精炼钢包底喷粉元件内钢液渗透与粉气流输送行为研究

发布时间：2020-04-13 14:01

【摘要】：钢包底喷粉精炼(L-BPI)是由东北大学研究开发的一种全新的炉外精炼工艺,其应用将会对洁净钢生产流程的变革产生重要影响。本文运用实验研究、数值模拟与现场实验相结合的研究方法,对涉及此新精炼工艺的底喷粉元件开展深入研究,揭示了钢包底喷粉元件内钢液渗透机理和粉气流输送规律,提出了底喷粉元件的设计理论,研制了抗磨损和耐高温侵蚀的喷粉元件,为解决钢包底喷粉的钢液渗透(安全性)、粉气流喷吹(稳定性)、喷吹元件使用寿命(可靠性)等难点奠定了重要的理论与应用基础。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)钢包底喷粉元件抗钢液渗透性能研究。针对钢包底喷粉精炼新工艺钢液渗透的问题,从理论上建立了描述不同熔池深度下缝隙安全宽度的模型(综合考虑缝隙形状、界面接触、耐火材料表面粗糙度及表面宏观形貌等因素的影响)和描述钢液向喷粉元件缝隙渗透过程的数学模型,获得了钢液渗透速度与渗透深度随时间的变化规律;提出了通过测量缝隙间电信号来检测渗透过程的方法,并研制了相应的实验装置,验证了提出的渗透模型。研究结果表明:本文提出的渗透模型能准确预测不同熔池深度下的缝隙安全宽度;渗透发生时,钢液迅速渗入喷粉元件缝隙,之后渗透深度几乎不再发生变化;耐火材料成分、透气砖表面、缝隙宽度等不均匀性会诱发不稳定渗透,严格控制耐火材料成分、透气砖表面形貌、缝隙尺寸可以有效的防止渗透发生。(2)钢包底喷粉元件内粉气流行为研究。在粉粒运动特性研究的基础上,采用欧拉模型研究了喷粉元件气固两相流行为,综合考察了相间作用力及壁面模型对两相流行为的影响,合理确定了模型参数,解决了 CFD模型预测喷粉元件内气固两相流行为的难题。研究结果表明:粉粒运动轨迹并不是一条沿气流运动方向的直线,粉粒在垂直气流运动方向上会产生位移,粉粒直径、密度及初速度都影响其运动行为,选取粒径、密度小的粉粒,增大粉粒的初速度,均有利于提高粉粒喷吹的稳定性;喷吹过程中,蓄气室内主流股两侧形成明显的速度回旋区,且回旋区中心粉剂浓度较低;喷粉元件内两相流呈现明显瞬变性、不对称性和不规则性;蓄气室锥角、载气量及体积载率对两相流行为有着显著影响,蓄气室锥角过低或过高易导致缝隙内偏流流动现象发生;而过高载气量不能有效提高缝隙内粉剂浓度,反而易导致蓄气室底部粉剂堆积;过高体积载率易造成喷吹堵塞,入口体积载率应控制在15%以下。(3)缝隙内粉粒-粗糙壁面碰撞过程研究。针对壁面碰撞主导的两相流模拟过程中粉粒相附壁面运动的难题,采用均匀分布粉粒检验的方法,构造了壁面粗糙角概率分布函数,同时根据粉粒实际反弹角细化了粉粒-粗糙壁面的碰撞过程,建立了描述粉粒-粗糙壁面碰撞过程的粉粒历史影响模型,结合坐标旋转法给出了相应的算法,并根据实验数据确定了模型参数。研究结果表明:该模型准确预测了粗糙壁面上粉粒反弹角的概率分布,壁面粗糙度对两相流输送行为的影响随入射角增大而逐渐减小;粗糙壁面增加了粉粒壁面碰撞的频率,导致粉粒输送动能降低,脉动速度增加,促使粉剂颗粒在底喷粉元件缝隙内均匀分布。(4)钢包底喷粉元件及配套弯管磨损行为研究。首次考虑了磨损形貌对气固两相流行为和壁面磨损行为的影响,通过引入特征角和波动项等概念,建立了描述粉粒-磨损壁面碰撞过程的壁面磨损包影响模型;结合壁面磨损模型,建立了 CFD-WPEM耦合模型,采用弯管磨损数据对模型进行了验证,发现该模型准确的预测了磨损位置和磨损深度。研究结果表明:喷粉元件近入口位置缝隙壁面上存在典型的磨损带,沿流动方向磨损带变宽且向点状磨损发展,下游壁面以点状磨损为主;增大载气流速度、粉剂质量载率将导致缝隙磨损程度增加,喷粉元件寿命缩短;宽的缝隙能明显降低缝隙磨损程度,但缝隙宽度过大会导致钢液渗透。(5)钢包底喷粉元件的实验研究。喷粉元件配合自主设计的底喷粉系统进行了冷喷实验,喷吹效果良好,全程无粉剂堵塞现象发生,且气量易于调节,喷粉量连续可控;在1.5t感应炉上进行了高温实验,连续稳定将4.5kg精炼粉剂喷入感应炉,取得较好的精炼效果;对服役后喷粉元件分析发现,实验过程中喷粉元件无钢液渗透、无粉剂堵塞现象发生,喷粉元件材质抗渣、钢侵蚀性能良好,能满足钢包底喷粉精炼的实际要求。
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东北大学博士学位论文逦第１章绪论逡逑管该洁净钢生产流程较传统洁净钢生产流程在稳定生产、提高生产率、降低成本等方面逡逑有了明显提高，但生产流程长、效率低、能耗高、企业三废排放量大是不争的事实。因逡逑此，建设和优化新一代高效率、低成本洁净钢生产平台是当前钢铁企业广泛关注的问题。逡逑

喷粉精炼,钢包,喷粉,喷射冶金

存在的问题。正是基于这条思路，近年来东北大学朱苗勇教授［２（）］提出了采用狭缝式透气逡逑砖进行钢包底喷粉精炼的新一代钢包喷射冶金工艺技术Ｌ－ＢＰＩ邋（Ｌａｄｌｅ－Ｂｏｔｔｏｍ邋Ｐｏｗｄｅｒ逡逑Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）并申请了专利，如图１．４所示，该工艺通过以下步骤来实现的：逡逑（１）
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF769.2

【参考文献】