（钢铁冶金专业论文）连铸过程中钢包底吹氩新工艺的物理模拟.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y i $ 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l n l l l 舢 iy 1 8 410 h i l l l 6 i i i h l 8 i h i i i p h y s i c a ls i m u l a t i o no nt h en e wb o t t o mb l o w i n g t e c h n o l o g yi nl a d l ed u r i n gc a s t i n g b yz h a oc h e n g u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n gm a o f a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 ， - l-u： =_矗、 1 1 童 _ 一 f ， 0 乙rpj 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，不包含其他人己经发表或撰写过 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 = 蓝 思0 学位论文作者签名：舷 日期：础) 乙 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 2l - r i ， 一 东北大学工学硕士学位论文 摘要 连铸过程中钢包底吹氩新工艺的物理模拟 摘要 为满足高品质钢对央杂物的严格要求，同时克服精炼时间过长对生产效率的不利影 响，本文在总结前人研究成果的基础上，提出了种钢包底吹氩新工艺，即在连铸过程 l中向钢包内底吹氩气以有效去除钢液中的夹杂物。 ：-本论文通过物理模拟，系统研究了连铸过程中钢包底吹氩新工艺，主要考察了底吹 位置、底吹气量及底吹时间等对于夹杂物去除效果的影响作用规律，并将钢包底吹氩新 工艺与传统工艺进行了对比。在本实验条件下，得出如下结论： 1 当底吹气量为o 2 7 x 1 0 5m 3 s 1 时，3 4 位置底吹获得了良好的央杂物去除效果，与 正常浇注相比较，钢液中央杂物的去除率达到6 9 4 。 2 随着底吹时间的延长，钢包底吹氩新工艺获得的夹杂物去除率逐渐增大，但在浇 注后期央杂物的去除效果有所变差。建议在连铸过程中采用阶段性钢包底吹氩工艺。 3 当采用钢包底吹氩新工艺时，3 0 阶段性底吹条件下获得的央杂物去除效果明显 优于钢包底吹氩传统工艺。 4 钢包底吹氩新工艺的夹杂物去除效果与非稳态条件下底吹对钢液流场的影响作 用有关。 5 钢包底吹氩新工艺的合理参数为：3 。位置，0 2 7 x10 5m 3 s ，3 0 5 0 阶段性底吹。 本论文的研究成果将为连铸过程中钢包底吹氩新工艺的设计丌发和工业应用提供 理论参考依据。 f关键词：钢包；吹氩；连铸：夹杂物；非稳态：物理模拟 i 订 p j j i ? i 一 东北大学工学硕士学位论文a b s t r a c t p h y s i c a ls i m u l a t i o no nt h en e w b o t t o mb l o w i n g t e c h n o l o g yi nl a d l ed u r i n gc a s t i n g a b s t r a c t t os a t i s f yt h es t r i c tl i m i t a t i o nf o ri n c l u s i o nc o n t e n ta n dt os h o r t e nt h er e f i n i n gt i m e ，a n e wb o t t o mb l o w i n gt e c h n o l o g yt h a ta r g o ni sb l e wa tt h eb o t t o mo fl a d l ef o rr e m o v ei n c l u s i o n o fl i q u i ds t e e ld u r i n gi nl a d l ed u r i n gc a s t i n gi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r e f f e c to ft h eb o t t o mb l o w i n gl o c a t i o n ，t h eb l o w i n gr a t ea n dt h e b l o w i n gt i m eo n i n c l u s i o nr e m o v a lr a t ew a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yp h y s i c