（热能工程专业论文）包钢150吨lf炉最佳吹气位置及温度分布优化模拟研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 钢包精炼炉是一种二次精炼设备，具有优异的综合性能，在炼钢生产中得到了广 泛应用，l f 冶金模型的应用，有助于其降低电耗、电极消耗、氩气消耗以及合金消耗， 并提高产品的质量和稳定性。 本文通过对包钢1 5 0 吨l f 钢包炉的实验研究以及对钢包炉的主要冶金过程进行 了数值模拟，并进行了有针对性的讨论，以期对设备的顺行及潜力提供理论指导。 课题以冶金过程理论为基础，应用稳态过程连续性方程、动量输运n a v i e r s t o k e s 方程及湍流双方程模型，对包钢1 5 0 吨l f 钢包炉流场、温度场及混匀时间进行了数 值模拟计算，开发出能够较真实计算出具有复杂形状l f 炉过程计算程序。计算工具 采用f o r t r a n 语言，采用t e c p l o t 软件为图形处理工具。 通过对实验结果和数值模拟结果的比较分析，对于具有复杂结构的l f 炉的流场、 温度场具有了进一步的认识，比较不同位置、不同吹气量下流场形态、湍动能和弱流 区，确定了最佳吹气位置、最佳吹气量；通过对钢液温度场的模拟研究，分析了引起 温降的原因，给出了钢液内部合理的温度分布；结合水模和数值模拟，给出了最佳混 匀时间。 本文的研究可以对具有复杂结构的钢包精炼炉的研究具有一定的理论和参考依 据。 关键词：流场，温度场，优化，数值模拟，混匀时间 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a d e lf u r n a c ei sr e f i n i n ge q u i p m e n t ，a n di th a st h eo u t s t a n d i n go v e r a l lf u n c t i o n , o b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h es t e e l m a k i n gp r o d u c t i o n ，t h el fm e t a l l u r g y m o d e la p p l i c a t i o ni sh e l p f u lt or e d u c e st h ee l e c t r i c i t yt oc o n s u m e ，t h ee l e c t r o d ew a s t e ，t h e a r g o nc o n s u m p t i o na sw e l la st h ea l l o yc o n s u m p t i o n ，a n de n h a n c e st h eq u a l i t ya n dt h e s t a b i l i t yo fp r o d u c t i o n t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h eb a o t o us t e e lf a c t o r y15 0t o n l fl a d l ef u r n a c ee x p e r i m e n t a ls t u d ya sw e l la st ot h el a d l ef u r n a c em a i nm e t a l l u r g yp r o c e s s ， a n dc a r r i e do nh a dt h ep o i n t e dd i s c u s s i o n ，p r o v i d e dt h et h e o r yi n s t r u c t i o nb yt h et i m et ot h e e q u i p m e n ta l o n gt h el i n ea n dt h ep o t e n t i a l t h et o p i ct a k et h em e t a l l u r g yp r o c e s st h e o r ya st h ef o u n d a t i o n ，a p p l ys t a b l es t a t e p r o c e s se q u a t i o no fc o n t i n u i t y , t h em o m e n t u mt r a n s p o r tn a v i e r - s t o k e se q u a t i o na n dt h e r a p i d sd o u b l ee q u a t i o nm o d e lt ot h ef l o wf i e l d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h em i x e dt