钢包底吹氩过程数学物理模拟
钢包炉吹氩与夹杂物去除
Abstract For t he underst andi ng of f uncti on and pri nci pl e of i ncl usi on r e moval t he f uncti on of l adl e f ur nace r efi ni ng and t he ef f ect of fl ui d fl o W behavi or on i ncl usi on r e moval duri ng r efi ni ng Wer e anal yZed and t he r el ati on bet Ween i ncl usi on r e moval ef fi ci ency and mi xi ng po Wer mean mi xi ng ti me ar gon bubbl e and i ncl usi on di a met er t he nu mber of por ous bri ck fl o W r at e of ar gon ti me of ar gon bl o Wi ng Was i nvesti gat ed . The r easonabl e syst e m of ar gon bl oWi ng i n l adl e f ur nace Was pr oposed i n or der t o meet t he de mand f or r efi ni ng . Key words l adl e f ur nace r efi ni ng ar gon bl o Wi ng bubbl e i ncl usi on
图2 钢包底吹氩时钢液的流动状况 fi g. 2 fl owi ng st ate of molten steel f or bott o m argon bl owi ng
钢包钢包底吹氩实验方案
钢包钢包底吹氩实验方案1吹氩精炼的影响因素氩气的精炼效果与吹氩量、吹氩压力、吹氩时间等因素有关。
1.1吹氩量搅拌气体进入熔池时，首先在喷嘴上形成气泡。
在气流动能的推动下到液相中，分散成无数的小气泡而上浮，同时在高温钢水中气体被加热而膨胀，从而产生了强烈的搅拌作用。
随着吹气量的增加，搅拌强度增大，而吹气量的增加是有一个I临界值的，如果吹气量超过某一临界值，吹入的气体从钢包底部向上部形成所谓的贯穿流，容易引起钢水发生喷溅，造成钢液表面覆盖的渣卷入钢液内部。
造成对钢液的污染。
另外当吹氩量偏低时，就限制了氩气的精炼作用，从而使氨气的脱氧、去气和保护钢水的作用都得不到充分发挥。
吹入气量是与吹气压力、吹气喷嘴结构等因素有关，可由试验决定。
在生产中通常根据不冲破钢包渣层裸鼹钢水为原则来确定吹气量和压力。
1.2氩气压力氩气的压力大，搅动力也大，气泡上升速度快，但压力过大时，氩气流涉及范围越来越少，氩气泡与钢液的接触面减小，而且如压力过大时，气体会迅速地冲出钢液，要冲破钢液上覆盖的渣层，使钢液受到大气的氧化，对精炼效果反而不利。
为此要求吹入的氩气压力不要太大，一般以能克服钢液的静压力，刚好能在透气砖表面上形成气泡为合适。
如钢液深，刚所需的氢气压力大，反之，所需氩气压力小。
理想状态是使氩气流遍布全钢包，增加接触面积和延长氩气流上升的流程和时间。
1.3吹氩时间目前，普遍认为吹氩时问不宣太长，否则钢液温度下降太多，且由于耐材受冲刷而使非金属夹杂物出现率增加，但吹氩时间不足，气体及非金属夹杂物不能很好地去除，吹氩效果不明显。
所以必须根据现场实际生产情况，以及要达到的精炼效果，从而确定合适的吹氩时间。
2实验原理物理模拟的理论基础是相似原理。
应用相似原理建立模型和进行实验时，必须保证两系统几何相似、物理相似。
对于钢包底吹氩系统来说，引起体系内流动的动力主要是气泡浮力而不是湍流的粘性力，因此保证模型与原型的修正弗鲁德准数相等，就能基本上保证它们的动力相似，根据这一原则，选用修正的Fr’,就可以确定模型中吹气量的范围。
影响钢包底吹气孔口处底吹气泡上浮的因素
影响钢包底吹气孔口处底吹气泡上浮的因素摘要：运用气泡形成的两阶段模型，分析在一定气体流量下，静止钢液中通过孔口连续溢出气泡的形成过程。
通过MATLAB编程计算得到气泡的脱离直径。
对影响气泡脱离尺寸的气体流量、孔口直径和表面张力因素进行分析，并将气泡直径的理论计算值与数值模拟结果进行比较。
从理论计算结果以及与数值模拟对比得出：随着气体流量的逐渐增大，气泡的脱离直径总体变化趋势为由缓慢增大到迅速增大；在较小的气体流量下，气泡脱离直径受孔口直径和表面张力影响显著，随着流量的增加其影响越来越小；孔口边缘的润湿性对气泡脱离尺寸的大小起决定性作用。
关键词：气泡；二阶段模型；钢液；孔口直径；润湿性本文在气体流量恒定条件下，应用气泡形成的两阶段模型，通过力平衡方程和牛顿运动第二定律，分析静止钢液中底部孔口处气泡的形成过程。
利用MALAB编程计算得到气泡的脱离直径，对影响气泡直径大小的操作条件、物性参数条件和孔径进行分析，为气泡浮选去除夹杂物的理论研究提供参考。
1 静止钢液中气泡的形成假设在钢包底部中心位置有一个直径为d h的圆形水平孔口，孔口边缘被钢液完全润湿，在恒定流量下氩气通过孔口形成连续的气泡。
在气孔直径较小（<5~6mm）时，根据气体流量不同，气泡形成方式有三种状态：当气体流量很小，Re≤500时，形成离散的单个气泡，气泡仅受浮力和表面张力的作用，假设气泡为球形，有（1）（2）式中：d b为气泡直径，d h为孔口直径，σ为表面张力，μ为钢液的黏度，u0为孔口气速，ρl、ρg分别为液相、气相密度，Re为雷诺数，g为重力加速度。
由式（1）可以求出气泡的脱离直径。
当气体流量增大，500当气体流量增加至Re≥2100时，气体呈射流状喷吹到钢液中，随后分裂为尺寸各异的的气泡。
在钢包底吹氩过程中，其Re远远大于500。
因此，浮力、表面张力、粘性阻力和惯性力对气泡的形成都有作用。
两阶段模型表现为气泡的形成先后经历膨胀和脱离两个阶段。
70吨钢包底吹氩水模型实验研究
Ｉ
ａ 单吹
ｂ９￣ ０ 双砍
ｃ１０ 双吹 ８￣
图 ４ 喷吹 方 式 示 意 图
Ｆｇ ４ ｉ ． Ｓ ｅ ｃ ｐ ｏ ｏ ｉ ｇ ｍｏ ｅ ｋ ｔ ｈ ｍａ ｆｂ ｗｌｎ ｄ ｌ
２０ ０
３０ ０
４Ｏ ０
５０ ０
６ｏห้องสมุดไป่ตู้０
２０ ０
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４Ｏ ０
