頂底復吹轉爐內氣液兩相流行為的模擬研究.pdf

1、頂底復吹轉爐煉鋼法已成為當今鐵水煉鋼的主流技術，轉爐底部噴嘴的支數、布置及氣體流量均對熔池內的流場及混合效率有著重要影響。因此尋求合理的吹煉模式，并揭示熔池內氣液兩相流行為規(guī)律，對于提高轉爐內反應速率、工況穩(wěn)定及產品質量是十分必要的。針對頂底復吹轉爐熔池中項吹超音速射流和底吹鼓泡流雙重作用下復雜的氣液兩相流行為缺乏系統(tǒng)模擬研究和忽略氣流可壓縮性的現狀，本文結合國內某廠轉爐頂底復吹技術改造工程，建立了描述轉爐內多孔氧槍超音速射流與多噴嘴底

2、吹氬氣鼓泡流雙重作用下的三維耦合數學模型，并采用數學和物理模擬相結合的研究方法考察底部噴嘴數目、布置、流量及頂吹參數對熔池內氣液兩相流、混合效率及爐襯沖刷的影響。本文主要研究內容和獲得的結果如下：
　　(1)根據相似原理建立了幾何比為1∶4.56的頂底復吹轉爐物理模型研究體系，通過加入示蹤劑來監(jiān)測熔池中不同區(qū)域兩點的濃度變化曲線來測定熔池混勻時間，考察底吹噴嘴數量、布置、流量以及頂吹參數等對熔池混勻時間的影響，并為數值模擬驗證提供

3、基礎。
　　(2)采用可壓縮模型描述了四孔氧槍噴頭頂吹超音速射流衰減行為，并耦合界面波動模型VOF(Volume of Fluid)及Lagrange多相流模型DPM(Discrete Phase Model)建立了描述頂底復吹轉爐內的氣液兩相流行為的數學模型。在與實驗數據對比驗證的基礎上，考察了底部噴嘴數量、布置、底吹流量及頂吹參數對熔池內氣液兩相流行為、混合效率及爐襯沖刷的影響，并提出了合理的吹煉模式。結果表明:
　　①

4、頂吹超音速氣體在噴槍出口出現強烈脈動，流體的可壓縮性對氣流衰減行為有很大影響。在純頂吹條件下，四孔噴頭頂吹超音速射流對熔池液面沖擊產生四個獨立凹坑，轉爐內鋼液沿著凹坑流向四周，并形成環(huán)流運動，在爐底區(qū)域鋼液流動微弱，熔池的混勻時間為523 s。加入底吹后，熔池底部鋼液速度增大，熔池混勻時間為99 s，頂底復吹轉爐熔池的混合效率明顯優(yōu)于純頂吹轉爐。
　?、陔S著爐底噴嘴數量的增加，頂底復吹轉爐的混勻時間先減小后增大，爐底采用三個噴嘴時

5、，熔池流動混合效果要優(yōu)于四個或者兩個的情況;隨著噴嘴遠離爐底中心，混勻時間先減小后增大，當噴嘴布置在0.4D環(huán)上（D為爐底直徑）時，混勻時間最短;隨著底吹噴嘴與耳軸間的角度θ的增大，混合時間先增大后減小，當θ=45°時，轉爐熔池的混勻時間最短;噴嘴采用非等距布置(0.35D，0.35D，0.4D)方案時，轉爐熔池內環(huán)流均勻性要優(yōu)于三噴嘴等距布置;底吹流量對熔池混合時間有著重要影響，隨著底吹氣流量的增大，熔池混勻時間減小。
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6、槍吹煉參數對熔池內混合效率的影響不大，隨著項槍槍位的增加，熔池內凹坑深度逐漸減小，混勻時間先減小后略有增加;隨著頂槍供氧壓力的增大，凹坑深度和混勻時間逐漸增大。在供氧制度允許范圍內，升高氧槍或者減小供氧壓力有利于提高熔池混合效率。
　?、苻D爐爐襯受鋼液沖擊應力最大值出現在液面以下熔池深度80％處，隨著底吹噴嘴數量以及噴嘴距離爐底中心距離的增加，爐襯受鋼液的沖擊應力逐漸減小;隨著氧槍槍位的升高，或者供氧總壓的降低，爐襯所受沖擊應力逐

7、漸變小。
　　(3)基于上述優(yōu)化結果，對國內某廠純頂吹轉爐進行項底復吹工業(yè)改造，對比分析了改造前后的冶金效果及經濟效益，結果表明:
　?、俑脑旌筠D爐冶煉化渣速度加快，吹煉平穩(wěn)，爐渣流動性及粘稠度適中，冶煉過程中噴濺事故大大降低。純吹氧時間縮短30～60 s，濺渣時間縮短60 s左右。
　?、诟脑旌罂梢垣@得理想的冶煉終點控制水平，鋼-渣接觸充分，爐渣形成條件理想，復吹爐次長條狀及板柱狀存在的C3S數量較頂吹轉爐的多25％