h e u n i f o r mt i m et oc a r r yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l o gc o m p u t a t i o nf o rb a o t o us t e e lf a c t o r y 15 0t o nl fl a d l ef u r n a c e d e v e l o p e dc a nr e a l l yc a l c u l a t eh a st h ec o m p l e xs h a p el fs t o v e p r o c e s sc o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r e c a l c u l a t e st h et o o lt ou s et h ef o r t r a nl a n g u a g e ，u s e s t h et e c p l o ts o f t w a r ef o rt h eg r a p hp r o c e s s i n gt 0 0 1 c o m p a r a t i v ea n a l y s i st ot h er e s u l to ft e s t sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ，f u r t h e r r e g a r d i n gh a dt h ec o m p l e xs t r u c t u r el fs t o v ef l o wf i e l d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l dh a dt h e f u r t h e ru n d e r s t a n d i n g c o m p a r e d 谢t 1 1t h ef l o wf i e l ds h a p e ，t h er a p i d sk i n e t i ce n e r g ya n dt h e l o wf l u xa r e a , u n d e rt h ed i f f e r e n tp o s i t i o n ，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 ，h a d d e t e r m i n e db l e wt h ep o s i t i o n ，t h eb e s ta r g o nb l o w i n gq u a n t i t yb e s t ；a p p l yt ot h em o l t e ns t e e l t e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t o rs t u d y ，a n a l y z e dh a sc a u s e dt h et e m p e r a t u r ed r o pr e a s o n ，h a s g i v e nt h em o l t e ns t e e li n t e r i o rr e a s o n a b l et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；t h eb o u n dt h er e s u l to f w a t e rt e s t sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，g a v et h eb e s tt r a c e rm a t e r i a lt oe n t e rt h ep o s i t i o n a n dc o m m i xt i m e t h i sa r t i c l eh a v ec e r t a i nt h e o r ya n dt h er e f e r e n c e t or e s e a r c ht h ec o m p l e xs t r u c t u r eh o t m e t a ll a d l er e f i n i n gf u r n a c e k e yw o r d s ：f l u i df i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，o p t i m i z e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m m i x t i m e 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 张鲤嗍专业 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：垃导师签名弋斟期：半 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 随着现代技术的发展，对钢的质量和使用性能的要求越来越高，这主要包括钢材 纯净度、均匀性能和高精度等，解决上述问题是提高钢质量的重要因素，而各种炉外 精炼搅拌方式的采用则是获得高纯度、高均匀性和高精度钢材的重要措施。