a ls i m u l a t i o n t h en e wb o t t o m b l o w i n gt e c h n o l o g ya n dt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yw e r ec o m p a r e dw i t hi nt h i sp a p e r u n d e r t h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ： ( 1 ) w h e nt h eg a si sb l e wo np o s i t i o n3 撑w i t hb l o w i n gr a t eo f0 2 7 10 5m 3 s 一，t h e i n c l u s i o nr e m o v a lr a t ei sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lc a s t i n ga n dt h er e l e v a n tr e m o v a lr a t er e a c h e s 6 9 4 ( 2 ) t h er e l e v a n tr e m o v a lr a t eo fi n c l u s i o ni n c r e a s e sw i t ht i m ep r o l o n g e d ，b u td e c r e a s e s i nt h el a t ec a s t i n gs t a g e s t a g g e r e db o t t o mb l o w i n gt e c h n o l o g yi ss u g g e s t e dd u r i n gc a s t i n g p r o c e s s ( 3 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no f3 0 s t a g g e r e db o t t o mb l o w i n g ，t h ei n c l u s i o nr e m o v a lr a t eo f n e wb o t t o mb l o w i n gt e c h n o l o g yi sf a rb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lb l o w i n gt e c h n o l o g y ( 4 ) t h ei n c l u s i o nr e m o v a lr a t ei sr e l a t e dt ot h eu n s t e a d yf l o wf i e l df o rt h en e wb o t t o m b l o w i n gt e c h n o l o g y ( 5 ) t h eo p t i m u mp a r a m e t e ri so b t a i n e d ，w h e ng a si sb l e wa tp o s i t i o n3 4w i t ht h e s u i t a b l eb l o w i n gr a t eo fo 2 7 x10 。5m 3 s a n dt h eb l o w i n gt i m eo f 3 0 - - 5 0 c a s t i n gp e r i o d t h er e s u l t so ft h i sp a p e rc o u l dp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n ta n d i n d u s t r i a la p p l i c a t i o no ft h eb o t t o mb l o w i n gt e c h n o l o g yo fl a d l ed u r i n gc a s t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：l a d l e ；a r g o nb l o w i n g ；c a s t i n g ；i n c l u s i o n ；u n s t e a d ys t a t e ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n i i i ， l，i i h ， 疗阿k 东北大学工学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 文献综述1 1 3 本课题的研究背景11 1 4 本课题的主要研究内容1 l 第2 章研究方法1 3 2 1 物理模型的建立1 3 2 2 模拟央杂物的选取15 2 3 实验装置2 2 2 4 实验方法2 3 2 5 实验方案一2 5 第3 章结果分析与讨论2 8 3 1 连铸过程中钢包底吹氩新工艺的物理模拟2 8 3 2 钢包底吹氩新工艺与传统工艺的比较3 6 第4 章结论4 0 参考文献4 l 致谢4 3 i v j ， j l ， 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着科学技术的飞速发展，各行业对钢材质量和使用性能也提出了更高的要求。