年共同研制而成 1 9 1 ( 图1 8 ) ，其效果可使3 5 c r n i 3 m o v 钢的氧含量降至1 9 8 1 0 4 m a s s ( 最低 达9 1 0 4m a s s ) ，硫含量脱到0 0 0 1 5 0 0 0 4m a s s 。该法的特点是粉体在钢液 中经过的路程较长，使其脱硫、脱氧的作用得以充分发挥。 + f e x o 粉) 图1 7r h 多功能喷嘴示意图图1 - 8v i 法示意图 赉j 1 4 3 2 r i - i i j 喷粉法 r h - - i j 法是日本新日铁大分厂于1 9 8 5 年开发的1 2 0 。该法是将喷枪直接插 入上升管的下方，既可将氩气与粉剂同时吹入，又可单独吹氩，其特点是，可以 将炉渣的不利影响限制在最小程度，粉体与钢液可以接触较长的时间，可增强钢 包底部和真空室内的钢水搅拌，可增大环流量。 1 4 3 3r h p b 喷粉法 日本新日铁名古屋厂于1 9 8 7 年研制成了r h p b 喷粉法 2 h ，它利用原有 的r h - - o b 设于真空室下部的吹氧喷嘴，使之具有喷粉功能，依靠载气将粉剂 通过喷嘴吹入钢液。r h 真空室下部一般有两个喷嘴，可以通过切换阀门改变为 吹氧或喷粉。加铝可使钢水升温，速度达8 1 0 。c m i n ，脱硫率能达7 0 8 0 。 上海大学硕士学位论文 1 4 3 4r t i p t b 喷粉法 1 9 9 4 年日本住友金属工业公司和歌山厂研制开发了r _ i - i - - p t b 法【翻。该法 利用水冷顶枪进行喷粉操作，粉剂输送较流畅，喷嘴不易堵塞；不使用耐火材质 的浸入式喷粉枪，操作成本较低；无钢水阻力，载气耗量小。当喷粉速度为 1 0 0 - 1 3 0k g m i n ，喷吹约1 0r a i n ， c a o c a f 2 粉剂用量为5 k g t 时，可使钢中 s 】 降至5 x 1 0 4m a s s 以下，同时钢中氮含量也由2 0 1 0 。4m a s s 降至1 5 x 1 0 4 m a s s ( 图1 - 9 ) 。 图l - 9 喷粉期间【s 和 n 】的变化 图1 - 1 0m e s i d 工艺 ) 1 4 3 5m 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m e s i d 喷枪用脉冲气流工作，从而减少氧气流对真空室内钢液面的影响如图1 - 1 0 2 3 1 。 可向熔池表面喷吹用于脱硫的固体混合料，还可加热真空室的耐火材料或保持 一定温度。 1 4 4r i t 冶金功能的比较 几十年来，r h 精炼技术取得了巨大进展，由起初单一的脱气设备发展成为 上海大学硕士学位论文 表1 1r h 及多功能r h 精炼技术的概况 序类型开发厂家主要功能适用钢种处理效果备注 列 lr h1 9 5 7 年真空脱气特别用于 t t ( 2 1 0 4 m a s s 原为钢水 前西德鲁( h 2 ) ，减对含氢量 n 4 0 1 0 4m a s s 脱氢开发， 尔钢铁公少杂质，要求严格 o 2 0 1 0 4m a s s 短时间可 司和赫拉均匀成钢种，主要使 h 】降到 欧斯公司分、温度是低碳钢、远低于自 超低碳深点敏感极 冲钢等限以下 2r h o b1 9 7 2 矩同1 ，并同l ，还可 同( r h ) ，且可使终点为钢水升 新日铁公能吹氧脱生产不锈碳 c 3 5 1 0 4温而开发 司名古屋碳、加热钢，多用于 m a s s 钢水超低碳钢 的处理 3r h 1 9 8 5 年同l ，并同1 ，主要 h 1 5 1 0 4m a s s 喷枪插入 p b ( i j ) 新日铁公可喷粉脱用于超低 s 1 0 1 旷m a s s 钢包内上 司大分厂硫、磷硫、磷钢的 p 2 0 1 0 。