l f 炉精 炼工艺可提高钢的质量、扩大品种及调节转炉与连铸的生产节奏实现多炉连浇。因此 l f 炉精炼效果对于钢的质量和连铸操作的顺行十分重要。 我国钢铁工业在品种、质量、消耗、成本及劳动生产率等方面与发达国家相比还 很落后，主要表现在钢的化学成分波动范围大，硫、磷等有害元素和气体、非金属夹 杂物含量相对较高，即钢的纯净度差，从而使钢材的性能不稳定。许多前辈们很早以 前开始用数学模型和物理实验方法对吹气钢包内的流动现象加以模拟，由于受当时的 条件及认识的角度影响，总是存在这样那样的问题，直到1 9 8 0 年，萧泽强提出全浮 力模型后，对钢包内吹氩的流动现象研究才达到一个新的高度。进十年来，冶金工作 者对l f 炉许多方面( 如：气液两相区的处理、气泡模型、脱碳脱氢脱氮脱硫的模型、 以及钢包内流场、温度场和浓度场等) 通过各种方法( 如：理论分析、水模实验、现 场测定、数学模型等) 进行了研究，取得了大量研究成果。但是也存在一定问题，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；另 外，以往的计算模型使用起来有各自的局限性，需要开发出一种计算精确、使用范围 广泛的计算模型，以期充分发挥l f 炉的吹氩搅拌功能和温度调节的能力，满足质量 和降低各种能源消耗的要求。因此，精确控制l f 炉的数学模型对于包括国内的钢铁 企业是迫切需要开发的技术。 具体到包钢，为了满足重轨钢对化学成分、气体含量及温度分布的严格要求，并 且要求精炼装置能在转炉与连铸之间起到缓冲协调作用，按时向连铸机提供质量、温 度合格的钢水，达到稳定连铸生产和保证铸坯质量的目的。 基于以上原因，对包钢1 5 0 吨l f 钢包炉进行数值模拟研究，从而确定最佳的工艺 参数，保证l f 炉的顺利运行。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1l f 炉概述 1 1 1l f 炉精炼技术简介 钢水炉外精炼是当前国内外炼钢工业的前沿新技术，被誉为炼钢生产具有流程革命 的重大技术。炉外精炼技术的出现和发展是与氧气顶吹转炉技术和连铸技术一样在1 9 世 纪以来钢铁业的重要进展。 钢水的炉外精炼技术早在2 0 世纪3 0 4 0 年代就显示了其在提高钢材质量，扩大品种 方面的优势。1 9 3 3 年，法国佩兰( r p e r r i n ) 应用高碱度合成渣，对钢液进行“渣洗 脱硫 是现代炉外精炼的萌芽。德国伯施莫尔威林( b o c h u m e r v e r e i n ) 公司于1 9 5 4 年试验成功钢包真空脱气法，对大钢锭及合金钢锭去氢，消除了大锻件及合金钢轧制 坯的白点缺陷。1 9 5 6 - 1 9 5 9 年，德国又将提升真空脱气法( d h ) 和循环真空脱气法 ( i m ) 用于钢生产【l 】。1 9 6 1 年，瑞典a s e a s k f 公司开发了新的炉型，即将钢包倾 动排渣、钢液电弧加热、电磁搅拌以及补加合金、真空脱气等功能集于一体的 a s e a - s k f 精炼技术，该技术与相应发展的连续浇铸技术促使整个生产工艺的节奏 加快，生产效率和钢液纯净度得到了很大程度的提高 2 1 。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，它具有很强的渣精炼功能，渣精炼 可以实现扩散脱氧、脱硫以及吸附钢水中的夹杂物，由于底吹氩的搅拌作用及电弧加 热形成的局部高温，使l f 的渣金反应具有很好的动力学条件。此外，转炉出钢挡渣 技术和电弧炉偏心底出钢技术的广泛应用，使l f 精炼法省去了a s e a - s k f 法中的排 渣工位，形成了目前普遍选用的l f v 或l f v d 型的钢包精炼炉。 1 1 2 国内l f 炉精炼技术的应用 由于l f 具有多种优良的冶金功能和使用中的灵活性，以及它所能处理的钢种几 乎涉及从普通钢到特殊钢的所有钢种，因而在世界各国的钢铁企业中迅速得到广泛的 应用【3 l 。7 0 年代以来，我国为适应提高连铸比的要求，也开始应用l f ，r h 等精炼技 术。1 9 7 9 年我国开始设计第一台4 0 吨l f d 型钢包炉，随后各钢铁公司纷纷采用 该技术，但是大容量的钢包炉仍需从国外引进。1 9 9 6 年，上海浦钢公司投产了两台 两相双壁式l f v d 精炼炉，显示了我国已具备了制造大型钢包精炼炉的能力。