底吹气体搅拌钢包中固态物质动态熔化及混匀的水模型研究

作     者：朱江俊 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范晋平;陈超

授予年度：2023年

学科分类：080602[工学-钢铁冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：钢包 固态物质 运动 熔化 混匀 水模型 冰样 

摘      要：炉外精炼中钢包冶金的主要作用包括合金料加入及其均匀化、调节温度、钢液脱硫、非金属夹杂物的去除等。大部分合金料及石灰辅料是以块状或整袋从料仓加入或钢包精炼炉(LF)炉口抛入,其快速熔化和在钢包中均匀分布,决定了精炼过程的生产节奏。近年来,一些企业报道了在LF中加入废钢的新工艺。对于钢包冶金中加入的固体物质,以往研究大多只研究了合金的熔化过程或已熔化物质的混匀过程,而对于废钢或体积较大的整袋合金等固态物质,其在钢包中的运动、熔化及扩散混匀机理尚不明晰。研究上述固态物质在钢包精炼过程的熔化及均匀化机理,能够优化精炼工艺,有利于加快生产节奏。本文通过建立水模型实验,首先利用流场可视化实验、PIV粒子图像测速实验和液态示踪剂的混匀实验考察了钢包内底吹气体流量对流场行为和混匀的影响,然后基于相变数的原理,制备不同密度的冰样模拟废钢等固态物质,研究了单孔侧吹气体搅拌钢包内流场特征的变化,同时研究了操作参数对加入固态物料块的运动、融化及混匀过程的影响。此外,使用不同黏度的硅油模拟不同黏度的渣层研究了卷渣行为及其渣眼裸露面积,以及渣层对轻质固态物质的运动、融化和混匀的影响。本文得到的主要结果如下:1)无渣层条件下,增大底吹气体流量可扩大流场范围和加速液态示踪剂混匀,4L/min以上形成较清晰的循环流场。有渣层存在时,会对流场范围有一定限制,且油层黏度越大对渣眼处的流体产生的阻力越大,导致渣层下方区域流体流动不活跃,示踪剂难以传输,从而混匀较慢。2)在底吹气体搅拌钢包中,冰球和饱和盐球在融化过程中均能保持球状或椭球状直至融化。增加液位高度或气体流量均可以缩短饱和盐球和冰球的融化时间,但气体流量超过6 L/min以后,对融化时间的影响减小。从不同位置加入冰球,其融化时间相差不大;从吹气孔上方加入饱和盐球,有利于缩短融化和混匀时间。另外,温度升高可以降低冰球和饱和盐球的融化时间。3)KCl质量分数为12%及以下的盐球呈漂浮态,KCl质量分数为13%的盐球呈从漂浮到悬浮的过渡态,KCl质量分数为14%的盐球呈悬浮态,KCl质量分数为15%及以上的盐球呈沉底态。常见工况下,漂浮态和沉底态盐球随密度的增加其融化及混匀时间有所降低;过渡态和悬浮态的盐球能够快速融化,但融化后还需较长时间才能到达混匀状态,其中悬浮态盐球达到混匀的时间最长;KCl质量分数为12%的盐球(漂浮态),在融化后能够最快混匀。对于漂浮态盐球,增大流量能够明显降低融化和混匀时间,且融化后能快速达到混匀;对于过渡态、悬浮态、沉底态盐球,增大流量对融化时间和混匀时间的影响效果较相似,当吹气流量在2 L/min及以下时,融化后均需要较长时间才能混匀,当吹气流量增至4 L/min及以上时,混匀时间均有较大降低,融化后能够较快混匀。4)黏度较大的渣层不容易发生卷渣现象;渣眼裸露面积随气体流量增加逐渐变大,当流量在1 L/min及以下时,黏度较小的渣层的裸露面积较大,而流量增大至2L/min及以上后,黏度较大的渣层的渣眼面积较大;渣层对漂浮态盐球融化及混匀的影响体现在渣层厚度及流量的联合影响上,渣层较薄时轻质盐球浸没在水中的部分较多,有利于盐球的融化及混匀;轻质盐球随着渣层波动而波动,流量的增加会加剧其波动,进而加快其融化。