4m a s s 升管下面 处理 4r h 1 9 8 6 矩同1 ，并同1 ，多用 h ( 1 5 1 0 4m a s s 快速脱碳 k t b日本川崎可加速脱于超低碳 n 4 0 1 0 4 m a s s 至超低碳 钢铁公司碳，补偿钢、l f 钢、 0 3 0 1 0 4m a s s 范围，二次 热损失硅钢的处 c 2 0 x1 0 4m a s s 燃烧补偿 理处理过程 热损失 5r h 1 9 8 7 年同1 ，并同1 ，主要 n 4 0 1 0 4m a s s 从o b 孔喷 p b ( o b ) 新日铁可喷粉脱用于超低k s 1 0 1 0 4m a s s 入粉剂 硫、磷硫、磷钢， p 2 0 1 0 4m a s s 等的处理 6r h 多功1 9 9 2 红同l ，既同1 ，还可 i t 1 5 1 0 4m a s s 喷嘴既可 能喷嘴日本新日可喷粉脱用于超低 n 4 0 1 0 4m a s s 喷入粉剂 ( m f b ) 铁硫、磷又硫、磷钢的 0 3 0 1 0 4m a s s 又可吹氧 可吹氧加处理 c 2 0 x 1 0 4 m a s s 速脱碳 7r h p t b1 9 9 4 缸同1 ，并同1 ，主要i n 1 5 1 0 4m a s s 从k t b 喷 日本住友可喷粉脱用于超低 n 4 0 x1 0 4m a s s 枪喷入粉 金属工业硫、磷硫、磷钢的 0 3 0 1 0 4m a s s 剂 公司处理 c 2 0 1 0 4m a s s 8m e s i d1 9 9 4 篮同1 ，并同1 ，主要 h 1 5 1 0 4m a s s 快速脱硫 比利时可喷粉用于超深 n 2 0 1 0 4m a s s 至低碳范 ( s i d m冲钢，超纯 c 1 5 x1 0 4m a s s 围 a r )净钢 1 0 上海大学硕士学位论文 包含真空脱气、脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的一 种多功能炉外精炼设备。表1 1 对r h 及r h 多功能精炼技术作了比较。 四十多年来，r f i 及r h 多功能精炼技术在国内外得到了广泛应用和迅速发 展，其喷吹气体和粉剂的实用技术在一定程度上已经确立，但在r h 综合精炼实 用技术及依据上仍有许多待解决的问题。各钢厂在大力发展以真空为主的r h 多 功能炉外精炼设备的同时，还需充分优化p , i - i 设备及工艺参数。超低、超窄精炼 技术的方法和理论还处于发展中，精炼工艺宣向组合、多功能化炉夕 精炼方向发 展，使钢液完全在线处理，如炼钢炉一r h 一连铸这样的工艺得以开发，能充分 发挥炉外精炼的作用，为企业和社会创造出最佳效益。 上海大学硕士学位论文 第二章r h 精炼过程的数学和物理模拟 r h 精炼技术从5 0 年代开始研究使用，到目前已经有4 0 多年的历史，期间 人们对r h 精炼进行了许多物理和数学模拟研究，对r , - i 精炼的反应机理、传输 现象有了一定的认识，也积累了许多操作经验，但人们还不能完全驾驭r h 中的 反应，这只有在对其内部的过程完全认识清楚后才有可能。迄今为止，有关r h 精炼过程的数学和物理模拟大多集中于单一功能的r h 过程，着重于r h 装置内 的流动和传质现象，钢液的循环流速、环流量、搅拌强度、混匀时间、流场、脱 气速率、脱碳速率、传质系数等。 2 1r h 精炼过程的物理模拟 当前世界各国在材料的种类和供应方面所展开的日益激烈的竞争迫使人们 对现有的生产工艺操作进行革新和优化，更重要的是不断开发新产品和新工艺。 