底吹钢包水模型示踪剂传输过程数值模拟

发布时间：2020-09-14 11:15

　　底吹氩钢包内所有的物理化学反应均是在钢液的流动过程中完成,改善钢包内的流场对提高钢液纯净度、去除夹杂物、均匀化学成分和温度等有重要作用。本课题以实际炼钢过程中的130 t钢包的几何参数为基础,运用相似原理以1:5的比例建立的水模型为建模原型,运用STAR-CCM+模拟软件对水模型中的流场和混匀时间进行分析。以往学者用水模型研究吹气流量、喷嘴直径等因素对混匀时间的影响时,并没有关注加入的示踪剂对混合流场的影响。针对此情况,本次模拟分别运用VOF模型和欧拉-欧拉模型研究了被动标量(没有物理属性的虚拟示踪剂)、KCl溶液示踪剂和纯水示踪剂(与水模型中液相同属性)在水模型中的流场分布和混匀时间的影响,分析示踪剂的密度和加入量对流场的影响,进一步探讨示踪剂在水模型中的“蝴蝶效应”机理。研究结果概括如下:1)在VOF模型中,密度大于水的示踪剂(KCl溶液)沿水模型偏心侧壁面向水模型底部的向下传输速度较快,由于偏心侧底部“死区”的存在,KCl溶液在偏心侧底部向远离偏心侧的向上传输速度较慢,随后上升到顶部混合的KCl溶液向下传输速度较快。2)在欧拉-欧拉多相流模型中,示踪剂在水模型中的主循环的传输过程为:示踪剂加入后运动至远离偏心侧区域,随后沿其壁面向下运动至底部,并在底部分别运动至气柱附近和偏心侧区域的底部,运动至气柱附近的示踪剂随气柱上升至上表面,而运动至偏心侧底部的示踪剂,沿偏心侧壁面运动至偏心侧上部1/3处的小循环流附近,在小循环流中循环流动至气柱附近,沿气柱运动至上表面,在水模型中循环运动,扩散混合。3)示踪剂在水模型中的“蝴蝶效应”机理如下:当KCl溶液示踪剂的加入量由20 mL增加到100 mL时,其在水模型中的传输速度较快,示踪剂在水模型中较快达到混匀;但当加入150 mL的KCl溶液示踪剂时,相对于加入的100 mL的KCl溶液示踪剂,其混匀时间有所增加,这是由于偏心侧底部“不活跃区”的存在影响了示踪剂在水模型中的混匀过程。4)针对本研究的底吹钢包水模型(底部直径、顶部直径、液面高度分别为0.538 m、0.585 m、0.6 m),既能监测示踪剂在水模型中的传输过程,又不干扰流场的合理的示踪剂加入数量为20 mL的饱和KCl溶液,其示踪剂与水的体积比为0.134×10~(-3)。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TF341.6
【部分图文】：

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低钢中杂质元素和夹杂物水平的同时，提高的绿色生产。目前企业主要采用了高炉→铁生产洁净钢。其中，铁水预处理与钢液二次精纯净钢的生产成为可能[1]。精炼[2]，就是将去除杂质（气体、有害元素钢炉（转炉或电炉）中需要完成的精炼任务行[3]。LF 钢包精炼炉（如图 1-1 所示）是二钢种，并且在生产中可视质量控制的需要，比。LF 钢包精炼炉精炼是在大气压力下用电料，在高温下与钢液中的氧反应生成 CO，性气氛。钢包底部安装了透气砖，可以对钢均匀，同时促进钢液中非金属夹杂物的上浮钨等有价值的合金元素有重要作用[4]。为了界学者对吹氩流量的大小、透气砖的布置方

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和作用内外广泛采用的一种经济适用且操作简单现性差等弊端，目前钢包吹氩一般采用部一定位置的（耐火材料）透气砖向钢液的。底吹氩在钢液精炼过程中所起的主要和温度。钢包底氩使钢包中的钢液形成液的搅拌强度、流场和温度场的分布，均杂物。底吹氩气搅拌钢液，增加了钢中能够吸收钢中的气体，促进[H]和[N]的脱，并把其带至钢/渣界面被渣层吸收。应。扩大钢渣和金属反应界面，加速反应精炼粉剂喷入钢液。如果氩气流中携带细化晶粒等有重要作用。

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图 1-3 水力学物理模型示意图[6]Fig.1-3 Diagram of hydraulic physical model理论吹氩精炼过程中，钢液流动的驱动力为气泡浮力而不是湍流粘性力论基础建立水力学模型时，应确保模型和原型系统的几何相似、动型与原型的修正佛鲁德准数相等[7]：gHUFrlg 2 2U 4Q / d22 .4 60 Mg ： Fr 为修正的弗鲁德准数；U 为气体的特征速度；g 、l 分别表；g 为重力加速度；H 为熔池高度；Q 为吹气量；d 为透气砖直径；

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