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 3 国外l f 炉精炼技术的应用 国外开展钢水炉外精炼的时间较早，开发力度和投资强度远大子国内。以欧盟 1 5 国为例，从1 9 8 3 年开始发展，2 0 0 0 年l f 炉精炼钢水能力占转炉生产能力的3 8 ， r h 、v d 等真空处理钢水能力占转炉生产能力的8 5 。其发展特点是：精炼模式多 样，真空处理钢水量超过l f 炉；大力开展真空脱碳，真空脱除钢中气体；精炼体系 的智能自动控制，力求最低成本经济生产。例如，奥钢联的d o w a w e i z 钢铁厂拥有3 6 0 吨b o f ，配备了l f + r h 钢水精炼装置，生产世界闻名的1 2 0 米长钢轨，超低硫 石油管线，含碳0 8 拉拔到o 1 7 m m 钢丝。 日本大同特殊钢公司，于1 9 7 1 年开发并应用l f 炉，至1 9 9 7 年，日本国内设置 5 2 座l f 炉，几乎普及。l f 炉和r h 炉配合，组成复合精炼工艺，誉为二次炼钢技 术中划时代的精炼工艺。1 9 7 3 年精炼比为4 4 ，1 9 8 9 年精炼比为7 3 4 ，真空精炼 比达5 4 6 ，目前真空精炼比达8 0 - 9 0 。日本钢材能出口占领国际市场，钢水炉外 精炼起了重要的作用。最近日本住友和歌山钢厂建立面向2 1 世纪新型炼钢厂，实现 1 0 0 钢水真空精炼。俄罗斯库兹涅茨克钢铁公司是唯一生产淬火钢轨、车轮和轮箍 的工厂。铁路运输要求保证耐磨、可靠性和氢的极限含量控制在小于2 1 0 由、钢水 必须是洁净、非金属夹杂和气体极低。下塔吉尔有4 座1 6 0 t 转炉，年产钢3 5 0 万吨。 1 9 9 6 年建成第一套1 6 0 吨l f + r h 装置，1 9 9 7 年建成第二套1 6 0 吨l f + r h 装置。钢 水精炼后【o 】降到8 2 1 0 击，【h 】降到1 5 x1 0 击，i n 】降到2 6 1 0 而，达到了钢轨和轮 箍钢对钢水质量的要求。 美国是钢铁短流程占优势的国家( 电炉一连铸) ，电炉和转炉钢几乎各占产钢量的 一半。无论短流程( e a f c c ) 或长流程( b f b o f c c ) ，在炼钢和连铸之间均装 置钢水精炼设备。l f 钢的生产比例可达5 0 一6 0 ，钢中 s o 0 0 3 的超低硫钢生产 比例达2 0 3 0 ，生产成本低，生产效率高，估计2 1 世纪初，工业生产钢水的洁净 度可达到杂质总量小于0 0 0 5 。 1 1 4l f 炉精炼工艺流程 l f 炉精炼基本工艺流程如下： 转炉出钢l f 炉一座包工位一测温、吹氩、取样一加热工位一加热测温、取样、成 分微调一座包工位一连铸。 1 1 5l f 炉的精炼功能 l f 炉由钢桶、炉盖、电极和电极加热系统组成。通过安装在钢桶底部的透气砖 内蒙古科技大学硕士学位论文 表1 国内典型钢厂l f 相关参数和生产的钢种 t a b l e1s t e e lg r a d e st r e a t e da n dr e l a t i v ep a r a m e t e r so f l fa tt y p i c a ls t e e lw o r k si nc h i n a 吹入氩气对钢液进行搅拌以加速钢一渣之间的反应。炉盖的作用是封闭精炼室以保持 室内的还原气氛。在炉盖上装有电极加热系统，在钢桶底部装有滑动水口以进行浇注。 l f 炉有如下四个独特精炼功能1 4 j ： 炉内气氛 l f 炉本身一般不具备真空系统。在精炼时，即在不抽真空的大气压下进行精炼 时，靠钢桶上的水冷法兰盘、水冷炉盖与密封橡皮圈可以起到隔离空气的密封作用。 再加上还原性渣以及加热时石墨电极与渣中的f e o 、m n o 、c r 2 0 3 ，等氧化物作用生 成c o 气体，增强了炉气的还原性。除此之外，石墨电极能与桶中的氧气作用生成碳 氧化物，从而可使l f 炉内气氛中的氧含量减为0 5 。因此阻止了炉气中的氧向钢液 传递，保证了精炼时炉内的还原气氛。钢液在还原条件下精炼可以进一步的脱氧、脱 硫及去除非金属夹杂物，有利于钢质量的提高。 氩气搅拌 良好的氩气搅拌是l f 炉精炼的又一特点。氩气搅拌有利于钢一渣之间的化学反 应，它可以加速钢一渣之间的物质传递。有利于钢液的脱氧、脱硫反应的进行。吹氩 搅拌还可以去除非金属夹杂物，特别是对a 1 2 0 3 类型的夹杂物上浮去除更为有利。吹 氩处理1 5 分钟后，可使钢中大于2 1 岬的a 1 2 0 3 夹杂全部去除，残留钢中的只是小颗 粒的a 1 2 0 3 夹杂。 4 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，这对优质钢又是必不 可少的要求。此外吹氩搅拌可加速渣中氧化物还原，对回收铬、铝、钨等有价值的合 金元素有利。 埋弧加热 l f 精炼炉是采用三根石墨电极进行加热的。加热时电极插入渣层中采用埋弧加 热法，这种方法的辐射热小，对炉衬有保护作用，与此同时加热的热效率也比较高， 热利用率好。