钢铁工业也不例外，它的竞争焦点集中在质量、品种、综合成本和适时、有效、 优化的投资这几方面。这就需要进行大量的研究开发工作。然而，允许进行工艺 改造和系统优化的时间往往是相当有限的，因此传统的革新方法必然要被选择性 强、速度快、消耗低的新方法取代。物理模拟已被公认为在辅佐所需的技术变革 方面具有很大的潜力。它可以在不同规模上再现某一过程，分析其物理特性和线 性尺度的影响，并可对所研究过程进行直接实验。 冶金研究中主要是对冶金反应器中的传输现象进行模拟。出于传热、传质都 与流动有关，所以模拟冶金反应器中的流动现象的研究尤为活跃。 对冶金过程的物理模拟，典型例子有：用空气一水系统来模拟氩气搅拌钢包 内的流动；用有机玻璃盛水以模拟连铸过程的钢包一中间包系统；用水模拟高温 燃烧气体的流动：用水银模拟电磁驱动的钢液流动等。在这些例子里，根据相似 原理建立物理模型，用有机玻璃代替耐火材料，用水代替钢液。可以对气泡的行 为、循环流动和熔池的混合等进行观测，能够进行直接测量，从而获得现场无法 获得的信息。此外，中间包、连铸结晶器等反应器内的流动、混合、夹杂物行为 的研究大都是借助了物理模型。在这些重要冶金反应器的研究中，正因为借助了 物理模型，不仅使实测更易进行，而且由于模型装置被缩小，实验的费用可大大 上海大学硕士学位论文 降低。另方面，物理模拟也有其局限性，一些冶金现象很难用物理模拟，如 r h 过程中很难利用物理模拟来精确模拟由于温度和压力而引起的气泡的膨胀， 以及液体自由表面处发生的气泡爆裂等。 概括起来，物理模型具有以下作用： ( 1 ) 在物理模型中进行定量测定的结果可以按一定比例直接用于描述真实 体系； ( 2 ) 在物理模型中获得的测定结果可以用于验证数学模型结果，使数学模 型得以不断完善，以用于描述真实体系的行为； ( 3 ) 在物理模型中可以进行一些特定的实验以了解体系中行为特征，建立 相应的经验关系式，为数学模拟奠定必要基础。 2 1 1 r h 精炼装置物理模型的建立及参数的测试 冶金过程的物理模拟最常用以模拟金属的介质是水，此即冶金过程的水力学 模拟。在进行水力学模拟研究时，常用透明有机玻璃建立相应比例的水力学模型， 以水作模拟介质，借助于测试仪器，模型所表现的冶金过程特征进行研究。 1 物理模型的建立 自从相似理论问世以来，人们借助于相似原理，把过去难以在实验室进行的 高温实验研究在常温下得以实现。r h 精炼过程的物理模拟研究就是一个成功的 实例。相似理论是物理模拟的理论基础【2 4 1 。根据相似理论，物理模型若能与实际 反应器( 原型) 内的过程保持相似，则由模型得到的规律可以推广应用到原型。 对于复杂的冶金过程来说，模拟不可能保证完全相似，一般主要考虑其几何相似 和动力相似。 ( 1 ) 几何相似即模型与原型的形状相似。一般情况下模型较原型按一定 比例缩小，保证模型关键部分的尺寸与原型相似，即各关键部分的尺寸比例为同 一相同的尺寸常数，比例大小取决于所模拟的对象和具体条件。 ( 2 ) 动力相似即系统的力相似。当两系统在对应的时间和点上所受力之 比为定值，则两系统间动力相似。冶金过程的模拟大多涉及流体，遵守动力相似 可能是最重要的准则之一。 对于r h 精炼装置，引起体系内流动的动力主要是气泡浮力和重力，雨不是 上海大学硕士学位论文 湍流的粘性力，因此保证模型和原型的修正f r 数相等，就能基本上保证它们的动 力相似。过去许多冶金工作者主要考虑下降液流的f r 数相等，而忽略了上升管中 的气液两相流情况，在实际r h 精炼过程中，上升管内的气液两相流动对整个r h 装置内的流动起作关键的作用。