钢 的成分控制范围越来越窄，洁净度要求亦越来越高，即尽可能降低钢中氢、氮、硫、磷、 非金属央杂物的含量等。这便使得炼钢领域在工艺、装备、技术、流程结构等方面都要 不断地进步和完善。炉外精炼技术作为钢铁冶炼必不可少的环节之一，也得到了快速的 发展。相关功能的精炼方法层出不穷。去气、脱硫、脱磷、脱氧、微合金化、去除夹杂、 调整钢液温度，均可在精炼炉中完成，使得转炉一炉外精炼工艺冶炼高质量钢种成为可 能。 钢包底吹氩搅拌是一种简单而有效的炉外精炼措施，它克服了钢包顶吹氩技术操作 难度大，氩枪易偏斜，吹氩深度、压力难以控制，易卷渣，易引起钢水的二次氧化，氩 枪的耐火材料被侵蚀而污染钢液等缺点。钢包底吹氩气工艺强化熔池搅拌，加速钢液成 分和温度的均匀过程，提高化学反应速度，能够增大渣钢反应面积，造成钢渣乳化、颗 粒气泡上浮、碰撞、聚合等现象。 钢包底吹氩工艺设备简单、适用性强、可靠性高、操作简便灵活、成本低廉而广受 炼钢工作者的青睐。国内外许多研究工作人员围绕这一课题从事过或f 在进行相关研究 和学位论文工作。 1 2 文献综述 钢包作为炼钢工序和连铸工序之间的中间容器，是炼钢过程中不可缺少的工艺设 备。它不仅是运输和浇注钢液的容器，同时也是炉外精炼的设备。钢包底吹氩技术是一 种经济实用简单易行的精炼方法。钢包底吹氩的冶金功能概括起来有以下三点： 1 ) 均匀成分。钢液进入钢包以后，金属、炉渣、包衬、合金元素之间的化学反应 仍继续进行。这些反应使钢的不均性增大，通过吹氩搅拌，可使钢液成分趋向均匀。 2 ) 均匀温度。钢包内的钢液存在一定的温度梯度，温度梯度随停留时i 日j 的延长而 增大。钢包吹氩之后，由于氩气的搅拌作用，使温度梯度减小，温度趋于均匀，而吹氩 本身造成的温降则相对较小。 3 ) 去除央杂物和气体。气泡在上升过程中，可吸附携带夹杂物进入熔渣并且促使 - 1 - 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 央杂物聚合长大上浮排除。由于氩气泡的清洗作用，使钢液中的【n 】、 h 】含量降低，进 一步去除钢中的【o 】，提高脱氧剂和合金元素的收得率。 钢包吹氩精炼过程是现代过程冶金学中最受重视的研究课题之一。以其设备简单、 适用性强、可靠性高、操作简便灵活、成本低廉而广受炼钢工作者的青睐。 对于钢液中非金属夹杂物的模拟研究主要集中于夹杂物的碰撞、聚合、长大和上浮 去除。 颜慧成等【1 】在对江阴兴澄钢铁有限公司滨江厂短流程生产g c r l 5 钢钢包弱搅拌水模 拟实验研究中，采用二苯基乙二酮、环乙烷分别模拟钢液中央杂物和钢包顶渣。根据比 色法原理，采用分光光度计测定环乙烷中溶解的二苯基乙二酮浓度的变化，并以此代表 央杂物上浮吸收率。实验结果表明喷吹气体流量小适合弱搅拌去除央杂，总喷吹气体流 量相同时，双孔喷吹比单孔喷吹更能促使央杂物上浮。而双孔喷吹位置则对夹杂物上浮 无明显影响。喷吹气体流量对央杂物上浮效果影响显著，喷吹气体流量大时，央杂物上 浮速度明显加快，夹杂物上浮总量增多。双孔轮流喷吹在去除细小央杂物的同时，可以 节省喷吹气体。比较合理的喷嘴布置方式为：“主1 2 r “垂1 2 r ”。 郑淑国等【2 1 在钢包内喷嘴与透气砖吹氩去夹杂水模型研究中，选用邻苯二甲酸二丁 酯来模拟钢液中的央杂物，用食盐水模拟钢液。将一定量的乳状液均匀分散在钢包内， 吹气的同时从钢包底部缓缓注入与钢包内密度相同的食盐水，随着溢出的溶液，钢包上 浮至表面的乳状液也随之溢出，每隔一段时间收集溢出的乳状液和食盐水的混合物，通 过一定的方法得到乳状液，则某一时刻央杂物的去除率为， y 。 r 。= 上卜 ( 1 1 ) ， o 式中，叩k 为前k 次时间段内去除率之和，t 。为第i 个时间间隔，v o 为初始加入的乳状液的 体积，为第i 个时间间隔内去除的乳状液的体积。通过不同操作参数( 时间、吹气量) 对央杂物去除率的定量分析来研究其对吹氩钢包内夹杂物去除行为的影响，并对央杂物 的去除机理及去除过程的规律进行了研究。 c h ojs 等f 3 1 选用以聚乙烯( p e ) 、聚氯乙烯( p v c ) 以及丙烯氰丁二烯苯乙烯( a b s ) 的粉末颗粒来模拟央杂物，进行了用细小气泡去除钢中夹杂物的物理模拟实验。提出了 相对去除率 叩_ = ( 盟) 1 0 0 ( 1 2 ) w o 2 z - 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 其中，w 0 为无气体注入夹杂物收集量，w l 为有气体注入时夹杂物的收集量。