合金元素的回收率都较电炉单独冶炼有了较大程度的提高。石墨电极与 氧化物作用的另一结果是生成c o 气体，c o 的生成使l f 炉内气氛具有还原性，钢 液在还原性气氛下精炼，阻止了炉气中的氧向液态金属传递，这样钢水可进一步脱氧、 脱硫及去除非金属夹杂物，有利于提高钢水的内在质量。同时，埋弧加热能精确控制 钢水温度，一般偏差不超过5 。c ，因此能挽救相当一部分因温度偏低可能回炉的钢水， 在转炉与连铸之间起到缓冲器的作用。 ( 9 白渣精炼 l f 炉是利用白渣进行精炼的，它不同于主要靠真空脱气的其它精炼方法。白渣 在l f 炉内具有很强的还原性，这是l f 炉内良好的还原气氛和氩气搅拌互相作用的 结果。一般渣量为金属量的2 8 。白渣的精炼作用可以降低钢中氧、硫及夹杂物 含量。l f 炉冶炼时可以不用加脱氧剂，而是靠白渣对氧化物的吸附而达到脱氧的目 的。 以上介绍的是l f 炉四大精炼功能。它们是互相影响，互相依存与互相促进的。 l f 炉通过炉底吹氩、喂丝和电弧加热等手段，可以均匀钢水成分和温度，减少钢中 气体和夹杂，净化钢液。 1 2l f 炉的现状和发展方向 1 2 1 现状 随着现代技术的发展，对钢的质量和使用性能的要求越来越高，这主要包括钢材 纯净度、均匀性能和高精度等，解决上述问题是提高钢质量的重要因素，而各种炉外 精炼搅拌方式的采用则是获得高纯度、高均匀性和高精度钢材的重要措施。 我国钢铁工业在品种、质量、消耗、成本及劳动生产率等方面与发达国家相比还很 落后，主要表现在钢的化学成分波动范围大，硫、磷等有害元素和气体、非金属夹杂物 含量相对较高，即钢的纯净度差，从而使钢材的性能不稳定。进十年来，冶金工作者对 l f 许多方面( 如：气液两相区的处理、气泡模型、脱碳脱氢脱氮脱硫的模型、以及钢包 流场、温度场和浓度场等) 通过各种方法( 如：理论分析、水模实验、现场测定数学模 型等) 进行了研究，取得了大量研究成果。由于l f 具有多种优良的冶金功能和使用中的 内蒙古科技大学硕士学位论文 灵活性，以及它所能处理的钢种几乎涉及从普通钢到特殊钢的所有钢种，因而在世界各 国的钢铁企业中迅速得到广泛的应用。 1 2 2 发展方向 当前炉外精炼技术发展的趋势主要表现为： 1 ) 钢水百分之百地进行精炼处理，在实际生产中，炉外精炼设备百分之百地在线运 行。 2 ) 向组合化、多功能精炼站的方向发展。 1 3 数值模拟研究发展及研究方法 1 3 1 流场数学模型的发展 j s z e k e l y 等人最早在19 7 5 年开始用数学模型和物理实验方法对吹气钢包内的流 动现象加以模拟，他们使用时均n a v i e r s t o k e s 方程和k 一占双方程湍流模型计算流场， 并假定气泡是包含在给定直径的柱形筒内，边界条件是通过测定气液界面上的速度来 确定。尽管后来发现该模型存在很大的缺点，但毕竟是首次将数模计算方法引入到钢 的精炼过程研究中。 19 8 0 年，t c h s i a o ( 萧泽强) 等对实际钢包和水模型中的流体的流动速度和混合现 象进行了测定，进而提出了气泡浮力驱动理论和倒锥形气液两相区形状。d e b r o y 和 m a j u m d a r t 5 】及g r e v e t 6 1 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 t t l 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 l s j 贝, l j 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1 9 j 。此后，t u r k o g l u 和 f a r o u k 1 0 】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【1 1 1 ，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，尽管曲英等【1 2 1 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 内蒙古科技大学硕士学位论文 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【1 3 1 。 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 等1 1 4 j 在三维柱坐标中进行了各种偏心喷吹流场的计 算；李宝宽等 1 5 1 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 等【l6 j 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 2l f 炉温度场的研究与应用 l f 炼钢钢包炉已成为炼钢流程的重要设备。