５Ｏ Ｏ
Ｆ ｇ ６ Ｅｆ ｃ ｆｂ ｏ ｉ ｇ ｖ ｌ ｍｅ Ｏｌｍｉｉ ｇ ｔｍｅ ｉ． ｆ ｔｏ ｌ ｗ ｎ ｏｕ ｉ ｘｎ ｉ ｅ
４
青 海 大学 学报
第２ ９卷
大 ， 其是处 于 ４ 。 向上 的流 体 受 到 两 股 反 向气 流 的 尤 ５方 影 响 ， 分作 用力 彼此抵 消 ， 部 使所 以该部 位 流体受 到搅 拌 作用 减 弱 ， 导致 混 匀时 间 明显 增加 。在 ０ ２Ｒ处 时 ， Ｌ ． 双孑 喷 吹气 流彼此 之 间影 响较小 ， 使得 混匀 时问 减少 。
第２ ９卷
第 ５期
青 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｉｇ ａ Ｕ ｉｅｓｙ Ｎ ｔｒ Ｓ ｉｎｅ ｏ ｒａ ｏ ｎ ｈ ｉ ｎｖｒｉ （ ａ ｅ ｃ ｃ ） Ｑ ｔ ｕ ｅ
Ｖｏ ＿ ９ Ｎｏ ５ ｌ２ ． ０ｃ． ０１ ｔ２ ｌ
２１ ０ １年 １ ０月
钢７ ０吨底吹氩钢包进行水模型实验研究 ， 优化其最佳喷吹位置 ， 为实际生产提供依据 。
１ 实验 方 法 与 实验 装 置
１ １ 实验 方 法 ．
实验模型按照 ７ ０吨钢包原型 ， １４ 以 ：采用有机玻璃制成 。实验 以相似原理为基础保证容器几何尺 寸的相似及流体微 团所受 动力相似。研究表 明 ４， Ｉ 在气液两相 等温流动 系统 中， Ｊ 需要考虑修 正的
钢包底吹氩过程数学物理模拟研究
有效直径 ,m ;
Fr′m = Fr′f
(3)
式中 , Fr′m 为模型 ; Fr′f 为实物 ,模型与实
作者简介 :幸 伟 (1979 - ) ,男 (汉族) ,湖北孝感人 ,湖北省钢铁冶金重点实验室 (武汉科技大学) ,硕士 。
·3 4 ·
炼 钢
第 21 卷
物比例取 1∶4 。
由式 (1) 、(2) 、(3) 可得下式 :
1 物理模型实验
1 . 1 实验原理
根据相似理论 ,除保证模型与原型几何相似
外 ,对于钢包底吹氩系统来说 ,引起体系内流动的 动力主要是气泡浮力而不是湍流的粘性力 ,因此 保证模型与原形的修正弗鲁德准数相等 ,就能保 证它们的动力相似 ,根据这一原则 ,可以确定模型 中吹气量的范围[2 ] 。
Fr′=ρlρ·g g··v2 H
钢包底吹氩搅拌技术是一种经济适用且简单 易行的精炼方法 ,能有效的均匀钢水温度和成分 , 去除有害气体和夹杂物 ,改善钢液质量而得到广 泛的应用 。
在应用钢包底吹氩技术进行精炼时 , 要涉及 到钢包底部喷嘴位置 、喷嘴数目以及喷吹流量的 选取和设定 。但在实际生产操作中 , 往往存在因 供气量过小使搅拌不理想 , 供气量过大而造成钢 液表面覆盖的渣卷入钢液内部 , 造成对钢液的污 染 ; 喷嘴位置不佳 , 钢液成分和温度不均匀等问 题 。文中对国内某钢厂 130 t 钢包精炼的现有技 术条件进行了水力模型实验和数学模型计算 , 针 对现场实际情况 , 确定合理的底吹氩制度[1 ] 。
Qm = 0 . 014 Qf
(4)
式中 , Qm 为模型气体体积流量 , m3 / h ; Qf 为
实物气体体积流量 ,m3 / h 。
1 . 2 实验方法
130t和160t钢包炉(LF)底吹氩的水模拟研究
ｔｅｏ ｔ ｕ ｏ ｏ ｒｏ ｌ ｉｇｒ ｅ（ ／ ｉ ）ｆｒ ｅｔ ｇｔ ｓ ｌ ｆ ｘ ｄ ｓｌｈ ｒ ａ ｏ — ｅｘｄ ｔ ｎ ａｌ ｉｇａ ｄ ｓｆ ｈ ｐｉ ｍ ｂ ｔ ｍ ａｇ ｎ ｂ ｗ ｎ ａ Ｌ ｍ ｎ ｏ ｈ ａｉ ｍｅ ｕ ， ｅｕｐ ｕｉ ｔ ｎｄ ｏｉａｉ ， ｌ ｙ ｎ ｏ ｍ ｔ ｏ ｔ ｎ ｏ ｔ ｌ ｚｉ ｏ ｏｎ ｔ
韦 江林 唐 萍 文光 华 祝 明妹 高建 军 刘海 澜
（ Ｉ重庆大学材料科 学与工程学 院， 重庆 ４０ ４ ； ０ ０ ５ ２中 国第一重型机械集 团公 司 ， 齐齐 哈尔 １ １４ ） ６０ ２ 摘 要 根据相似原理采用一 重 １０ｔ１０ｔ ３ 、６ 钢包１： 和１： ． 比例 的水模 型 ， ５ ５５ 研究 了底 吹流量对混匀时间 、 液
Ｚ ０ Ｃ ｌ Ｎ４ Ｇ ６ ｒ３ ｉＭｏ等 。这 些 钢 种 要 求 较 高 洁 净 度 ， 特 别是 超 纯转 子钢 ３ Ｃ２ ｉＭ Ｖ要求 ［ ］ ． ０ ％ ， ０ ｒＮ４ ｏ ｓ ≤０ ０ ２ Ｔ Ｏ］ ０ Ｘ１ Ｉ。经 过 现 场 调 研 得 出 ， Ｆ精 炼 存 ［ ≤３ ０ ¨ Ｌ 在 的 主要 问题 是 吹氩 制 度 不 合 理 ， 不 到 脱 硫 反 应 达
ｂ ｏ ｎ ｒ ｅ ｐｅ ｔ ｅ ｙ ２ ０，６０ ｌ ｗｉ ｇ ａ ｅ ｒ ｓ ｃｉ ｌ ０ ｖ ０，４ ｎ ５ ００ ａ ｄ １ ０， ａ ｒ１ ０ ｔｌ ｌ ｈ ｔａ ｅ ｒ ｓ ｃ ｉｅｙ ３ ｎｄ ｆ ６ ａｄｅ ｔ ａ ｅ ｐｅ ｔｖ ｌ ００，５ ０ ，５ ０ ａ ０ ｏ ｒ ０ ０ ｎｄ ２ ０．
ｃｕ ｉ ｇ ｍｉ ｉ ｇｔｍｅ ｉ ｕ ｄ ｌ ｖ ｌｆ ｃｕ ｔ ｎ，ｂ ｒ ｒ ａ ｄ ａ ｔｒａ ｄ ｆ ａｉ ｇ ｔ ｆｄ ｎ ｘ ｎ ｉ ．１ ｉ ｅ ｅ ｌ ｔ ａ ｉ ｑ ｕ ｏ ａｅ ａ ｅ ｉｍｅｅ ｎ ｏ ｔ ｉ ｏ ｌ ｓｏ ｓｈ ｓｂ ｅ ｔ ｄ ｅ ｙ ｕ ｉｇ ｌ ｎ ｍｅ ｎ
100t钢包吹氩水模型实验研究
５ｔ
毒
瓣
曲 删
图７吹氩孔成１３５。、吹氩流量为 １３０ｌＪｈ时的ＲＴＤ曲线
Ｓ，２００Ｌ／ｈ以后虽然混匀时间有所增加，但变化范 围不大。角度为１３５。时，当吹氩流量达到１３０Ｌ／ｈ时， 混匀时间为５３ｓ，以后混匀时间基本上是保持不变的。 角度为１８０。时，在流量达到１５０～２００１Ｍｈ出现拐点， 混匀时问为５３ｓ，随后混匀时间略有增加，与成１８０。
ｌＯＯｔ钢包吹氩水模型实验研究
蒋
静
才仁拉吉甫
李京社
王玉刚
（北京科技大学冶金与生态工程学院）
摘要：在相似原理的基础上，对国内某钢厂ｌＯＯｔ钢包精炼吹氩过程进行了水模拟实验（模型、原型几何比例 为１：３．５）。实验发现，原型钢包吹氩位置和吹氩流量不尽合理。通过对以上两个指标的优化，确定合理的吹氩 工艺参数为：两个吹氩孔位置在半径的１／２或０．６１８处，夹角呈１３５。，吹氩流量控制在１３０～２００ｌＭｈ，折合实际 流量为８０～１３０Ｌ／ｍｉｎ。水模拟实验为原型钢包的工艺改进提供了依据。 关键词：钢包水模拟混匀时间
流量为８０～１３０ｌＭｈ时，角度为１８０。时的混匀时间较
吹氩流量／Ｌ・ｈ一