s e s h a d r i 等 2 5 1 根据b u c k i n g h a m7 c 定理，考虑了实 际喷吹气流膨胀的影响，针对上升管提出了： u i zi g o = k l ( d p u l - 0 。( 级d 2 u ) 6 ( 2 1 ) 即 f r = k ( a e ) 。( v a ) 6 ，( 2 q ) 式中f r = v c g z ) ) ，r e = d g u , u ，此即对应的f r 数和r e 数，v a ：p d 2 矾土 表示气流速率对液流速率的比率。由f r 及v a 相等，确定了模型的吹气量。此 外，由上升管喷嘴处液流的修正f r 数相等，确定了喷嘴的内径。这样建立的r i t 过程模型当与实际过程更为相似，给出的模型参数更为合理。 2 参数的测试 对r h 精炼过程，需测定的内容大体有：环流量、混合时间、熔池流场等。 ( 1 ) 环流量的测定 环流量就是单位时间内通过r h 真空室的钢液量。它反映了r h 精炼能力的 大小，是r h 精炼过程中最重要的操作参数。过去人们主要采用拍摄下降管液流 内示踪剂塑粒 2 6 】或用毕托管测流速 2 7 】的方法，有的还采用溢流法 2 8 】，误差均较大。 r i t 实际装置中环流量的测定一般都采用放射性同位素法f 2 9 】。 ( 2 ) 混合时间的测定【3 0 】 混合时间的长短反映了r h 精炼装置内钢液搅拌和混匀的效果。在水模型上 测定混合时间的方法有电导法、p h 法等。电导法是将一定浓度的电解质( 如k c l 、 n a c l ) 溶液瞬时加入水模型容器内的水中，然后连续测定水的电导率变化，直至电 导率变化不超过稳定值的的某个分数( 一般取5 ) 所需的时间即为混合时间： p h 法试验时，在水中加入h 2 s 0 4 或h c l 作为示踪剂，用离子计或p h 计测量水 p h 值的变化，以确定混合时间。 ( 3 ) 熔体流场的研究方法 测定熔池混合时间可得到熔池内流动和混合的宏观结果，但不能完全说明熔 池内流体流动的实际情况，例如熔池内有无死区、死区在什么部位，等等。因此 还需进一步研究熔体流场。 上海大学硕士学位论文 研究熔体流场的水模型实验方法有： 1 ) 用测速仪对流场的速度分布进行定量测定 常用热线测速仪或多普勒激光测速仪测量水模型熔池内流场的速度分布。分 析所得结果，就可以知道熔池中有无死区，死区在何处，也可大概看出液体的流 动轨迹。 2 ) 流场的示踪显示 除了用测速仪对流场进行测定外，还可用流场显示技术赢接观察流场和拍摄 流谱图，最常用的流场显示方法是示踪法。虽然较粗糙，但其反映出的流场却是 直接的图像，可以直接看出液体的流动轨迹，是否有“短路”现象发生等优点。 2 1 2 r i - i 精炼过程的有关参数与特性 1 环流量 钢液的环流量是r h 精炼过程中最重要的操作和工艺参数。它决定着整个体 系内钢液的流动状态、混合特性和平均停留时间，从而决定着整个体系的传质特 点、精炼反应的速度和最终精炼效果。对环流量的研究始终是r s t 精炼过程研究 中最基础的工作之一，很多研究者对此作过研究和测定 3 1 - 3 9 】。表2 1 给出了文献 中一些主要的关于环流量的计算公式。这些计算公式大致可分为两类： 表2 1 环流量的计算公式 序号关联公式 量纲测定方法研究者 1 q i 础d 。5 q g d ” t r a i n3 4 0 tp & 1 1 10 水模测定渡边秀夫”1 1 2 q 尸o 6 5 2 d u 34 9 9 0 3 1 t r a i n水模测定 斋藤忠p 目 3 q i = o 0 4 矾18 0 0 t r a i n千叶厂2 8 0 t r h 测定三轮守1 4 q 尸o ，0 0 3 8 d u o3 d d “甜”f 5 t m i n7 0 tr h l t 水模测定 小野清雄【3 4 j 5 q 尸11 4 q g ”d 。