它除了具有加热功能，满足后续真 空处理和浇注要求外，还可以作为初炼炉与浇注设备问的缓冲，钢包内钢液温度控制 在l f 精炼过程中占有重要地位。钢包传热问题的研究是研究钢包热平衡，达到对钢 包炉生产过程中温度的控制及钢包运转过程、v d 过程中钢液温度预报的目的。吹氩 搅拌去气、去夹杂，加脱s 剂或石灰脱s ，喂铝线脱氧，加合金进行钢水成分微调， 加热升温是钢包炉生产的特点，这些操作都会对钢包炉的热平衡产生影响。 v p a s c h k i s 1 。7 】是最早从事钢包传热研究的学者。他假定钢包包壁和上表面的热流 是稳定的，钢包内钢液为均匀整体，规定出钢过程时间为零，钢液上表面渣层厚度为 零，根据热平衡原理采用电模拟方法进行热流分析，计算钢液温降。计算所用参数如 包衬的热物理特性，钢液和炉渣的液固特性等都为常数。这部分工作的开展，可以说 拉开了钢包传热的序幕，为后来研究钢包热状态奠定了基础。 h e n z e l 和k e v e r i a i l 【1 8 】对钢包热损失研究表明：出钢或钢包静置过程中，钢液温降 主要是由于包衬耐火材料的吸热。2 0 多年后，o m o t a i n 和m c l e a n 1 9 】在研究连铸过程 温度控制，计算损失于包底和包壁的热量时，假定耐火材料足够厚，且包衬的预热温 度均匀，忽略钢壳对包壁温度的影响，采用了上述两位研究者的方法。结果表明：浇 注过程中有5 5 - - 6 0 的热量损失于包壁，1 5 - - - 2 0 损失于包底，2 5 - 一3 0 损失于渣中。 s z e k e l y 与e v a n s 2 0 】合作，研究了钢液在钢包静置时的表面辐射，通过计算钢液裸露 面的热损失和钢液与包壁的热传导产生的热损失相当。t o m a z i n 2 l 】等在此研究的基础 上，加上了钢液面渣层的影响，假定渣辐射方向的温度均匀，包壁仅径向传热，包底 仅轴向传热，采用显式差分法计算。结果表明薄包壁温降大，钢包的使用次数及钢包 的循环周期是决定钢包热损失极为重要的因素。开发的数学模型可以用来计算钢包包 衬的蓄热，但不能确定搅拌及合金加入对钢液温度的影响。i r v i n g 等1 2 2 】考虑钢水加入 内蒙古科技大学硕士学位论文 后对耐火材料的瞬时效应及出钢钢流辐射为影响钢液温度的主要因素，用数值计算了 钢包内钢液平均温降随时间的变化。浇注时期的计算值比实际相差6 度。 p f e i f e r 、f e t t 2 3 z 4 j 和s c h a f e r 等为计算钢包钢液上表面的热损失，假定钢包内钢液 温度均匀，渣面及渣面以上内衬表面、锥型罩和包盖内表面为四个等温面，分析了钢 包带锥形罩和带钢包盖时的传热情况，建立了他们之间的自辐射和反射的关系式。采 用圆柱坐标，按非稳态导热方程计算包壁和锥形罩的传热，包盖的传热用一维非稳态 热传导方程计算，钢液经渣层的传热采用j s z e k e l y 的研究成果，用计算得出的热流 作为包壁、锥形罩和包盖的边界条件，对不同锥度的包罩和无包盖时钢液温度的损失 进行了计算。结果较为符合实际情况。 s r u t q u i s t 2 5 1 应用辐射温度计测量钢包内表面温度，确定钢包耐材热焓，以求得 钢包状况对钢液温度的影响。这一方法在对钢包传热计算时较为实用。 钢包材质也是决定钢液热损失的重要因素。h e r b e r t 等【2 6 j 研究表明：耐材密度越 大，包衬的蓄热量越大；热传导率越高，通过钢壳损失于大气的热量越多；低比热， 低密度，低热传导率，有助于减少钢液的热损失。低比热和低密度在减少热损失方面 与低热传导占有同等重要的地位。o m o t a n i 等通过比较9 0 t 钢包采用不同材质造成的 温度损失表明，在工况相同的情况下，高a l 砖材质钢包内的钢液温度比粘土质钢包 衬的温度多降2 5 度。我国李顶宜【27 j 根据国内现状，在对不同包衬结构热工特性计算 机仿真理论研究结果的基础上，结合现场试验，分析了钢包的散热及平均钢液温降， 给出了鞍钢三炼钢厂1 2 0 t 钢包衬的最优结构。由于钢包材质对钢液热损失及钢包寿 命有影响，所以冶金工作者在这方面作了大量研究。 m o h a n t y 和s a t a y a n y u t 弱j 开发了钢包预热模型，指出由于钢包包衬厚度及耐火材 料不同，钢包内各面的温度不同。 钢包加盖可减少钢液的热损失。在无盖时，钢液热损失大，它的值与时间和高径 比没有明显的关系，这是因为高度较小时热量直接散失于大气中，包壁几乎没有吸收 热量；而高度较大时，包壁吸收了部分热量，而不是全部损失于大气中。有盖时，钢 液热损失小，时间和高径比是决定钢水热损失的主要因素。高度小，从表面散出的热 量，用来加热包壁，使小面积的包壁温度迅速上升，达到回射的程度。高度大，表面 散出的热量多，加热包壁的面积大，耗散的热能多。 以上研究计算是基于已知钢包内表面的热流或传热系数，与其它控制方程联立求 解后，得出钢包包衬的温度分布，再经实际测量加以修正，按钢包对钢液温度影响规 律，求出钢液过程的温度变化1 2 圳。