在假设所 有气泡均到达液体表面，所有央杂到达表面停留不被气泡重复捕获的条件下，对实验结 果进行了讨论。火杂物去除率决定于央杂物颗粒与钢液的接触角，不同央杂与钢液有不 同的接触角，这个角度影响夹杂物颗粒的润湿性。所以影响去除率的决定因素是央杂物 颗粒的润湿性。接触角度大即润湿性差，夹杂物容易被气泡捕获去除，反之则容易与气 泡分离重新回到钢液中。 采用聚乙烯等固体颗粒来模拟钢液中的央杂物被很多研究工作者采纳。该类物质虽 然可以模拟央杂物上浮去除的这一现象，但是对于央杂物的碰撞、聚合这一物理现象是 无法描述的。邻苯二甲酸二丁酯虽然模拟央杂物碰撞聚合过程非常形象，但是它在水中 停留时间非常短不能够悬浮，需要配备与之密度相仿的食盐水来模拟钢液，当对食盐水 需要量很大时，实验室条件下很难满足。另外，该种酯挂壁现象非常严重，为实验的准 确性带来很大负面影响。 综上所述，在模拟央杂物的选取上，要注意所选物质是否与非会属央杂物在钢液中 的存在形式相符，是否可以模拟夹杂物碰撞、聚合这一物理现象。 对钢包底吹氩工艺去除钢液中夹杂物的研究，除了选取合适的模拟央杂物之外，还 要制定合理的供气制度( 包括底吹位置、底吹气量等) 。不同的供气制度将给钢包内钢 液带来不同的流场，央杂物的运动形态也各有不同，而这些因素都与央杂物的去除效果 密切相关。 有关供气制度优化的理论研究前人做了大量的实验。 幸伟等【4 】以1 3 0 t 钢包为模型，构建了几何相似比为l ：4 的物理模型，同时建立数学 模型，使用p h o e n i c s 软件进行流场计算。结果表明，底吹气体搅拌时，混匀时间会 随着气流量增大而缩短，但存在一个临界气流量，超过临界气流量液面剧烈翻滚，引起 卷渣。对比单喷嘴喷吹与双喷嘴喷吹模式，在相同的吹气量下，双喷嘴喷吹搅拌效果好， 混匀时问短。同时发现在一定范围内增大两喷嘴间距，有利于缩短混匀时间，减少漩涡 卷渣发生的机率。但喷嘴不宜太靠近包壁，避免发生剪切卷渣。通过实验分析，距中心 距离为o 6 r - 0 6 5 r 为最佳喷吹位置，实际生产中吹氩量不宜超过5 0 m 3 h 。 张鲁芳等【5 】借助物理模拟方法，研究了不同底吹位置、底吹气量、顶渣厚度和黏度 对钢液混匀时间的影响。结果表明，钢包的单点偏心喷吹位置距钢包底约1 3 r 半径处为 宜；随着底吹气量的增大，均混时间明显缩短；渣层越厚，均混时间越长，渣层粘度对 均混时间的影响不是很明显，但总的来说，渣层粘度越大，均混时间越长。 - 3 - 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 朱苗勇等【6 】通过对多孔喷吹钢包内流动和混合过程的数学模拟和物理模拟，考察了 六种不同喷吹方式下钢包内的流动及混合特征，提出了能获得以软吹为目的的喷嘴布置 及喷嘴个数对混合时间影响的关系式。实验结果表明，喷嘴布置方式对钢包内的流动和 混合影响很大，不对称的喷吹布置有助于增加角向动量，严格的对称布置在包内几乎无 角向运动。单孔偏心底吹布置，包内均混时间最短。示踪剂加入位置，尤其是在喷嘴严 格对称布置条件下对包内混合影响较大。采用多孔喷吹完全有可能达到软吹且快速混合 的效果，喷嘴相对布置在离中心1 2 r 处较为合理。 李碧霞等【7 】采用物理模型研究了不同示踪剂加入位置、不同透气砖布置方式以及不 同吹气量对钢液混匀时间的影响。结果表明，示踪剂偏向中心位置加入时，混匀时问较 短；对于同样的底部送气量，双喷嘴吹气混匀时间短，搅拌效果较好。两喷嘴垂直分布 时，送入气体搅拌效果不如两喷嘴对称分布在同一直径上的好，混匀时间随气流量增大 而减少；两喷嘴对称分布时气体流量与均混时间呈幂函数关系，得到的经验关系式如下： t - - - 4 2 8 7 7 q - o 2 4 3 s 。 陈义胜等【8 】建立了底吹氩搅拌下l f 钢包精炼过程中的钢液混匀时间模型，应用该 模型研究了不同加料位置对合金混匀速度的影响。实验结果表明，宝钢3 0 0 tl f 钢包精 炼炉的理论优化加料位置在位于2 个气孔中心线上的另一侧1 2 r 处，在此处加料可以 把混匀时间缩短到3 0 0 s 以下。 朱立光等 9 1 应用p h o e n i c s 针对我国普遍使用的4 0 tl f 炉以相似原理为依据进行 物理模拟，研究其内部钢液的流动情况。实验中用塑料粒子来模拟央杂物。实验结果表 明，距底部中心2 6 0 m m 底吹优于1 7 7 m m 处底吹。混匀时间随气体流量增大而减小，但 存在临界值。在气体流量大于临界值时，混匀时间减小不明显甚至有增大趋势。 钟晓丹等【l o l 在对l f 双孔底吹优化布置的水模型研究当中，以国内某钢厂1 5 0 tl f 为原型，分别考虑三个径向( i 2 r 、2 3 r 、3 4 r ) 及七个不同央角( 1 5 0 、3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 、 9 0 0 、1 2 0 0 、1 3 5 0 ) 的喷嘴组合进行了优化实验。