4 3 l n ( p 1 p 2 ) ) 2 0 t j m i n工厂实测数据整理k u w a b a r a 3 6 】 6 o l = k ( h q 2 f 6 d u 2 ) ”， f f m i n水模测定 田中英雄【3 s 1 7 q l = 5 8 9 q g t m i n8 0 t r hs e s h a d r i v 【2 5 1 q f 芎护坤2 d 23 3 q g l n 1 + ( h s + h v ) 区铁【3 7 i8v m i n工厂实测数据 1 5 1 0 5 p 2 】) 0 2 5 q 尸u u a u p i = p i “u 2 ( p v 中( f 0 0 f r a n k 9t r a i n数学模拟 j d 苫( 册a ) 1 7 2 a h r e t l l l o f d 3 8 】 l o q i = o0 3 3 3 q g 。“d p d “ t r a i n水模测定w e ij i - h e 3 9 】 上海大学硕士学位论文 一类是基于能量衡算进行理论推导，然后结合工厂实测数据，给出的经验关系式； 另一类是根据水模拟实验数据或工厂实测数据，给出的经验关系式。 对r h 精炼装置中的环流量来说，它与钢液流速、吹气量、环流管内径及 吹入气体深度、吹入方式、真空度和钢液粘度等一系列因素有关。 ( 1 ) 环流管内经 环流管内径( 包括上升管和下降管) 是影响环流量的一个重要因素。环流管 内径增大，使环流截面积增大，从而减小钢液的循环流动的阻力，提高了驱动气 体的抽引效率。环流管内径增大，环流量随之显著增大，环流量的饱和值也相应 增高。关于上升管和下降管内径各自对环流量的影响，文献 4 0 认为，上升管内 径对环流量的影响较下降管为大。但小野等 3 4 l 的研究认为下降管内径对环流量的 影响更大。加科2 6 等人对多根环流管进行的研究则认为，在多根环流管条件下， 环流量仍随吹气量的增大而增加，增大下降管的总截面积对环流量的影响更大。 采用三根环流管( 一根上升管两根下降管) 可使环流量增大5 0 ，而设置四根可增 大7 0 。樊世j 1 1 1 4 1 等人采用四根管( 三根上升管一根下降管) 在相同吹气量下， 得出此装置的环流量比传统的( 一根上升管一根下降管) 环流量大，且随着吹气 量的增大，环流量增加也大。齐凤升【4 2 等研究装置与樊世川等所用的几乎相同， 也得出了相同的结论。k u w a b a r a 3 7 1 认为在相同的条件下，采用椭圆形的管径比同 直径的圆形管的环流量大。这些差异和分歧可能是由于各自所用的实验装置的特 点及实验方法和安排不同所致，对上升管和下降管的研究条件也都不是对等的。 由气泡在上升管中的行为可知，当气体流量较小时，增大上升管内径的影响 是有限的，而气体流量大时，上升管截面积可能成为限制因素，这时若增大上升 管内径，会有显著效果；同样，当上升管抽引的环流量较小时，无论怎样增大下 降管的内径都难以影响环流量，而当上升管抽引的液体量大，相对下降管内径成 为限制因素时，增大下降管内径可望得到较好的效果。 ( 2 ) 驱动气体吹入量( 吹气量) 吹气量是影响环流量的又一个重要因素。所有的研究结果都表明：吹气量增 大，环流量也增大。但当吹气量增大到一定程度时，环流量会达到饱和，在饱和 点后，增大吹气量，环流量将不再提高。