长，而角度为１３５０时混匀时间较短；当吹氩流量大于 １３０１Ｍｈ时，除了４５０时随着供气量的增加混匀时间有 减小的趋势外，其他各角度均先后出现拐点，在拐点 后，随供气量增加混匀时间有增有减，但相对来说， 变化不明显。但整体趋势来看，角度为１３５０混匀时间
２研究方法
根据相似性原理Ⅲ，本研究以国内某钢厂钢包为 原型建立了１：３．５的钢包水模型，以水代替钢液，氧 气代替氩气，实验装置如图１所示。本实验从混匀时
冶金研究（２００８年）
底吹氩钢包精炼中钢渣界面行为物理模拟
底吹氩钢包精炼中钢渣界面行为物理模拟曹震;艾新港;李胜利;张少勇;王鑫【摘要】为了选择合适的钢包吹氩参数,以某厂100 t钢包为原型,建立模型与原型尺寸比为1:4的物理模型.通过水模实验对钢包临界卷渣吹氩量进行测量,得到单孔及双孔吹气时的临界卷渣气量是标态450L/min和400 L/min,双孔吹气更容易卷渣.讨论了渣层裸露面积的影响规律,单孔和双孔吹气底吹气量分别在大于标态500 L/min和400 L/min时,渣层表面裸露面积增加不明显.【期刊名称】《辽宁科技大学学报》【年(卷),期】2013(036)002【总页数】4页(P117-119,123)【关键词】底吹氩;卷渣;物理模拟【作者】曹震;艾新港;李胜利;张少勇;王鑫【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051【正文语种】中文【中图分类】TF769.2钢包底吹氩气是当今被广泛采用的一种简单的炉外精炼方法［1－3］。
搅拌强度与去除夹杂物、均匀温度和钢液成分等都密不可分［4］。
在生产实践中喷吹操作不正常会导致钢液顶渣卷混，出现大颗粒夹杂物，污染钢质；同时，底吹氩造成钢液面暴露，易于造成钢液的二次氧化，恶化钢液质量［5－7］。
本文介绍依据相似原理在实验室进行的钢包吹氩的水模试验，研究卷渣及钢液面裸露的影响规律，为选择合适的钢包吹氩参数提供依据。
渣钢界面的流动状态主要受到液体表面张力的影响。
实验研究在满足几何相似和动力学中的Fr准数相等之外，还需要保证动力学中的We准数相等［1］以某厂100 t钢包为原型，制作相似比例为1∶4的有机玻璃模型，钢包模型的具体尺寸见表1。
主要设备还有转子流量计，空气压缩机，储气罐等。
实验用水模拟钢液，空气模拟氩气，油模拟渣。
70t钢包单吹氩流场数值模拟
70t钢包单吹氩流场数值模拟王宁峰;李晓红;贾红光【摘要】通过数值模拟分析70t钢包单孔底吹氩流场,与水模型试验对比发现试验的弱流区与模拟预测一致,根据模拟分析了不同流量下的流场变化.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】3页(P44-46)【关键词】数值模拟;钢包;流场【作者】王宁峰;李晓红;贾红光【作者单位】青海大学,西宁810016;青海大学,西宁810016;青海大学,西宁810016【正文语种】中文【中图分类】TB5321 引言钢包底吹氩精炼过程中，通过氩气的搅拌主要起到混匀作用同时使钢液氧中脱除，上浮的氩气泡不仅能够吸收钢液中的气体，还会粘附悬浮于钢液中非金属夹杂物上，把这些粘附的夹杂带至钢液表面被渣层吸收，从而影响到与此有关的炼钢反应。
所以需要研究钢包吹氩过程中钢液的流动行为，优化钢液流动状态。
2 基本条件及水模型试验原型为青海西宁特钢钢轧分厂的70t 钢包，钢包原型设有一个底吹透气砖，为偏心位置距离包底中心0.58R 处（如图1）。
实际工作时吹氩压力为0.3MPa，每次50min，钢液密度（1600℃以上）7.0×103kg/m3；钢液粘度在（5.2～6.7）×10-3Pa·s，实际吹气流量为35～60m3/h。
实验采用与原型几何比例为1∶4的有机玻璃制作的钢包，几何尺寸见表1。
采用示踪剂显示流场弱流区域，同时使用LGY 智能流速测定液面表面速度。
为保证水模型实验中的流动和实际钢液流动的动力学相似，原型和实验模型的修正弗罗德准数Fr′必须相等［1，2］，这样可以确定实验中底吹气体的流量。
图1 钢包底吹氩开孔示意图表1 原型与水模型的主要物理参数参数高度/mm底部直径/mm顶部直径/mm钢水装入深度/mm钢包实际参数2900 2340 2580 2200水模型实验1054.5 850.9 645 5503 数值模拟条件及边界条件钢包内的流场为湍流，数值模拟的湍流模型目前较普遍使用的是k-ε 双方程模型和雷诺应力模型，这两种模型都建立在半经验的基础上［3-5］。
钢包吹氩时钢液循环流动过程数学模型研究
钢包吹氩时钢液循环流动过程数学模型研究钢包吹氩是钢液净化的一种常用方法，本研究旨在建立钢包吹氩过程中钢液循环流动的数学模型。
钢包吹氩时，氩气从钢包底部喷出，对钢液进行搅拌和冷却。
钢液经过搅拌后，会形成旋涡和漩涡，对整个钢包中的钢液产生强烈的涡动。
该涡动会带动钢液整体产生循环流动，从而实现钢液的混匀和净化。
本研究通过对钢包吹氩过程中钢液循环流动的分析，建立了一种基于流体力学理论的数学模型。
该模型考虑了钢液的物理性质、流体力学基本方程、流量方程和动量方程等因素，能够较为准确地描述钢液的循环流动。
通过该数学模型的分析，我们发现钢液的循环流动受到很多因素的影响，如氩气喷射速度、钢液密度、钢液表面张力等。
同时，我们可以通过调节氩气喷射速度、改变钢包设计等手段，来优化钢液的循环流动效果，从而提高钢液的混匀度和净化效率。
综上所述，本研究的数学模型对于理解和优化钢包吹氩过程中钢液的循环流动起到了重要的作用，有望为钢铁制造工业的发展提供一定的参考价值。
板坯连铸结晶器内钢液吹氩过程数学物理模拟
为了进一步控制铸坯卷渣的问题，我们提出了一些应对策略。首先，可以通 过优化结晶器吹氩的工艺参数，如氩气流量、吹氩时间和吹氩方式等，实现更有 效的搅拌和夹杂物排除。其次，针对设备方面，可以改进结晶器的设计，提高结 晶器的有效容积和深度，以增加钢水的容纳量和搅拌效果。最后，加强过程监控 也是控制铸坯卷渣的重要手段。
3、研究方法
本次演示的研究方法主要包括实验设计和数学模拟两部分。实验设计包括： 1）设计不同电磁搅拌参数下的圆坯连铸实验方案；2）制备不同材质和尺寸的圆 坯试样；3）使用高速摄像机和温度测量系统对圆坯连铸过程进行实时记录和数 据采集；4）通过对实验数据的处理和分析，探索电磁搅拌参数对圆坯质量的影 响规律。
在板坯连铸过程中，结晶器吹氩的目的是通过氩气的搅拌作用，使结晶器内 的钢水产生流动，从而增加凝固过程的传热效率，提高铸坯的质量和生产效率。 然而，结晶器吹氩也会对铸坯卷渣产生影响。卷渣主要是指在浇注过程中，由于 保护不足或工艺不当，导致非金属夹杂物或氧化物被卷入铸坯中。这些夹杂物或 氧化物会对铸坯的质量产生严重影响，降低产品的机械性能。