结果表明，两个喷嘴位于i 2 r 处混匀 效果好，两个喷嘴夹角较小时( 1 5 0 、3 0 0 、4 5 0 ) 比夹角较大时( 9 0 0 、1 2 0 0 、1 3 5 0 ) 均 混效果好。最佳位置为双孔对称布置在1 2 r 处，夹角4 5 0 。另外，混匀时间与搅拌能密 度大小有关，关系式可表示为：t = 5 6 5 + 4 1 2 e x p ( 0 2 5 e ) 。 孟召来等【川在双透气砖钢包吹氩技术的应用中，在保留原有的出水口和透气砖位置 的同时，在底部半径i 2 r 处新增添了一个透气砖。对比了双喷于原始单喷的情况得出， 双喷效果优于单喷，双喷加快了钢液混匀速度，缩短了吹氩时间，提高了精炼成分微调 4 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 的命中率；同时，去除央杂物的效果更好，钢包底吹率也得到了很大的提高。 任三兵等【1 2 】针对3 0 0 tl f 炉建立数学模型来研究中心喷吹和偏心喷吹对钢液循环流 的影响。结论得出：偏心喷吹有利于钢液混匀，促进渣金反应，缩短混匀时间。喷嘴 位置在1 3 r 1 2 r 效果最理想。并且，对于3 0 0 tl f 炉，吹氩制度选在2 5 0 l m i n 最合适。 张鸿金等【b l 总结前人的经验，针对钢包底吹氩搅拌对钢液的影响进行了理论性的概 括。钢包底吹氩对钢液进行搅拌产生“气泡泵效应”，并能清洗钢液溶解的其它气体。偏 心底吹优于中心底吹，氩气底吹量的增大，搅拌功率增大，钢液混匀时i 日j 缩短。吹氩搅 拌过程加速了央杂物颗粒的长大和析出，随着搅拌功率的增大，央杂物的析出速度加快。 黄宗泽等【1 4 】根据相似原理针对宝钢3 0 0 tl f 设备进行了物理模拟实验。在熔池表面 加入一定量的酸性或者碱性的示踪剂，然后在弱流区测定p h 值变化。实验研究了底吹 位置、数目、吹氩流量等对l f 精炼炉内混匀时间的影响。l f 的混匀时问与吹气量的变 化呈非线性变化。单孔吹气与双孔吹气具有类似规律性。随吹气量增加到一定值之后， 混匀时间的变化率改变很小。这表明增加吹气量来无限度地提高混匀速度是不可能的。 在2 0 0 n l m i n 4 0 0 n l m i n 的实际吹气量下，双喷优于单喷。 周俐等【i5 j 以7 0 t 钢包为原型，通过物理模型实验，以电导率法探讨合适的吹氩位置。 实验结果表明，采用双透气砖时，两个气柱相邻流股运动受到干扰相互抵消，使能量损 失，混匀效果不一定比单透气砖好，特别是对中小型钢包。同时，对比有无顶渣时的混 匀时问，发现有顶渣时的混匀时间比无项渣时延长了2 0 左右。 孟令坤等【1 6 】针对包钢的钢包底吹情况进行物理模型实验研究。实验从混匀时间的测 定、裸露液面直径的测量以及流场情况等三方面入手。实验研究表明，在包钢l f 炉现 有位置条件下，双喷不如单喷效果好。单喷较合理的位置应该在o 5 r 0 6 r ( 与短轴夹 角小的位置) 之间。吹气量在不吹开渣面情况下越大越好，促进渣一会反应时吹气量应 该达到2 0 0 n l m i n 。 巨建涛等对酒钢6 0 tl f 钢包底吹位置进行探讨。根据相似原理，用水模拟钢液， 柴油模拟渣液，压缩空气模拟氩气。实验研究表明，酒钢6 0 tl f 钢包采用恒压变流量的 吹氩制度较为合适。即加精炼渣料时吹氩量为2 0 m 3 h ；加热升温时吹氩量增加到 2 5 3 0 m 3 h ：促进钢渣反应时吹氩量为3 0 m 3 h 以上：进行合会微调时吹氩量降为 1 8 - 2 0 m 3 h ；精炼近结束时进行弱吹搅拌，吹氩量降至5 - 8 m 3 h 。 钢包底吹氩实际操作中如偏心底吹具有三维特征。朱苗勇等【1 8 】利用丌发的三维适体 数值计算软件对吹氩钢包内流动和混合进行了定性、定量描述，实验结果表明，模型的 - 5 - 东北大学工学硕士学位论文第l 章绪论 计算结果与实测结果相吻合：喷嘴位置对钢包内的流动和混合影响较大。当喷嘴布置在 偏心位置时角向速度增加，这将有助于钢包内的混合；包中的混匀时间随吹气量的增加 呈指数降低。在正常操作条件下，喷嘴布置在离中心r 3 位置时，包中的混匀效果最好。 何平等【1 9 】通过物理模拟方法，对弥散型、直通多微孔型和狭缝型3 种类型的透气砖 底吹时熔池中所产生的气液两相流结构进行了研究。结果表明，弥散型与直通多微孔型 透气砖底吹所产生的气泡行为很接近，而与狭缝型透气砖却有所不同。弥散型和直通多 微孔型透气砖底吹时，在熔池中开始产生大气泡，并使流股偏离底吹位置而摆动时的临 界流量值高于狭缝型透气砖；弥散型和直通多微孔型透气砖底吹产生的气液两相流扩张 角基本一致，而在一定的气体流量下，其扩张角明显大于狭缝型透气砖。 综上，供气位置及底吹气量要合理，既要保证对钢包内钢液输入足够的搅拌能，同 时也要注意避免对钢包内壁冲刷过大或者造成卷渣。当供气制度确定后，钢包内的流场 情况可以分析得到。 吹氩钢包内的钢液流动规律，对钢包内的冶金效果有着决定性的影响。图1 1 示意 了钢包底吹氩工艺条件下钢液的流动情况。