夹杂物穿越钢渣界面过程运动行为研究

发布时间：2017-08-01 20:17

  本文关键词：夹杂物穿越钢渣界面过程运动行为研究

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【摘要】：钢液中夹杂物的去除对提高钢材质量具有重要意义,作为夹杂物去除的最后一个环节——夹杂物穿越钢渣界面进入渣层,不仅影响着夹杂物的去除效率,而且在某些情况下还会成为夹杂物去除的限制环节。 本文针对“夹杂物穿越钢渣界面进入渣层”这一环节展开研究,基于夹杂物在钢液中、钢渣界面以及钢渣中的运动和受力分析,成功建立了新的夹杂物界面运动数学模型,并通过物理模拟实验验证了模型的合理性和正确性。该模型将以往数学模型的雷诺数适用范围由0Re1扩大为Re0,同时将夹杂物的运动区域由钢渣界面扩大为包含钢液、钢渣界面以及钢渣在内的连续区域,有效补充和完善了夹杂物界面运动数学模型。 利用本文数学模型,系统研究了各个因素(夹杂物特性、钢液特性、钢渣特性和界面特性)对夹杂物穿越钢渣界面运动行为的影响。研究表明：夹杂物穿越钢渣界面的能力,因夹杂物粒径、夹杂物密度、夹杂物润湿性增加而增加,因钢渣粘度、钢渣界面张力增加而减小,随着钢液密度、钢液粘度和钢渣密度的增加几乎不变。基于本文的钢液、钢渣和夹杂物特性,夹杂物穿越钢渣界面的临界粒径为236μm,小于该粒径的夹杂物无法穿越钢渣界面,最终停留在钢渣界面R(1+cosθ)的位置。 根据本文建立的夹杂物界面运动数学模型,利用FLUENT软件实现固体和多相流动的耦合,建立了夹杂物界面运动行为数值模拟模型,观察并分析了夹杂物界面运动轨迹以及钢渣界面波动情况,发现夹杂物穿越钢渣界面的过程对钢渣界面波动影响很大,不可忽略,为以后数学模型的改进提供了研究方向。 为了检验钢渣界面作用对夹杂物去除的影响,以100t RH为研究对象,将PBM模型、夹杂物碰撞模型和本文夹杂物界面运动数学模型相结合,成功建立了夹杂物碰撞长大、上浮运动、穿越钢渣界面全过程的数值模拟模型。研究发现：①钢渣界面作用对RH中夹杂物去除过程的影响比较明显,冶炼600s时,有无钢渣界面作用的夹杂物去除率差值为2.56%,②钢渣界面对小粒径夹杂物的阻碍作用大于大粒径；③最佳驱动气体流量为60Nm3/h,该气体流量下钢渣界面夹杂物最少；④对于粒径为16μm～161.27μm的夹杂物,钢渣界面对夹杂物的阻碍作用因气体流量增加,不断减小,对于其它粒径的夹杂物,钢渣界面对夹杂物的阻碍作用因气体流量增加几乎不变。
【关键词】：夹杂物 钢渣界面 运动行为 数学模型 数值模拟
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF703.54
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-14
• 2 文献综述14-41
• 2.1 钢中夹杂物概述14-20
• 2.1.1 夹杂物种类及特性14-16
• 2.1.2 夹杂物对钢材性能的影响16-19
• 2.1.3 钢铁产品对夹杂物的要求19-20
• 2.2 钢液中夹杂物运动行为20-29
• 2.2.1 夹杂物形成机理21-22
• 2.2.2 夹杂物之间相互作用的运动行为22-25
• 2.2.3 夹杂物和气泡之间作用行为25-29
• 2.3 钢渣界面夹杂物运动行为29-34
• 2.4 夹杂物运动行为的研究现状及展望34-36
• 2.5 选题背景及研究内容36-41
• 2.5.1 选题背景及意义36-38
• 2.5.2 研究内容及思路38-39
• 2.5.3 创新点39-41
• 3 夹杂物穿越钢渣界面运动模型41-73
• 3.1 夹杂物运动状态分析41-46
• 3.1.1 低雷诺数夹杂物运动42-43
• 3.1.2 高雷诺数夹杂物运动43-44
• 3.1.3 中等雷诺数夹杂物运动44-46
• 3.2 钢渣界面夹杂物穿越行为数学模型46-61
• 3.2.1 数学模型假设46
• 3.2.2 夹杂物受力分析46-52
• 3.2.3 夹杂物运动数学模型建立52-59
• 3.2.4 数学模型的数值解法59-61
• 3.3 夹杂物穿越钢渣界面行为物理模型61-67