感谢观看
5、结论与展望
本次演示通过对圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的数学模拟和实验研究，揭示 了电磁搅拌对圆坯连铸过程的影响规律。然而，本研究仍存在一定的局限性，例 如实验样本数量较少，未涵盖所有可能的影响因素。未来研究可进一步拓展实验 范围，考虑更多影响因素的作用，如钢种、浇注温度、保护渣性能等。
可以采用更先进的数值模拟方法，如耦合传热、流动和凝固过程的有限元法， 以获得更精确的模拟结果。此外，针对工业应用的实际需求，未来研究应如何将 优化后的电磁搅拌技术应用于实际生产过程，为提高圆坯连铸生产效率和产品质 量提供有效的技术支持。
总之，板坯连铸结晶器吹氩对铸坯卷渣具有重要影响。通过深入了解其影响 机理和采取有效的应对策略，可以显著提高铸坯的质量和生产效率。本次演示的 研究成果和发现为实际生产提供了有益的参考，有助于推动板坯连铸技术的发展。
16 钙处理条件下钢包底吹氩工艺的模拟与优化
混时间的影响 。见图 5 。
2007 年第 3 期
图 5 底吹气量对钢液均混时间的影响 ( 示踪剂加入位置为点 14)
图 3 示踪剂加入位置对钢液均混时间的影响 ( 示踪剂加入深度为 0. 7H)
图 4 示踪剂加入深度对钢液均混时间的影响 ( 示踪剂加入位置为点 14)
从图 4 可以看出 ,随着示踪剂加入深度的增加 , 钢液均混时间先减小而后逐渐增大 ,当加入深度为 0. 6 H ～0. 8 H 时 ,钢液均混时间最短 。因此 ,在本试 验条件下 ,钙处理时选定喂丝深度为 0. 6 H ～0. 8 H 。 2. 3 底吹气量对钢液均混时间的影响
第一作者 :宁国山 ,男 ,33 岁 ,工程师 。 收稿日期 :2007 - 01 - 18
最佳底吹工艺参数 。
1 物理模型的建立
1. 1 物理模型的建立
以国内某钢铁公司 150t 钢包为原型 ,根据相似
原理 ,建立了钙处理条件下钢包底吹氩工艺的物理模
型 ,试验中模型与原型的几何相似比为 1∶4 ,为保证
本试验采用均混时间来判定钢液的搅拌能力 ,均 混时间越短 ,钢液的搅拌能力越强 。均混时间可以通 过测定示踪剂电导率的方法来确定 。具体方法如下 : 把电导电极固定在水中测点 ,调节流量计使数值稳 定 ,在设定位置注入 200mL 示踪剂 ( 示踪剂为饱和 NaCl 溶液) ,同时启动电导率仪和计算机程序 ,计算 机开始采集测点的电导率值 ,直至电导率值衡定为 止 ,把试验开始至电导率平衡所需时间记为均混时 间 。每组试验重复测量三次以确保试验准确性 。
0 前 言 钙处理是一种简单易行的钢水炉外精炼技术。
它的作用主要包括脱氧脱硫 、降低夹杂物的数量 、改 变夹杂物的形态 、防止水口堵塞等 。在实际的生产操 作中 ,往往由于钢包钙处理与底吹氩工艺不匹配 ,影 响钙处理的效果 。本试验针对钢包钙处理工艺 ,通过 相似原理建立了物理模型 ,研究喂丝位置 、深度及底 吹气量对钢液均混时间的影响 ,确定了钢包钙处理的
底吹氩钢包内三维流场的数值模拟
双透气元件喷吹的喷吹半径需要进一步优化。 在提高吹气量缩短钢液混匀时间的同时, 又 不使其对包壁造成明显的冲刷, 用液面湍动能分 布进行分析来比较两种喷吹半径对包壁的冲刷情 况。当吹气量较大 ( Q = 1. 7 m 3 / h) 时 , 0. 6R 0. 7R 和 喷吹的表面湍动能分布如图 5 所示。由
Fig.2 Basic characteristics of the f low field of single nozzel
126
武 汉
科
技
大
学
学
报
2010 年第 2 期
侧形成沿气泡柱表面上升而沿包壁下降的、 范围 较小而流速较快的循环流动区 ( 简称小循环区 ) 。 气泡柱靠钢包中心一侧发展为向钢包中心回流的 范围较大但速度较慢的循环流动区 ( 简称大循环 区) 。随着喷吹半径的增大, 两相区向近喷嘴的包 壁一侧倾斜。在大循环区 , 流体流动方向随着喷 嘴向包壁靠近, 喷吹半径的增大而逐渐由纵向旋 回运动向横向旋回运动转变。这一转变导致包内 液体的循环回路变长 , 速度梯度减小, 但切向速度 明显增加 , 对熔池内的混合过程有很大的增强作 用, 从而使钢液混匀时间缩短。 3. 3 双喷嘴对称喷吹流场的分析 图 3 为双喷嘴对称喷吹流场的基本特征。由 图 3 可看出, 采用双喷嘴对称喷吹时, 熔池内流场 的流动状态有了明显的改善, 熔池内的死区明显 减少 , 对称分布的喷嘴使得钢液混合更加均匀 , 混
( a) 气体流场特征
( b) 液体流场特征 图 1 钢包底吹氩流场的 基本特征
Fig.1 Basic characteristics of the f low field of LF argon blowing
( a) 0. 5 R 图2
兴澄特钢钢包底吹氩工艺的物理模拟
总 第 １６期 ９
１ ２ 月
冶 金 丛 刊
Ｍ ＥＴ ＡＬＬＵＲＧＩ ＣＡＬ ＣＯＬＬ ＥＣＴＩ ＯＮＳ
Ｓ ｕｍ ． ９ １６
ＮＯ ６ ．
２０１ １ 年
Ｄｅ ｅ ｅ ｍｂｅ ２ ０ １ ｒ １
兴 澄 特 钢 钢 包 底 吹 氩 工 艺 的 物 理 模 拟
４８． ． ８Ｓ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ ｔ ｅ ｐ ｓｔ ｎ ｏ ｒｏ ｌｗｉ ｇ；ｗａｅ ｉ ｌｔｏ ｙ ｗ ｒ ｈ ｏ ｉｉ ｆａ ｇ ｎ ｂ ｏ ｎ ｏ ｔ ｒｓｍｕ ａｉ ｎ； ｍｉｉ ｇ ｔ ｅ ｘｎ ｉ ｍ
Ｌ Ｆ精炼 炉 具有 脱 气 、 温 、 均 调的氩 气 搅 拌是 Ｌ Ｆ
中 图 分 类 号 ：Ｆ ６ Ｔ ７９ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ １— ８ ８ ２ １ ） ６— ０ １ ０ １７ ３ １ （ ０ １ ０ ０ ０ — ４
ＰＨＹＳＩ ＣＡＬ Ｉ ＵＬＡ ＴＩ ＳＭ ｏＮ Ｆ Ｂｏ ＴＴｏＭ ｏ ＡＲＧｏ Ｎ ＢＬｏＷ Ｉ ＮＧ ＰＲｏ ＣＥＳＳ Ｉ ＸＩ Ｎ ＮＧ ＣＨＥＮＧ ＰＥＣＩ Ｓ ＡＬ ＴＥＥＬ Ｓ
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（） １
