钢包精炼过程的多相流传输行为及反应动力学研究

发布时间：2020-09-25 07:18

　　随着市场对钢材质量和成本要求越来越严格,高效率、低成本的洁净钢生产已成为了当今世界钢铁发展的一个重要趋势。由于夹杂物对钢材质量危害极大,洁净钢生产的一个主要任务就是去除钢中夹杂物,底吹氩作为最重要的去除夹杂物手段现已广泛应用于各种炉外精炼过程,如LF、VD、CAS-OB等。但目前为止,国内外还没有真正认识底吹氩行为在夹杂物传输及去除过程的作用机理,其主要体现在两个方面:1)仍不清楚底吹氩所形成的气液两相流行为内在机理,尤其是钢包内气含率分布及底吹引起的钢液湍流运动规律。2)影响底吹氩钢包中夹杂物传输的一些重要现象和机理被忽视,例如,湍流钢液中的夹杂物随机运动、气泡-夹杂物湍流碰撞、气泡尾涡捕捉、钢包渣圈影响,等等。因而,解决这些问题对于掌握底吹氩钢包内夹杂物传输行为规律以及提高夹杂物去除效率至关重要。此外,硫作为钢中主要杂质元素对钢材性能有着多方面的不利影响,也是洁净钢生产的主要脱除或控制元素。目前,(超)低硫钢的生产,主要依靠铁水预处理和钢包二次脱硫工艺联合实现,而这些工艺均存在流程长、灵活性差、脱硫效率低等诸多缺陷。最近,东北大学自主研发了新一代钢包底喷粉脱硫L-BPI(Ladle-Bottom Powder Injection)技术,该技术在克服传统脱硫工艺缺陷的同时,还起到了缩短生产流程,提高生产效率,降低成本的作用,对钢铁工业的节能减排也有着重大影响。L-BPI工艺成功工业化的关键在于其效果与效率,为此需要对钢包底喷粉精炼动力学等方面开展研究工作,但目前国内外对底吹钢包渣-金反应脱硫动力学的研究尚且不够成熟,对于钢包底喷粉新技术反应脱硫动力学研究更属于空白阶段。针对上述问题,本文的研究内容和创新性成果如下:(1)底吹氩钢包内气液两相流行为研究。本文在欧拉模型中首次综合考虑了钢包内液体脉动造成的气泡扩散现象,以及气泡上浮诱导所产生的液体湍流现象;考察了气液相间曳力、升力、虚拟质量力对气液两相流的影响,合理确定了模型参数。解决了底吹钢包内气液两相流行为理论描述的关键问题。(2)底吹氩钢包内夹杂物传输和去除行为研究。本文首次考虑了夹杂物随机运动、气泡-夹杂物湍流碰撞、气泡尾涡捕捉以及渣圈影响等一些重要现象,并提出了相关机理模型,考察了湍流旋涡剪切速率、夹杂物随机运动和斯托克斯上浮速率对夹杂物聚合长大的影响规律,同时考察了气泡-夹杂物随机碰撞、气泡-夹杂物剪切碰撞、气泡-夹杂物浮力碰撞、夹杂物自身上浮、气泡尾涡捕捉、壁面吸附及渣圈行为对夹杂物去除的影响规律。揭示了上述各个机制在夹杂物传输行为中的作用和贡献。研究发现:①在低气流量下,夹杂颗粒聚合主要依赖于夹杂物湍流剪切碰撞和斯托克斯浮力碰撞共同作用,其中斯托克斯浮力碰撞为主导机制。随着喷气流量的增加,夹杂物湍流剪切碰撞逐渐成为主导机制。而当喷气速率超过100NL/min时,夹杂物湍流随机碰撞对夹杂物聚合长大作用增强。②在吹气搅拌初期,夹杂物去除主要是由气泡尾涡捕捉和气泡-夹杂物浮力碰撞起主导作用。在吹气搅拌中期和后期,气泡-夹杂物湍流随机碰撞作用增强,并成为夹杂物去除的主导方式。③双孔底吹的夹杂物去除效果最好,单孔偏心底吹夹杂物去除效果最差。随着喷气流量的增加,夹杂物去除率逐渐增加,但当喷气量超过300NL/min时,去除率变化较小。(3)底吹氩钢包内渣-金反应和脱硫行为研究。首先在热力学方面,考察了不同机理模型以确定合理的硫容量和界面氧活度模型。然后在动力学方面,首次建立了 CFD-SRM耦合模型综合考虑了钢包内气液两相流和渣圈中氧气吸收及氧化反应等因素对渣-金反应的影响,并通过与实测数据对比,合理确定了热力学和动力学模型参数。在此基础上研究揭示了钢液成分、顶渣成分及底吹模式等因素对渣-金反应及脱硫效率的影响规律,结果表明:①本文所建立的CFD-SRM耦合模型可以准确预测底吹钢包内的渣-金反应和脱硫行为。相比于仅考虑渣-金界面的(Al2O3)-[O]平衡或(FeO)-[O]平衡,(Al2O3)-(FeO)-(SiO2)-(MnO)-[S]-[O]同时反应平衡模型(SRM)能够更准确的描述渣-金之间的脱硫热力学。当不考虑渣圈内的氧气吸收和氧化反应时,脱硫效率将被过高估计。②随着钢液中[Al]和[Si]浓度增加,钢液脱硫效率增加。但当[Al]浓度超过0.01%,[Si]浓度超过0.5%时,脱硫效率增长缓慢。随着渣中(Al2O3)浓度的降低,脱硫效率快速增大,但当(Al2O3)低于23%时,脱硫效率增加缓慢。随着渣中(SiO2)和(MnO)浓度的增加,脱硫速率迅速降低。③钢包双底吹比单底喷吹的脱硫效率更大。随着渣厚比的增加,脱硫效率增加,但当渣厚比超过0.04时,脱硫效率变化很小。随着底吹流量的增加,脱硫效率先增大后减小,当底吹流量为200NL/min时,脱硫效率最大。(4)钢包底喷粉新工艺精炼动力学研究。本文首次提出了底喷粉过程中顶渣-钢液、空气-钢液、粉剂-钢液、气泡-钢液多界面同时反应模型,首次考虑了气液两相流、粉剂传输以脱硫产物饱和对精炼反应动力学的影响,考察了喷粉参数对粉剂传输和脱硫效率的影响,并揭示了各传输和反应机制的贡献和影响。研究发现:①在低喷粉量时,钢液脱硫主要依赖于粉剂-钢液和顶渣-钢液反应共同作用,其中顶渣-钢液反应为主导机制。当喷粉量超过0.75kg/t时,粉剂-钢液反应成为主导机制,当喷粉量大于2.25kg/t时,气泡-钢液反应脱硫作用增强,并超过顶渣-钢液贡献。②去除脱硫产物夹杂的关键在于鼓泡流区域内的气泡-粉剂间的碰撞粘附作用,气泡尾涡捕捉作用次之,而粉剂自身上浮去除机制的贡献最小。③随着喷气量的增加,钢液脱硫效率和粉剂夹杂去除效率降低;随着喷粉量的增大,钢液脱硫效率和粉剂去除效率增大,当喷粉量为600NL/min,喷粉量由0.75kg/t增大到3kg/t时,脱硫率由51.9%增加到82.5%,粉剂夹杂去除率由46.8%增大到55.1%。粉剂中(Al2O3)含量对脱硫效率有明显影响,在1.5kg/t喷粉量时,随着粉剂中(Al2O3)含量由30.0%降到1.0%,钢液脱硫率由59.8%增大到85.8%。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF703.5
【部分图文】：