• 3.3.1 实验原理61-64
• 3.3.2 实验方法及设备64-66
• 3.3.3 实验结果66-67
• 3.4 数学模型对比及验证67-71
• 3.4.1 数学模型结果及验证68-69
• 3.4.2 数学模型对比分析69-71
• 3.5 小结71-73
• 4 夹杂物穿越钢渣界面运动影响因素73-125
• 4.1 夹杂物特性对穿越界面运动行为的影响73-86
• 4.1.1 夹杂物粒径的影响73-80
• 4.1.2 夹杂物密度的影响80-86
• 4.2 钢液特性对夹杂物穿越界面运动行为影响86-96
• 4.2.1 钢液密度的影响86-91
• 4.2.2 钢液粘度的影响91-96
• 4.3 钢渣特性对夹杂物在钢渣界面运动行为影响96-107
• 4.3.1 钢渣密度的影响98-101
• 4.3.2 钢渣粘度的影响101-107
• 4.4 界面特性对夹杂物在钢渣界面运动行为影响107-119
• 4.4.1 钢渣界面张力的影响107-113
• 4.4.2 夹杂物润湿性的影响113-119
• 4.5 各因素影响综合分析119-123
• 4.5.1 各因素影响效果对比119-120
• 4.5.2 夹杂物运动行为和渣成分关系120-123
• 4.6 小结123-125
• 5 夹杂物穿越钢渣界面运动数值模拟研究125-144
• 5.1 FLUENT中流体流动125-126
• 5.1.1 流体流动控制方程125-126
• 5.1.2 钢渣界面跟踪方法126
• 5.2 动网格技术126-129
• 5.2.1 动网格控制方程126-128
• 5.2.2 动网格模型在FLUENT中的兼容性128
• 5.2.3 动网格再生方法128-129
• 5.3 数值模拟模型129-132
• 5.3.1 计算区域129-130
• 5.3.2 网格划分130-131
• 5.3.3 初始条件131
• 5.3.4 边界条件131-132
• 5.4 模拟结果及分析132-143
• 5.4.1 夹杂物界面穿越行为Ⅰ数值模拟结果132-135
• 5.4.2 夹杂物界面穿越行为Ⅱ数值模拟结果135-138
• 5.4.3 夹杂物界面穿越行为Ⅲ数值模拟结果138-140
• 5.4.4 夹杂物界面穿越行为Ⅳ数值模拟结果140-143
• 5.5 小结143-144
• 6 RH中夹杂物运动行为数值模拟研究144-175
• 6.1 流体流动及湍流控制144-145
• 6.2 夹杂物运动模型145-152
• 6.2.1 PBM模型及夹杂物分布145-148
• 6.2.2 夹杂物碰撞模型148-150
• 6.2.3 夹杂物穿越界面控制模型150-152
• 6.3 数值模拟模型建立152-153
• 6.3.1 几何模型152
• 6.3.2 网格划分152-153
• 6.3.3 计算方法及边界条件153
• 6.4 RH流场分布数值模拟结果153-155
• 6.4.1 RH流场分布数值模拟方案153-154
• 6.4.2 驱动气体流量流场对RH流场的影响154-155
• 6.5 夹杂物运动行为数值模拟结果155-170
• 6.5.1 RH中夹杂物分布模拟结果155-161
• 6.5.2 钢渣界面作用对夹杂物分布影响161-163
• 6.5.3 钢渣界面作用对夹杂物去除率的影响163-164
• 6.5.4 驱动气体流量对钢渣界面夹杂物分布的影响164-167
• 6.5.5 驱动气体流量对钢渣界面作用效果的影响167-170
• 6.6 RH中夹杂物分布结果验证170-173
• 6.6.1 实际生产中夹杂物分布变化结果170-172
• 6.6.2 夹杂物分析结果与数值模拟结果对比172-173
• 6.7 小结173-175
• 7 结论175-177
• 8 研究展望177-178
• 参考文献178-187
• 附录A 夹杂物类型及分布结果187-192
• 作者简历及在学研究成果192-197
• 学位论文数据集197

【参考文献】

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本文编号：606010