物 理水模 拟 实验 研究 不 同吹气 方式 下包 内液 体 的混 匀 时 间 ， 出合 理 的底 吹 透 气砖 布置 方 式 及 适 合 的 提
吹 气流 量 ， 以促进 现场 生产 顺利 进行 。 式 中 Ｐ ，ｚ Ｐ—— 气体和 溶液 的 密度 ，ｇ ｍ ； ｋ ／
ｗ ｎ ｓｉ ｒｖ ｄ ａ ｄｔ ｅｏ ｔ ｌ ｒｊｃ ａ ｈ ｔｂ ｔ ｍ ｏｚｅｐ ｓｔ ｎ ｒ ｔ ｈ ａ ｉｓｏ ／ ｎ ｉｇｗａ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｈ ｐｉ ｏｅ ｔｗ ｓｔａ ｏｔ ｎ ｚｌ ｏ ｉｏ ｓｗｅｅａ ｅｒｄｕ ｆ ３ ａ ｄ ｍａ ｐ ｏ ｉ ｔ １
钢包双透气砖底吹氩工艺水模研究
辽宁科技大学学士学位论文论文题目钢包底吹氩工艺水模研究院(部)名称：材料与冶金学院学生姓名：王学渊专业：冶金工程学号： 120113202014指导教师姓名：刘海啸论文提交时间：论文答辩时间：学位授予时间：摘要通过对钢包底吹氩的水模实验，对钢包双孔底吹精炼过程中钢包内钢液的流场及混合特性进行了研究。
以钢包原型为基础，设计加工了几何相似比为1:4的水模型实验系统。
采用电导法测定钢包内钢液的混匀时间，考察了钢包吹气孔位置，供气量等主要参数对钢包内钢液的流动和传质的影响。
通过水模实验，讨论分析了钢包精炼过程中不同位置和不同供气量单孔喷吹及双孔喷吹的不同组合对钢包内钢液的混匀效果及影响，并对不同组合的喷吹影响效果进行了对比分析，以此探究影响双孔底吹氩钢包内钢液流动行为的因素，寻求合理的钢包底吹氩的工艺参数。
实验结果分析表明：（1）单喷嘴底吹与双喷嘴底吹相比，双喷嘴底吹时，钢包内液体的搅拌混匀效果效果更好，所以本实验水模型对应的原型钢包适合采用双喷嘴底吹（2）单喷嘴底吹的最佳位置是距包底中心0.6R处，双喷嘴底吹的最佳位置为距包底中心0.6R，夹角135°。
（3）对于单喷嘴和双喷嘴底吹时，都从在一临界供气量。
钢包底吹超过此临界供气量，混匀时间变化不大，但会造成卷渣等一些问题。
关键词：钢包吹氩；水模型；混匀时间；双孔底吹AbstractThrough water model experiment of argon blowing in ladle bottom, of ladle double bottom blowing refining process of molten steel in ladle and tundish flow field and mixing properties were studied. Based on the ladle prototype, the water model experiment system of the geometric similarity ratio of 1:4 is designed and processed.The effect of the main parameters such as the gas flow and the mass transfer of the steel in the ladle was investigated by using the conductance method.. Through water model experiment, discuss and analysis the ladle refining process in different position and different supply quantity of single hole blowing and double hole injection of different combinations inside the ladle liquid steel mixed mixing effect and influence, and combination of different spray blowing effect are analyzed and compared, in order to study the effect of the double bottom blowing argon ladle liquid steel flow behavior factors, to seek a reasonable ladle bottom blowing argon process parameters.Experimental results show that:(1) single nozzle bottom blowing and the bottom of the double nozzle blowing compared to bottom blowing double nozzle and ladle liquid mixing uniformity effect better, so corresponding to the water model prototype ladle for the double nozzle blowing.(2) single nozzle blowing the best position is center 0.6R from the bottom of the bag and double nozzle blowing the best position is from the bottom of the package center 0.6R, the angle of 135.