具有一定压力的氩气通过透气原件输送到钢 液中，气泡上浮过程受到浮力作用抽引钢液由下向上运动，当气泡到达顶部时沿水平方 向流向包壁，然后沿包壁向底部流动，在钢包中部或者下部在气泡抽引作用下再次向上 流动，钢液在气液两相区与钢包内壁之间作环流运动。 图1 1钢包底吹氧1 ：艺条件下钢液的流动情况示意图 f g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l o w i n gs t a t eo fm o l t e ns t e e lw i t hb o t t o mb l o w i n ga r g o n i nal a d l e s z e k e l y 采用数学模拟方法研究了氩气喷吹钢包内钢液的流动行为，使用时均n - s 方程和k - e 双方程湍流模型计算流场。s z e k e l y 2 0 】提出气体与钢液之间存在一种粘性力， 6 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 是气一液问的摩擦作用促使钢液向上运动而引起循环流动，并假定气泡是包含在给定直 径的柱形筒内，两相中气泡为球形，气泡从底部喷嘴不断向上运动，其左右相当于一个 连续向上的圆棒拖动熔池流动进入循环。 j o h a n s e n l 2 i 】利用数学模拟的方法，将钢包简化为圆筒型，利用p h o e n i c s 软件计算 二维条件下钢包中心喷吹时的流场。同时用物理模型进行验证，对比轴向不同位置的绝 对速度沿径向的变化。计算值和实测值基本吻合，该模型计算结果接近实际情况。 任三兵等【2 2 j 以3 0 0 t 双孔喷吹钢包为原型建立数学模型，模拟了同一吹气量条件下， 钢包双孔不同位置布置时的流场流动情况。对比说明了双孔不同位置布置时对流场的影 响和对钢包底部流动情况的改善；统计了6 种双孔布置方式下钢包中钢液的死区比率； 提出在钢包设计和实际生产中，采用双孔4 5 0 、距中心1 2 r 处布置为宜。 潘贻芳等【2 3 j 以天津钢铁有限公司1 0 0 t 偏心底吹氩钢包为原型，通过建立数学模型， 研究了偏心底吹氩钢包内的钢液流场，并分析了该流场的主要特点。结果表明，在偏心 戮 - 褂” ，“， n 埘t 扣 - 廿- l ， ，。、， 扣： 尉 i ； 一t s 支之 孓： 乏 jj 、 之： 、， 、1 、 一、 i：生 ；二三!二广户 - _-j 一22 ，二_ - 三主j | f 一 一= ， i - 一_ ，r 幽1 2 底吹钢包内流场不恿| ! 甘 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l o wf i e l dw i t hb o t t o mb l o w i n gi nal a d l e 底吹氩钢包中，钢液形成一个三维流动体系，纵向以沿气液相区钢液表面包壁包底为轨 迹的大循环流场，横向形成了以喷嘴所在直径为轴的一个对称循环流场。在吹气量一定 的情况下，底吹喷嘴位置对流场有较大影响。喷嘴位置越远离中心，越有利于央杂物的 去除，钢液混合均匀，但是容易缩短钢包使用寿命。 郭长庆等【2 4 1 分别利用物理和数学模型来研究带有顶渣l f 钢包内的流场，其中物理 模拟部分建造几何相似比为l ：5 的有机玻璃模型。有顶渣溶池流场与无顶渣熔池流场一 样具有循环流动的特点，流场的分布方式与无渣流场也基本相同。增加吹气流量，降低 熔池深度，减小渣层厚度等增加循环流量的因素会使流场的稳定性增加，“死区”减小。 7 ，o ，- 二二一，、i l ，、二=i、il=，、t| = l l j之，i一 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 建立的数学模型计算结果与物理模型实验结果吻合，可以用来预测在不同工艺条件下有 顶渣熔池的流场。 赵跃萍等1 2 5 j 应用相似理论，模拟研究了出钢速度、铁合金密度和加入方式以及底吹 气体等因素对钢包内流体循环流动和固相颗粒运动的影响。实验结果表明，流体注入初 期，注入流体为钢包内循环流动的主要驱动力。流体在包内的装满高度约2 5 时，注入 流体在包内形成的循环流程有利于将密度小于流体的固相颗粒带入循环流程并参与循 环。流体在钢包内的装满高度约5 0 时，底吹气体与注入流体共同作用所形成的循环流 场趋于稳定，有利于将密度小于流体的固相颗粒带入循环流程并参与循环。 张利君等【2 6 1 通过建立三维模型来研究钢液温度的分层现象。模拟结果表明，浇注过 程中，钢液在重力作用下产生自然对流运动，在钢包壁面形成环流，这个坏流对钢包壁 吸收粒度小的夹杂起到一定作用。但是随着时间增加，环流区域变小，温度分层现象加 剧，因此钢包镇静时间不宜太长，一般为5 1 0 m i n 。 张胤等【2 7 l 应用已丌发的二维柱坐标系流体流动计算模拟软件，研究了首都钢铁公司 钢包吹氩过程中钢液的循环流动过程。结果表明，在中心吹氩的条件下，钢液的循环流 动呈现二维流动的特征，回流中心大致位于距底部4 5 h ，距中心2 3 r 处。 