当吹气量较小时，气泡在上升管内均匀 分散分布，环流量随吹气量的增大而显著增大：当吹气量较大时，气泡在上升管 上海大学硕士学位论文 内分布稠密，气泡体积占据了较大比例，随着吹气量的增加，环流量增加的变化 率较小：当吹气量很大时，气泡体积占据的比例很大，尺寸增大，抽引效率降低。 环流量达饱和值。 ( 3 ) 吹气方式 一些研究结果表明，在相同的环流管内径和吹气量下，多孔吹入气体时的环 流量是单孔吹入时的两倍。单i l 吹入时，吹入的气流偏向吹入孔口的一侧，达不 到均匀分布的状态，而多孔吹入时，气体从各个方向均匀进入，同时由于吹气管 径的减小使气泡细化，气泡在上升管内的分布状态好，从面能比单孔吹入更有效 地发挥驱动气体的功效。h a n n a 2 1 等根据水模研究指出，吹气管从6 根增加到1 0 根时，环流量可增大近2 5 ，而环流管内径从1 0c m 增大到1 1c m ，环流量仅增 大1 0 。k a t o 等【4 3 】也指出，在同样的吹气量下8 根2 5m i t t 吹气管比单根7m m 吹气管环流量提高近一倍，当然并不是孔口越多越好，h a l l i l a 【z 7 】的研究表明，畎 气管在8 l o 根之间最有利，过多的孔口反而会导致环流量下降，其原因就在于 过多的孔口反而会使气体出口动能下降，气流在钢液内的穿透深度不足，致使气 泡分布不均匀。 ( 4 ) 吹气深度 一 。】= 5 0 0 妒 尹 ， ， 【o = 2 0 0 xi 旷 0 。一一一r 一一 h ( c 曲 趟1 5 糕 睽 差l o 晨 8 5 岳 脚 琶。 l 一。一 。叫 【0 】未o l l i i o = z o o xi盯t 一。”。 卜 5 0i 0 01 5 0 h ( c 曲 图2 一l 吹气深度对c o 生成反应的影响 吹入气体的深度对钢液的环流量也有影响。表2 1 中给出的一些研究结果 表明，环流量与吹入气体深度h 的平方根成正比，但该规律有一定的适用范围。 吹气深度很小时，会由于气泡行程过短，气液混合不好，会发生“吹透，现象， 糕婚岫8【b皿l 上海大学硕士学位论文 使环流量显著减小，不可能与h m 成比例。较大的吹气深度，有利于气泡的分散 和膨胀，使其作用于钢液的时间和行程加长，从而能更充分地发挥驱动气体的抽 引效率，增大环流量。藤井 4 4 1 等的研究表明，上升管应有适当的长度，以保证 有适当的吹气深度，但过长的上升管并不能进一步增大环流量。图2 1 表明， 吹a r 口愈低，气泡中的c o 量愈多，吹m 深度约为8 0c m 时，气泡中的c o a r 比达最大值【3 6 l 。 ( 5 ) 真空室真空度 在其他条件不变的情况下，真空室真空度的高低会影响真空室和钢包内钢液 的深度( 即改变了真空室与钢包之间的压差) ，也就使下降管的流速改变，必然 影响钢水的环流量变化。区铁p 7 1 在其他条件不变时得出环流量随真空度的提高 而增大。 插入管的插入深度和钢液粘度等对环流量影响相对较小，一般可忽略不计。 综上所述，加大驱动气体吹入量，增大环流管内径，在条件许可情况下适当 增大吹气深度，选用合适的多孔吹气方式等，都可达到增大钢水环流量的目的。 2 混合时间 炉外精炼技术的一个重要功能就是对钢液进行良好的搅拌，使钢液的温度、 成分均匀化，促进精炼反应顺利进行，而衡量其搅拌效果的一个重要指标就是混 合时间。 混合时间r m 与搅拌能密度s 有着密切的联系，由传输理论可以推得： s 一埘( 2 3 ) s 的指数表示了混合时间对其的依赖关系。利用该式可较好地分析由惯性力( 重力) 起主要作用而引起流体运动，以湍流扩散( 涡流扩散) 起主要作用进行质量传输的 r h 精炼设备中搅拌能密度对混合时间的影响，以及两者之间的关系。从式( 2 3 ) 可以看出，混合时间随着搅拌能密度的增大而缩