(3) for a single nozzle and a double nozzle bottom blowing, both from a critical gas supply. The bottom blowing of ladle is more than this critical gas supply, but the mixing time is not big, but it can cause some problems such as slag.Keywords: Argon blowing; Water model; Mixing time; Double bottom blowing目录第一章绪论 (1)1.1本课题研究意义 (1)1.2 本课题研究方向、内容和方法 (1)第二章文献综述 (3)2.1炉外精炼技术的发展现状 (3)2.1.1 炉外精炼的方式 (5)2.1.2钢包底吹的主要炉外精炼工艺 (7)2.2钢包吹氩 (10)2.2.1钢包吹氩工艺概述 (11)2.2.2钢包底吹氩的工作原理 (11)2.3吹氩精炼的影响因素 (12)2.3.1吹氩量 (12)2.3.2 氩气压力 (12)2.3.3吹氩时间 (13)2.4 钢包底吹氩钢液流动行为的研究意义和方法 (13)2.4.1钢包内钢液流动行为的物理模拟 (13)2.5改善钢包内钢液流动状况的研究 (14)2.6课题背景及本文的主要工作 (15)第三章钢包底吹氩喷嘴的合理布置方式的水模研究 (16)3.1实验原理 (16)3.1.1几何相似 (16)3.1.2动力学相似 (16)3.2 实验参数确定 (17)3.2.1水模型的建立 (17)3.2.2喷吹气体流量计算 (17)3.3 实验方案设计 (18)3.3.1工艺参数的影响 (18)3.3.2实验方案 (19)3.3.3实验装置及相关设备 (21)3.3.5实验方法 (22)第四章实验结果分析 (24)4.1供气量、吹气位置对单嘴底吹钢液混匀时间的影响 (24)4.2 双喷嘴底吹供气量、吹气位置对混匀时间的影响 (26)4.3 单喷嘴底吹与双喷嘴底吹的对比 (29)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (34)第一章绪论1.1 本课题研究意义目前，科技的不断进步和发展引起社会对优质钢的需求量的不断增加，面对用户对钢高度纯净、品种多样的需求，传统的钢铁冶炼技术已不能满足，所以必须探寻更好更便利的冶炼优质纯净钢的技术方法。
150t钢包双透气砖底吹氩优化与工业试用
· １ ２ ·
炼 钢
第 ３０ 卷
４５０Ｌ／ｍｉｎ），模 型 混 匀 时 间 最 小 为２５．５ｓ。
摘 要：通过水模型研究了国内某厂１５０ｔ钢包双透气砖底吹氩位置及流量对钢液混 匀 时 间 的 影 响 ，利 用优质真空泵油模拟钢包顶渣，对不同吹气位置及吹气流量下钢液裸露面积进行了 比 较。 结 果 表 明，双 孔夹角１８０°、吹气孔位于各自半径０．６Ｒ圆周上（吹气孔１１和１５）时混匀时间短 且 钢 液 裸 露 面 积 小，同 时 对包壁冲刷更小。钢包改造后工业试用表明，通过优 化 钢 包 透 气 砖 位 置 及 钙 处 理 后 钢 液 软 吹 氩 流 量 及 时间，钢液钙处理增氧质量分数降低２８×１０－６，降 幅 达７８ ％；钢 液 出 ＬＦ 全 氧 质 量 分 数 降 低 ３４×１０－６， 降幅为４５ ％，全氧含量控制水平明显提高。 关 键 词 ：底 吹 氩 ；透 气 砖 ；水 模 型 ；全 氧 ；软 吹 氩 中 图 分 类 号 ：ＴＦ７６９ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００２－１０４３（２０１４）０６－００１０－０４
图 １ 钢 包 底 部 吹 气 孔 布 置 图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｄｌｅ ｂｏｔｔｏｍ ｂｌｏｗｉｎｇ ａｉｒ ｈｏｌｅ
利用水模型研究了不同钢包底吹氩位置在不 同 吹 氩 流 量 下 对 钢 液 混 匀 时 间 及 渣／钢 卷 混 的 影 响。应用相似原 理 建 立 了 １∶４的 模 型，保 证 几 何 相 似 及 动 力 学 相 似 ，具 体 尺 寸 如 表 １ 所 示 。
· １ １ ·
１ 水 模 试 验 原 理 及 方 法
图１为水模型试验的钢包底部吹气孔布置， 吹气孔 位 置 编 号 １，５，９，１３ 距 圆 心 距 离 为０．２Ｒ， 编号 ２，６，１０，１４ 距 圆 心 距 离 为０．４Ｒ，编 号 ３，７， １１，１５距圆心距离为０．６Ｒ，编 号 ４，８，１２，１６ 距 圆 心距离为０．８Ｒ。 该 厂 原 底 吹 氩 位 置 为 距 离 钢 包 中 心０．２Ｒ处 （图 １ 中 吹 气 孔 ５ 和 ９）。 由 于 原 位 置 距离包壁较远，氩 气 泡 对 包 壁 附 近 钢 液 中 夹 杂 物 去除效果较差。为了充分利用氩气泡对夹杂物去 除 的 作 用 ，进 行 了 水 模 型 研 究 ，以 找 到 最 佳 透 气 砖 位置布置。
钢包吹氩精炼过程钢水流动与混合行为的研究
现象主要通过求解湍流 Ｎ ｖ ｒ ｔ ｅ 方程和温度、 ａｉ－ ｏ ｓ ｅＳ ｋ 化学组分等在对流～湍流扩散形式下的守恒方程来 实现 ， 中吹氩搅 拌过程 钢水 运 动 的驱 动力 主要来 自吹人 气体 的浮 力 ， 使得运 动 的钢 水具 有两 相 流的 其 这
特征 。由于 准单相 （ 密度单 相模 型 ） 相 对简 单 和有效 ， 变 】 故被 本 文所 采用 。
，
＝ Ｃ． ｅ ｏ ／ ｋ
其中 ： （） 式 ２ 中的 表示流体受到的外界质量力 ； （） ６ 所示为标准 ｋ 双方程湍流模型Ｌ ； 、 分 式 ３ 一（ ） － ｅ ９ Ｐｅ
别为 流体 密度和 层 流粘 度 。
１ ２ 气 泡浮 力 的模 化 ‘ ．
根据 钢包 吹气搅 拌 的动 力特 点 ， （） 式 ２ 中的两 个水 平方 向动 量方 程 中 的源项
Ｖ０． ０Ｎｏ ６ １３ ．
Ｄｅ ． ２ ０ ｃ ，０ ７
钢 包 吹 氩 精 炼 过 程 钢 水 流 动 与 混 合 行 为 的研 究
王 阳 赵 连 刚 ２ ，
（ ． 钢职工 大学 ， 宁 鞍 山 １４ ３ ； ． １鞍 辽 １ ０ ２ ２ 辽宁科技大学 科技处 ， 辽宁 鞍 山 １ ４ ５ ） １０ １
吹气 条件 下 的速度 场 和湍 流特性 做 了定 量描 述 ， 探 讨 了钢 包几 何 形状 和 操 作 参数 与 湍流 流 动特 性 之 并 间 的关 系。 吹气搅 拌过程 中钢水 温度 和成 分 的均 匀化 ， 也是 同时 颇受 重视 的研 究 方 向 ， 多研究 者通 过 许
实验测量 和数学模型仿真 ， Ｊ希望能对这些混匀过 加以准确地了解和描述。
１ １ 三维湍流流动的数学模化 ． 当吹入气体流量保持不变时 ， 钢包 内钢水的流动状态会很快趋于稳定并长时间地保持下去。描述
钢包底吹氩模拟研究进展
钢包底吹氩模拟研究进展材冶2010.2班 102080602119顾宪宇钢包底吹氩模拟研究进展顾宪宇（辽宁科技大学，研究生院，材冶2010.2班，102080602119）摘要本文介绍了，钢包底吹氩的原理、钢包底吹氩存在的问题及影响因素以及提高低吹成功率的改进措施。