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 3 3 基础数学方法研究分类 钢包内流体流动的数学模拟从基础数学方法上来看有以下三种： ( 1 ) 准单相模型 准单相模型实质是将气柱区内气液两相区视为单一连续相。该连续相的密度取气液两 相区的加权平均值，如下式所示，且该连续相的流况由其连续方程和运动方程来描述。 p = 岛+ ( 1 一) n ( 式1 1 ) 式中，口。一两相区的气泡分率； 成气体的密度( k g m 3 ) ； p 综合密度( k g m 3 ) ； 届液相密度( k g m 3 ) 。 ( 2 ) 欧拉模型 欧拉模型又称两相流体模型。其处理方法是将气体和液体看成是微元体内共存的 两种连续流体，用描述方程分别描述气体和液体在欧拉参考系下的行为。 ( 3 ) 拉格朗日模型 拉格朗日模型是指对气泡运动的描述是在拉格朗日参考系下导出的，但液相运动 尚需用欧拉方法处理。拉格朗日方法是通过解时间全导数微分方程来跟踪气泡轨迹。 相对l a g r a n g i a n 两相模型和e u l e r 两相模型，准单相模型在计算复杂性方面要简单的 多，故而被许多研究者采用。本论文的数学模型以及所涉及的其它有关工作都以准单相 模型为基本方法。 1 3 4c f d 模拟技术在l f 炉中的应用 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 - j 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 3 0 1 ，f l u e n t 3 1 】【3 2 j 等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 综上所述，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 物理实验研究 利用常温水模型或低温金属液模型来研究吹气搅拌下液体中气液两相区的结构，并 在此基础上，建立数学模型对流场进行描述。主要应用的实验测试手段有常规或高速摄 影、示踪物显示、电导率探头、热线分速仪和激光测速仪等，主要应用的液体为水、水 银和其它低熔点金属。 1 4 1 气液两相区的研究 1 4 1 1 两相区形成的机理 在l f 精炼的过程中，由于吹氩而形成一个倒锥形的气液两相区，促使钢液循环流动， 如图1 1 ，七十年代，j s z e k e l y 等p 3 刘提出了气沟与钢液之间存在着一种粘性力，是摩擦 作用促使钢液向上运动而引起循环流动；肖泽强在1 9 8 0 年提出了浮力驱动观点，认为钢 液运动的力源是气泡浮力，吹氩钢包中存在一个气泡在其内随机分布的气液两相区，由 于这一区域内气泡驱动钢液向上流动而形成了全包范围内的循环流，所有精炼的效果、 循环参数变化均取决于气液两相区的气泡行为。此后的大部分研究者，都接受了气泡浮 力模型的观点。 n i 言o5 毫驴 o0c o o oo 、孑三 口n ， # c 并 毋 雹 昏 言 。了 一r爿一f i一- l o 图1 1 气液两相区示意图 f i g1 1t h es t r u c t u r eo f g a sp h a s ea n dl i q u i dp h a s e 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 1 2 两相区主要内容 1 ) 吹氩钢包内搅拌钢液引起循环流动的力源，主要是气泡上浮运动产生的浮力，其他力 的作用不大，在计算混合效率时，可按浮力提供全部搅拌能考虑。 2 ) 气液两相区内形成的气泡或气泡群在上浮途中不断抽引周围钢液一同向上流动，这是 一种气泡泵现象。被单元体积气泡抽引向上流动钢液的体积可以几十或上百倍地大于 气泡体积。 3 ) 两相区的气泡大小和形状不规则，多为球帽形或蘑菇形，分散性大，两相区内平均气 相分率不大。两相区内径向气泡分率和速度变化可以用高斯曲线来描述。 4 ) 到达两相区顶部的气体溢向大气，钢液在本身势能作用下向离开两相区的方向流开， 在包壁附近，受钢包壁限制向下流动，形成循环流。 5 ) 循环流的流动速度与吹气量的三次方成直线关系，混合时间长短与循环量有关，完成 三次循环流可以实现与加入物均匀的混合【3 5 】。 1 4 1 3 两相区研究进展 t a c k e 等、k o r i a 、s i n # 和s h e n g 以及i r o n s 应用单触点探针、c a s t e l l o b r a m c o 和 s c h w e r d f e g e r 应用双触点探针分别进行了研究，他们的研究表明，通常气相体积分率和 气泡分率是呈高斯分布的，气液两相区的分布可以仅用两个参数表示，这两个参数是轴 线上的含气率和含气率半值半径： 口。o 卜”l ( 式地) 亿，：g ) o 2 0 4 2 。2 。( 言) ，_ 。3 。 