卢翔宇等【2 8 】通过建立数学模型，对钢包吹氩行为进行研究。吹氩钢包内能够形成很 好的循环流动，几乎没有流速为零的地方。采用中心底吹氩的钢包，环流中心大约在 ( 2 3 r ，4 5 h ) 处。吹氩能均匀钢液成分、温度、加速夹杂物上浮，这为钢包冶金提供了 非常有利的条件。在气液两相区，轴向速度沿径向呈高斯分布，在中心轴线处，径向速 度几乎为零。随吹氩量增加，钢液温降加速，吹氩量应根据实际情况进行测定，一般应 以吹丌顶层没有强烈的飞溅为宜。 宿立伟等【冽采用欧拉多项流模式和h 湍流模型，对l f 钢包底吹氩工艺进行数学 模拟研究。先后考察了4 个吹氩量、单喷及双喷对于底吹氩效果的影响。实验结果表明， 吹氩量较小时，增加吹氩量可以改变钢包内流场。当吹氩量较大时，增加吹氩量对钢包 内流场影响不是很大。单喷位置在距底面圆心o 5 r 和o 7 r 流场死区很小，比较理想。 双喷时，两个喷嘴位置夹角1 8 0 0 分布，流体动量相互抵消，死区比较大：夹角为9 0 0 分 布时，流场比较理想。 央杂物在吹气搅拌的钢包内随钢液作环流运动。吹氩搅拌改善了钢包内钢液的动力 学条件，同时也加速了央杂物之间碰撞、聚合长大这一物理现象。在环流过程中，大颗 粒夹杂、脱氧产物在流经顶渣下部近表面层区域时传递进入顶渣，加速了渣金界面的 8 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 物质传递，而未被去除的央杂物继续随钢液作环流运动。 早在1 9 6 8 年，l i n d b o r g 等【3 0 1 提出了一个通用模型，用以描述钢液中脱氧产物的长 大和分离。其研究表明，碰撞是央杂物增长的重要途径。 l y e n g a r 等【引i 假定表面张力在夹杂物凝聚和吸收过程中具有重要的作用，并据此丌 发出一个包含了速度梯度碰撞增长机理的模型，用于预测央杂物的去除速率和央杂物分 御的变化。模型计算中，央杂物尺寸的初始分布是由实验测量决定的。 l i n d e r 等【3 2 j 曾经以流体动力学为基础，对湍流中细小球形颗粒的行为进行了理论分 析。系统研究了夹杂物颗粒在流体中的运动行为、颗粒间的斯托克斯碰撞和湍流碰撞行 为以及由于斯托克斯上浮和容器壁黏附而去除的行为。研究指出，钢液的脱氧速率受到 湍流能量耗散、初始央杂物尺寸、钢液的初始氧含量和流体平均速度等因素的影响。 s e o n 等【3 3 】采用一种传输的百旱酚，采用油和水分别模拟熔渣和钢液，研究了两种 不互溶的液体之间的传质过程。百罩酚在油和水之间有一个平衡百分比，与硫在渣和金 属之问传输相类似。把测定的传质速度作为用于钢包冶金通常遇到的系统参数。传质与 气体流量的关系表现出有三个性质不同的气体流量范围，他们各自表现出有不同的函数 关系。 图1 3 夹杂物颗粒与气泡碰撞井粘附丁- 气泡的示意幽 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o l l i s i o no fp a r t i c l ew i t hb u b b l e 王立涛等3 4 1 研究发现，底吹氩去除钢中央杂物的效率主要取决于氩气泡和央杂物的 尺寸以及吹入钢液的气体量如图1 3 所示。夹杂物被气泡捕获分为央杂物与气泡靠近并 - 9 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 发生碰撞、夹杂物与气泡间形成钢液膜、夹杂物在气泡表面产生滑移、形成动态三相接 触使液膜排除和破裂、夹杂物与气泡团的稳定化和上浮几个过程。大颗粒央杂物l v , d , 颗 粒央杂物更容易被气泡捕获而去除。小直径的气泡捕获夹杂物颗粒的概率比大直径气泡 高。增加底吹透气砖的面积和透气砖数量，可以降低透气砖出口处的氩气表观流速，从 而减小透气砖出口处氩气泡的脱离尺寸。唐海燕等【3 5 】在钢包精炼不同吹氩工艺对央杂物 去除效果的研究中也得出此结论。 薛正良等【3 6 j 从氩气泡去除央杂物的速率过程入手，分析了向钢液中吹氩时影响央杂 物颗粒从钢液中去除的主要因素和提高钢液中央杂物颗粒去除效率的手段。并将这一技 术应用到7 0 t 钢包炉精炼弹簧钢的夹杂物去除中，有效地降低了钢中氧化物央杂的数量 和4 0 “m 以上夹杂物颗粒的比例。通过理论计算得到影响夹杂物去除的各种因素及参数， 并得出用气泡去除钢中固相夹杂物的效率决定于气泡尺寸、夹杂物尺寸和吹入钢液的气 体数量。大颗粒央杂物比小颗粒央杂物更容易被气泡俘获而去除。直径小的气泡比直径 大的气泡俘获火杂物颗粒的概率高。增加底吹透气砖的面积或增加透气砖个数可以降低 透气砖出口氩气表观流速，从而减小透气砖出口氩气泡的脱离尺寸，或在有限的吹氩时 间内成倍地增加吹入钢液的气泡量。另外，为了去除钢中4 0 5 0 9 m 以下的夹杂物颗粒， 应设法在钢液中制造直径更细小的气泡，以便提高气泡对央杂物颗粒的俘获概率。将氩 气引入作湍流流动的钢液中，依靠湍流波动速度梯度产生的剪切力将气泡击碎，可获得 直径小于l m m 的细小气泡，也可以通过钢液中过饱和气体在真空状态下析出形成的微 小气泡使央杂物颗粒上浮。 