并且简略介绍了两种水模方法：⑴.钢包底吹氩水模实验研究，其结论为：示踪剂偏向中心位置加入，混匀时间较短；对于同样的底部送气量，两块透气砖对称分布在同一直径上时，混匀时间较短；混匀时间随气体流量的增大而减少；⑵.钢包底吹氩性能优化水模型实验。
关键词钢包底吹氩水模混匀时间Progress of Simulation Studies of Argon Blowing from Bottom of LadleGu Xianyu(University of Science and Technology LiaoNing,Graduate school, Materials and metallurgy2010.2,102080602119 )Abstract This paper introduces the principle of Argon Blowing from Bottom of Ladle,the existing questions of Argon Blowing from Bottom of Ladle and factors of influences.It also contains the improved measures to increase the success rates.And it introduces two kinds of water mould briefly: ⑴.The research of the experimental water mould,the conclusion is that tracer is turned to the center position.The time of blending is much shorter.To the same as the number of gases of blowing from bottom.The two rent bricks are distributed into the same diameter symmetrically.The time of blending ismuch shorter; With the number of blowing gases increasing,the time of blending id reducing.⑵.The experimented water mould of performance optimization of argon blowing from bottom of ladle.Key words ladle,argon blowing from bottom,water mould,time of blending钢包吹氩是目前国内外采用最广泛的一种炉外精炼方法，目前我国的转炉配连铸的车间，一般都配有钢包吹氩设施。
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钢包底吹氩工艺中透气元件不同布置方式以及不同吹气量对钢液混匀时间的影响。同时用数值模拟的方 法 , 对钢包内流场进行计算, 探讨各种情况下钢包内流场变化 , 提出最佳底吹气搅拌位置及吹氩制度。 关键词 : 吹氩 ; 混匀时间 ; 搅拌 ; 数值模拟 中图分类号 : T F769 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 1043( 2005 ) 06 - 0033 -4
[ 参 考 文 献]
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 张 鉴 . 炉外精炼的理论与实践[ M ] . 北京 : 冶金工业出 版
3 3
喷嘴布置方式的不同, 搅拌效果也不相同。 比较 3 种喷咀位置布置钢包中湍动能可以发现, 喷嘴距离中心0 . 70R 布置时 , 低速弱流区范围小, 搅拌效果最佳, 如图 8 。产生以上结果原因在于, 当两喷嘴间距越近 , 搅拌过程中两气柱相邻流股 的干扰和抵消作用大, 流动能量损失越多 , 相反, 随着两喷嘴距离增大 , 流动能量损失越小, 死区也 越小。
实验方案
在钢包底部沿直径方向选择了 3 个不同位置
安装喷嘴 , 喷嘴到底部中心间距 L 分别为 0. 40R 、 0. 55 R 、 0. 70R 。实验中采用了 3 种方式进行吹气 搅拌 ( 如图 2 ) , 分别为单孔喷吹、 双孔喷吹两喷嘴 通过包底中心时夹角为 90 和 180 。改变送入气 量的大小 , 测出混匀时间 , 挑选最佳的喷嘴布置方 式及气量。
Water Model and Numerical Simulation on Argon Blowing from Bottom of Ladle
XIN G Wei, SH EN Qiao - zhen, WANG Xiao - ho ng , ZH U Bi lian, L U O Chun - sheng ( H ubei Ironmaking and St eelm aking Key L aborat ory ( Wuhan Universit y o f Science and T echnolo gy, Wuhan 430081, China) Abstract: A wat er model for 130t ladle has been established and t he mixing time of the molten steel in the ladle measured by conductivity method. The effects of different arrangement of permeable ele ments and different gas blowing rate on the mixing time of the molten steel in t he process of ladle bottom argon blowing have been discussed. In the meanwhile the flow field inside t he ladle is numer ically simulated and the changes of the flow field in the ladle in different conditions are investigat ed and t he optimal bottom argon blowing positions and argon bubbling patterns determined. Key words: arg on blow ing; mix ing t im e; stirr ing; num er ical simulat ion 钢包底吹氩搅拌技术是一种经济适用且简单 易行的精炼方法 , 能有效的均匀钢水温度和成分, 去除有害气体和夹杂物 , 改善钢液质量而得到广 泛的应用。 