钢包精炼过程异相传输现象的研究-热能工程专业论文.docxVIP

东北大学04届博士论文摘 东北大学04届博士论文 摘 要 钢包精炼过程是由装置内的钢液及异相成分的流动、传热、传质、化学反应 以及相变等相关现象耦合而形成的。一旦反应系确定后，大量的研究工作就是如 何设定其中的流动和传热传质条件以促进化学反应或其他冶炼过程的完成。在实 际生产中，热流体流动过程起着重要的作用，特别是钢包精炼过程，利用喷气搅 拌或电磁搅拌来驱动钢液做湍流运动以混均温度和成分，去除夹杂物。 本文针对底吹钢包内钢液及异相成分的流动问题，依据弗汝德相似准则，建 立底吹钢包水模型的实验系统。利用激光测速仪测量了中心底吹和偏心底吹情况 下钢包内典型断面上的流速分布，分析了两种工作状态下钢包内的流场状态。发 现偏心喷吹时，主截面流场由中心喷吹时的对称双旋流区改变成单个大旋流结构。 同时，本文发展了底吹钢包内加入合金后的运动过程数学模型。首先应用边界适 体坐标(B F c1技术计算底吹钢包内的三维流场，该计算克服了圆柱坐标系必须在 未知流场内设置内边界的缺点，使流动及运动的合金可顺利跨越圆心轴。、计算了 铁锰合金颗粒在吹氩钢包内的熔化过程和运动轨迹。结果表明，铁锰合金颗粒的 熔化时间长于其在钢液中的浸没时间， 影响颗粒运动行为的两个显著因素是合金 的密度和直径，合金密度与钢液越接近、且颗粒直径越大，越有助于增加颗粒在 钢液中的停留时间；但颗粒直径的增大受熔化时间的限制。 本文还利用水模型实验研究了RH真空脱气系统中气液两相循环流动特征。利 用可视化方法观察了具有不同上升管结构的RH真空脱气装置内流体内溶质的传 输特性。发现多管结构的RH真空脱气装置内溶质传输能力大大优于传统的两管系 统。同时也发展数学模型分析两管和多管真空循环脱气系统的循环流动特征。采 用空间变密度的均相流模型模拟上升管中的气液两相流动。使用纯液相和气液两 相之间的密度差作为系统中循环流动的驱动力。上升管中的气相体积分率是通过 移植和修正喷气搅拌钢包含气率模型获得。利用空洞技术处理包括钢包．真空 室．上升管和下降管在内的复杂几何系统的流场计算。使用本模型对两管和多管 东北大学04届博士论文 东北大学04届博士论文 摘要 真空循环脱气系统在喷气量5～3 5 1／min情况下执行了数值模拟。计算的下降管 出口处的速度分布与文献中的测量值很接近。分析计算结果发现多管系统中的速 度倾向均匀，即多管系统钢包中的液流速度显著高于两管系统的情况，故多管系 统动量传输能力强于两管系统。利用碳黑墨水染色法分析系统内钢包的混合能力。 结果表明： 当吹入相同的气体量(Q=1．5m’／^)时，新装置中的水模型中碳黑墨水的扩散速 度比传统装置中水的扩散速度快约1，3。 传统装置有一个上升管，而新装置中有三个上升管，当传统装置和新装置吹 入相同的气体流量时，传统装置中的上升管管内体积被气体占据的多，影响水的 循环运动。 当吹入相同的气体量时，新装置的液体的循环流量比传统装置中的循环流量 大，并随着喷入气体量的增加，新装置的循环流量增加也比传统装置增加的大．示踪 剂扩散的模拟结果也清楚地展示了两种系统中流动特征的差别。 关键词钢包精炼RH真空循环脱气装置水模型循环流动数值模拟气体搅拌 II 东北大学 04 届博士论文 ABSTRACT ABSTRACT The coupling ofthe fluid flow，heat and mass transfer，、 chemical reaction and phase change in the equipment forms Steelmaking processes. Once the reaction systeni. is decìded，the much works in 也e studies wou1d be how to change their conditions of the flow and heat mass 甜创lsfer 50 as to promote 也e chemical reaction or other process. It can be observed that the thermo-fluid flows 附 playing an important part in the actual productions，for example，in 甘le gas stirring ladles，