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钢液间热交换和传质过程可以在粉料或反应产物上浮至熔池界面在熔池深部完成。这就大大增加喷吹粉剂与熔池组元反应速度，并续供料与控制供料。连续供料可以均衡冶金反应，提高精炼效果液中的反应，从而可以改变钢中夹杂物的组成和形态。可以经济有切削钢和抗氢诱发裂纹钢，避免铝镇静钢在浇注时产生堵塞水口决了活性元素加入问题。对于密度明显大于或小于钢液密度的合下蒸气压很高的元素，以及放散有害蒸气的元素，用传统加料方一些如钙（沸点１４８９°Ｃ，邋１６００°Ｃ下蒸气压０．０２０ＭＰａ）、镁（沸点压２．５３３ＭＰａ）等蒸气压很高的元素可依靠喷射冶金方法加入。逡逑应在熔池被强烈搅动下进行。精炼过程钢液被强烈搅拌，粉剂迅有良好动力学条件。逡逑喷粉存在问题逡逑

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图１．３钢包底喷粉精炼新工艺示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｎｅｗ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｌａｄｌｅ邋ｂｏｔｔｏｍ邋ｐｏｗｄｅｒ邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ逡逑２００５年，东北大学的朱苗勇［１４］首次提出钢包底喷粉精炼新工艺技术，如图１．３所示，逡逑它是通过安装在钢包底部的狭缝型喷粉元件喷吹精炼粉剂或合金化粉剂的精炼新工艺，逡逑即新一代钢包喷射冶金工艺技术Ｌ－ＢＨ邋（Ｌａｄｌｅ－Ｂｏｔｔｏｍ邋Ｐｏｗｄｅｒ邋Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）。这项新工艺逡逑可以克服上述传统顶部喷粉工艺存在的缺陷，并还主要具有以下优点：逡逑（１）

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湍流钢液中的夹杂物随机运动、气泡－夹杂物湍流碰撞、气泡尾涡捕捉、钢包等等。因而，解决这些问题对于掌握底吹钢包内夹杂物传输行为规律和提高夹效率至关重要。逡逑外，硫作为钢中主要杂质元素对钢材性能有着多方面的不利影响，也是洁净钢要脱除或控制元素。目前，（超）低硫钢的生产，主要依靠铁水预处理和钢包工艺联合实现，而这些工艺均存在流程长、灵活性差、脱硫效率低等诸多缺陷。逡逑东北大学自主研发了具有我国自主知识产权的新一代钢包底喷粉脱硫Ｌ－ＢＰＩｌｅ－Ｂｏｔｔｏｍ邋Ｐｏｗｄｅｒ邋Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）技术，该技术在克服传统脱硫工艺缺陷的同时，还短生产流程，提高生产效率，降低成本的作用，对钢铁工业的节能减排有着重Ｌ－ＢＰＩ工艺成功工业化的关键在于其效果与效率，为此需要对钢包底喷粉精炼方面开展研宄工作，但目前国内外对底吹钢包渣－金反应脱硫的研宄尚且不够于底喷粉新技术反应动力学的研究更属于空白阶段。逡逑对上述问题，本文开展了如下研宄：逡逑

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