在应用钢包底吹氩技术进行精炼时 , 要涉及 到钢包底部喷嘴位置、喷嘴数目以及喷吹流量的 选取和设定。但在实际生产操作中, 往往存在因 供气量过小使搅拌不理想 , 供气量过大而造成钢 液表面覆盖的渣卷入钢液内部, 造成对钢液的污 染; 喷嘴位置不佳 , 钢液成分和温度不均匀等问 题。文中对国内某钢厂 130 t 钢包精炼的现有技 术条件进行了水力模型实验和数学模型计算, 针 对现场实际情况 , 确定合理的底吹氩制度
卷渣现象的测定1. 2 Nhomakorabea实验方法
通过优化吹气量以及喷嘴的布置, 达到提高钢
用混合油模拟顶渣, 通过吹入不同量搅拌气 体, 观察油层和水层的卷混情况, 用高速摄像仪记 录下来, 转入电脑中进行分析 , 找出卷渣出现的临 界条件, 确定合理的吹气量。
包搅拌能的功效。但实验中, 直接测量搅拌能较为 困难。据文献报道, 混匀时间与搅拌能力的关系[ 3] :
3
、l 为气体和液体
的密度, kg/ m ; H 为熔池深度 , m 。 特征速度 v 可由下式给出 : v= 4Q d2
3
。 有效直径 , m;
( 2)
1 物理模型实验 1. 1 实验原理
根据相似理论 , 除保证模型与原型几何相似
作者简介 : 幸
式中 , Q 为气体流量 , m / h; d 为底吹透气砖 Fr 式中, Fr
采用方式 3, 180 对称分布, 考虑到双喷嘴之 间距离的影响因素, 取 3 个不同位置 , 分别为两 喷嘴离中心0. 40R 、 0. 55 R 、 0. 70 R 处, 建立数学模 型进行计算。
2. 2
图5 双喷嘴夹角 180 供气量与混匀时间关系
数学模型的建立及求解
钢包吹气搅拌过程是 1 个气液两相流 , 本模
2. 3
计算结果及分析
由计算结果液体的流动特征可以看出, 如图 7, 采用底吹氩的钢包内, 气体由底部的喷孔喷出, 在钢包中产生气泡, 气泡受到液体的浮力而上浮, 带动液体也产生向上的流动, 处于喷嘴正上方的 液体形成强烈的向上流股。当气液两相区形成的 上升流达到熔池液面后, 气体溢出熔池 , 而到达液 面的钢水将被驱动流向四周, 然后向下流动 , 最后 又被中心上升流抽引 , 从而形成循环流动。 由于喷嘴布置方式的差异, 液体流动的基本 特征相似 , 但钢包内形成的循环流动的回流有较 大的差别。因为随着 2 个喷嘴之间距离的改变, 引起流体的 对撞 大小不同。 ( 1) 当喷嘴位置为 0 . 40 R 时, 液体的两个强 流股因距离较近, 产生对撞较大, 撞击到包壁后改 变方向, 而在垂直方向形成在包壁与喷嘴之间向 下的回流区。 ( 2) 喷嘴位置为0. 55R 时 , 2 个强流股间距增 大, 形成在包壁与喷嘴之间向下及喷嘴 之间的 2 个回流区。 ( 3) 当喷嘴位置为 0. 70 R 时, 2 个强流股间距 最大 , 对撞最小 , 回流区介于两喷嘴之间。
0. 40R 0. 55R 0. 70R
图7
双喷嘴模式下液体流动特征
以用来预测不同工艺条件下钢包流场。 ( 2) 随着底吹气体流量增大, 液体混匀时间缩 短, 搅拌功率增大。实际生产中供气量应控制在 50m / h( 对应模型量为 0. 7m / h) 以内 , 以免出现 卷渣。 ( 3) 对于该厂实际条件 , 相同吹气量下 , 双透 气砖吹氩要比单透气砖吹氩效果好。 ( 4) 采用双喷嘴喷吹时, 混匀时间随双喷嘴距 离逐渐增 大而减 小, 双喷嘴 通过中 心的 夹角为 180 , 0. 70R 布置时为最佳方案。
- 0. 4
= / 800
3
( 5)
1. 5 1. 5. 1
实验结果分析 供气量对混匀时间的影响
选择如图 2 所示的 3 种不同喷吹方式 , 喷嘴
式中 , 为平均单位搅拌能 , W/ m ; 为混均 时间 , s。 因此 , 可用混匀时间来判定钢液的搅拌能力, 混匀时间越短 , 钢液搅拌能力越强。实验中以水 模拟钢液, 压缩空气模拟氩气 , 油模拟渣, 用电导 法测量钢液的混匀时间。实验装置如图 1 。
[ 1]
外, 对于钢包底吹氩系统来说 , 引起体系内流动的 动力主要是气泡浮力而不是湍流的粘性力 , 因此 保证模型与原形的修正弗鲁德准数相等 , 就能保 证它们的动力相似, 根据这一原则 , 可以确定模型 中吹气量的范围 。 Fr =
g l [ 2]
v
2
g H
g
( 1)
式中 , Fr 为修正弗鲁德准数 ; v 为特征速度, m/ s; g 为重力加速度, m/ s2 ;
拟采用欧拉两相模型 , 将两相区内气体和钢液都 处理为连续相 , 在柱坐标系下 , 建立模型并解析两 相各自的连续方程和动量守恒方程。湍流方程采 用k - 双方程模型。两相 流模型, 采用 Spalding 提出的 IPSA ( Int er - Phase - Slip Alg orit hm ) 法[ 4] , 用英国 CH AM 公司的商业软件 P H OEN ICS 软 件进行计算, 显示实验条件下的流场特性。
图3 单喷嘴供气量与混匀 时间关系
图2
喷嘴的不同布置方式
1. 4 1. 4. 1
测量方法 混匀时间的测定
图4 双喷嘴夹角 90 供气量与混匀时间关系
实验中, 将模型中注入水 , 达到要求的液面高 度。打开空压机 , 通过调整流量计来控制吹气量。
第6期
幸
伟 , 等: 钢包底吹氩过程数学物理模拟研究
35
水界面在吹气部位出现向上突起, 气体通过油层 进入大气。当吹气量增大时 , 气体会将油层吹成 近似圆形的裸露区。如果吹气量进一步增大 , 就 会出现油层破碎 , 油滴卷入水中的现象。对于本 实验 , 当底吹流量达到 0. 7 m / h 时, 吹气部位上 方开始出现卷渣。
3
2 数值模拟 2. 1 模拟计算条件
3
炼
钢
第 21 卷
待模型中流动稳定后 , 将定量的 KCl 溶液加至模 型中。用电导率仪测量模型中水的电导率变化, ( 4) 并用函数记录仪记录其变化曲线, 计算混匀时间, 找出最佳的供气位置。