卢 ( 式1 3 ) k m i s h n a m u r t h y 曾应用摄像技术对圆柱形容器的两相气柱区的尺寸进行观测后，提出 了一个关于气柱区尺寸的关系式： 瑚o c = 0 9 1 5 矿( 圹例4 4 1 ( 式1 4 ) 蔡志鹏、魏伟胜在实验中定义9 5 的气体量所通过的区域为喷射区，得到另一种 关系式： 喷射区的锥体半径： 内蒙古科技大学硕士学位论文 r = 1 9 1 2 ( f r ) 0 0 8 5 ( 鲁) 0 5 ( z + o 2 h ) 喷射区锥角： c r = ：2 t g 一1 ，9 2 c j ，1 ，。8 5 - ( 鲁) 。5 ( 式1 5 ) ( 式1 6 ) 肖泽强对7 t 钢包和6 0 t 钢包以及水模进行了观察，发现当给定流量后，中心线上 的速度不受钢包高度的影响； s h e n g 和i r o n s 在实验中验证了这一点，他们还同时测定了气泡驱动过程中的气相体 积分率、气泡上升速度，结果与早期研究者的结论大致相同。 t a n a k a 和g u t h r i e 在相对高的气体流速下研究了渣钢之间的界面反应，认为气泡的 产生导致了气柱区边缘液滴的下落； m a z u m d a r 在水模中研究了流体现象和湍流特性，认为相当的能量散失在渣相， 湍流动能与渣层厚度、粘度以及密度等之间有关系。 1 4 2 气泡体积分率的四种表达形式 气相体积分率口。是描述两相区的一个重要参数，采用准单相模型处理方法时，一般 首先根据经验给出气柱区的尺寸，并由此气柱区的尺寸值求出气柱内气相分数口。的分 布。 1 ) 漂移模型：考虑含气率沿轴向变化，径向视不变，气泡与液体之间存在滑移。数学表 达式为 盱芝宰型 j 2 z t r r u d 式中，乩特征单个气泡的滑移速度，m s ； 乞气柱区半径尺寸，m 。 2 ) 蔡志鹏、魏伟胜用实验方法得出了另一种表达式 ( 式1 7 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 口。：1 8 f 7 f r ( x d o h ) 一n 5 8 4 ，z h g 2 万可丽 吒= 1，z h g - j r ；= = 8 7 7 。2 3 6 c 鲁，。6 4 - 鼍7 以o 说明喷嘴出口处无气柱区出现； h x h ，说明气柱区穿透液层： 一唧( 丢 式中，吒2 = o 6 1 鲁乃吣1 7 ( z + o 2 h ) 2 ； f r j = u 0 2p gk g h p 式中，砜气体出口名义速度，i s ； 月l 液面高度，m ； 一中轴线上的含气率； 瓯一喷嘴直径，m 。 3 ) c a s t i l l e j o s 和b r i m a c o m b e 3 6 】发表的结果 旦：。0 e x p ( 0 7 ( 二) ：。) = 一( ) ) 口。o 。 口。= 2 9 3 7 7 n 一1 = 1 0 0 n m 2 2 ( n 4 ) 1 3 ( 式1 8 ) ( 式1 9 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 乞弋州g , 、1 1 5 一o 2 4 3 掣r 时4 8 式中 口，口一一两相区和中心线上含气率； ，乞，：一两相区径向尺寸和含气率半值半径，m ； 岛，岛。一两相区液体密度和喷嘴处气体密度，k g m 3 ； 玩，q 一喷嘴直径和喷嘴出口处的气体流量，n l m i m g ，z 一重力加速度和轴向尺寸，m 。 特性参数，表达式为 =!訾。184f，t三，o、j。48l q 2 岛。j 4 ) 平均含气率模型：把两相区近似看作气体均匀分布。数学表达式为： 云：里 a 1 0 u p 式中一两相区的平均半径，m ； 1 。万o 。 r - - 气液两相区的最大半径，m l “，气液两相区的平均速度，m s a 1 4 3 混合过程和混合时间 钢包喷吹的重要冶金目的之一是温度和添加物的均匀化。近二十年来，针对喷吹钢 包内混合过程，国内外和工程界做了大量的工作，其目的是希望找到一种既简单明了有 综合考虑各种因素的数学表达式，来直接定量计算不同喷吹状态下的混合时间。由于许 多影响因素难于合理的综合处理，在应用过程中要具体判别。以实验数据为基础的混合 模型归纳主要有两类 3 7 1 ： 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 ) 单一考虑搅拌能的模型。这类模型只考虑搅拌动能密度( 单位质量或单位体积钢水所 获得的计算搅拌能的数量，单位为( w t 或w m3 ) 对混合过程的影响，其中最早的 工作是中西恭二和舍克里提出的关系式。下面是不同研究工作者在受实验条件或数据 处理方法的影响，得出的不同计算混匀时间模型。 中西恭二和舍克里： = 8 0 0 气。0 4 辛哈和蒙克兰拉： = 6 9 2 s o 3 9 米茨和奥特斯： = c | o - - 1 1 9c 1 和，2 与试踪剂加入有关 莫西等： = c l o - 1 1