赵连刚等【3 7 】对吹气搅拌钢液中脱氧夹杂物行为通过数学模型进行了仿真。经6 0 s 吹 气搅拌，夹杂物去除了大约5 0 ，颗粒平均直径达2 5 1 a m 已比较容易依靠自然上浮而排 除：多于6 0 0 s 吹气搅拌并不能有效促进央杂物发育长大，而排除占主导地位的上浮也 不十分依赖于吹气搅拌带来的湍流流动。实际生产常采用5 1 0 m i n 的吹气搅拌作为精炼 手段，正好与计算得到的6 0 0 s 基本吻合。 尹弘斌等【3 8 1 研究了c a s 工艺条件下钢包内夹杂物上浮规律。由于c a s 法钢包内的 流场具有极为特殊的流型，而且随操作条件的变化出现非常显著的改变。不能忽视包内 流场改变所引起的央杂物上浮规律的变化，因为这直接关系到脱氧产物上浮去除的效 果。紊流强度越大，粒子的碰撞频数也就越高。粒子碰撞后发生聚合，必须首先破坏各 自的液膜才能实现。液膜破裂的时间也与粒径和紊流强度有关，粒径越小破裂耗时越短； 紊流强度高，液膜破裂也越快。但是，考察粒子的碰撞还必须考虑流体运动的速度梯度。 “) 东北大学工学硕士学位论文第1 章绪论 综上所述，目f j 国内外研究工作者对于钢包精炼工艺作了大量的研究工作。对于钢 包内流体的流动状况以及均混效果方面的研究比较成熟。然而对于钢包内央杂物的运动 行为及去除规律的研究尚不够充分，相关的实验室研究工作还存在不同的问题。另外， 大部分研究工作都是围绕着稳态吹氩来进行的，对于非稳态吹氩的研究工作，尚未见报 道。 1 3 本课题的研究背景 目前，各大中型钢铁生产企业为了适应市场对钢材数量和品质的需求，不断改善现 有的生产工艺，压缩冶金工艺流程，以此来增强企业的竞争力。 为丌发优质钢种，钢铁企业在转炉炼钢之后都要采用不同的炉外精炼工艺对钢液做 进一步处理。冶炼钢种不同，炉外精炼的时间也存在差异，一般高品质钢的处理时间都 在4 0 m i n 以上。钢包精炼后期一般都伴随“软吹 操作，即以一定的小气量对熔池进行 弱搅拌，该处理时问一般为4 - - 一8 m i n 。“软吹 之后，钢液还需要经过5 l o m i n 的“静 置”时i 日j 方可吊装上回转台。随着转炉炼钢和连铸技术的不断进步，过长的炉外精炼时 问已经成为高品质钢生产效率进一步提高的限制性环节。调研发现，国内许多大型钢铁 公司由于生产节奏的要求，无法保证足够的“软吹”和“静置 时问，从而导致钢液中 的央杂物无法得到有效去除。 在此背景下，本文提出将精炼后期的“软吹”操作移置到钢包浇注过程中进行，即炉 外精炼的主要功能实现之后，立即将钢包吊装到浇注工位，在钢包浇注的同时利用布置 于钢包底部的供气元件进行“软吹 氩气。该新工艺如果能够有效去除钢中的央杂物， 则可以大大节省炉外精炼的处理时间，提高炼钢工艺的生产效率，具有显著的经济效益。 本文通过物理模拟，系统研究了连铸过程中的钢包底吹氩新工艺，主要考察了底吹 位置、底吹气量和底吹时间等因素对于夹杂物去除效果的影响，为连铸过程中钢包底吹 氩新工艺的设计丌发和生产应用提供理论参考依据。 1 4 本课题的主要研究内容 本文以某企业1 5 0 t 钢包为研究对象，建立连铸过程中钢包底吹氩新工艺的物理模 型，全面研究了底吹位置、底吹气量和底吹时间等因素对央杂物去除效果的影响作用规 律，为连铸过程中钢包底吹氩新工艺的设计开发和生产应用提供理论参考依据。本课题 的主要研究内容包括： ( 1 ) 系统研究连铸过程中，底吹位置、底吹气量和底吹时间等对钢液中非命属央 1 1 东北大学工学硕士学位论文第l 章绪论 杂物去除效果的影响作用规律，确定具有良好夹杂物去除效果的钢包底吹氩新工艺的参 数。 ( 2 ) 将连铸过程中的钢包底吹氩新工艺和钢包底吹氩传统工艺的非金属夹杂物去 除效果进行分析比较，探讨该新工艺的可行性。 1 2 ： 东北大学工学硕士学位论文第2 章研究方法 2 章研究方法一 如的所述，研究者对吹氩钢包内的搅拌混合行为以及底部供气方式优化研究较多， 但对钢包内的央杂物的模拟及央杂物运动行为的相关研究尚不充分。有关吹氩钢包内央 杂物行为的物理模拟，目前所进行的工作均没有一个明确的夹杂物模拟准则，因此钢液 中非金属央杂物的物理模拟准确性不高，吹氩钢包内夹杂物去除过程的规律研究也很少 见报道。 本文在借鉴前人的研究成果同时，进行了新的体验和尝试，采用新的央杂物模拟方 法，模拟夹杂物不仅可以较好地悬浮于水中，而且可以模拟夹杂物的碰撞聚合与长大行 为，模拟央杂物与实际钢液中的夹杂物运动行为更为接近。下面介绍本物理模拟实验的 理论基础与研究方法。 2 1 物理模型的建立 根据相似理论，儿同一种类的现象，若单值性条件相似，而且由单值性条件的物理 量所组成的相似准数在数值上相等，则这些现象必定相似。由模型得到的规律可以推广 到原型中去。在实际生产过程中，由于受到众多因素的制约，不可能做到完全满足相似 第二定理，一般考虑物理现象的主要方面相似，本物理实验考虑的相似准则主要包括几 何相似和动力相似。 2 1 1 几何相似 几何相似考虑的是钢包模型与原型主要几何尺寸的相似，即d h ( 钢包内径熔池