中间包气幕挡墙的结构优化及其夹杂物去除的数学物理模拟研究

论文摘要

随着洁净钢的发展，中间包在钢水精炼中的地位与作用日益得到人们的重视。由于氩气泡对钢液中微小夹杂物的去除作用，近年来，中间包气幕挡墙技术在超纯净钢生产中的作用已引起了冶金及材料科技工作者的广泛关注。吹气参数的控制是气幕挡墙技术能否有效发挥中间包冶金作用的关键，而吹气元件—气幕挡墙砖的性能及结构制约着吹气参数的制定。以往对气幕挡墙中间包的数学物理模拟研究中，对气幕挡墙砖进行了较多的简化，与实际工业生产使用的气幕挡墙砖性能尚有一定区别。 本文根据中间包气幕挡墙砖的实际使用条件，首先研究了影响气幕挡墙砖性能的因素，并制备了与实际生产使用的透气砖微观结构及性能参数相同的气幕挡墙砖做水模研究。采用自制的水模型气幕挡墙砖为吹气元件进行了水力学模拟实验，并将多孔介质模型应用于描述气体在气幕挡墙砖内的流动，首次采用用数学物理模拟相结合的方法研究了气幕挡墙砖性能参数对中间包流体流动特性的影响。考虑中间包内夹杂物的碰撞长大、壁面吸附、Stokes上浮及气泡吸附作用，用拉格朗日随机轨道模型模拟计算了气幕挡墙中间包内夹杂物的运动轨迹及去除率，并分析了影响夹杂物运动及去除率的因素，进一步完善了气幕挡墙中间包内夹杂物去除的数学模型。在上述研究的基础上，对某炼钢厂二流板坯中间包进行了气幕挡墙技术的数学物理模拟研究，并优化了吹气参数。论文研究得出了以下结论： 1．研究了粒度组成、细粉加入量、外加剂等对气幕挡墙砖刚玉—莫来石透气层材质的物理性能及显微结构的影响，首次利用因次分析中的π定理分析了影响气体在气幕挡墙砖内流动时的阻力系数。研究结果表明，当细粉加入量15％左右，并配以膨胀剂、分散剂等外加剂，采用振动浇注施工，可以制得显气孔率达30％以上，并具有较高的强度，良好的透气性，孔径分布均匀的透气砖；气体在气幕挡墙砖内流动的粘性阻力系数及惯性阻力系数与气体的雷诺准数、透气砖的平均孔径、气孔率、透气砖的特征尺寸的关联式可分别表示为：1／a·d02=11.9819Re-0.97337（d0／L）1.17335Ps-3.28532C2·d0=-30.86399Re-2.1684（d0／L）-4.7716Ps-4.1378 该关联式的适用范围为Re：30～1000。 2．水力学模拟与数学模拟结果表明，多孔介质模型能更好的描述气体在气幕挡墙砖内的流动过程。气幕挡墙砖的气孔率及透气度对形成气泡的大小、气泡的逃逸速度有重要影响，对中间包内钢液的流动特性及气体的体积分布有一定影响。在吹气参数相同时，气幕挡墙砖的气孔率及透气度越大，所形成的气泡越大，气泡进入钢液的初始速度越大，从

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 中间包冶金技术的发展
• 1.1.1 中间包结构设计
• 1.1.2 中间包控流技术
• 1.1.3 中间包加热及其他技术
• 1.1.4 中间包吹氢技术
• 1.2 气泡对钢液中夹杂物的影响
• 1.2.1 气泡捕获夹杂物颗粒的机理
• 1.2.2 气泡去除夹杂物的数学模型
• 1.2.3 影响夹杂物去除的因素
• 1.3 气幕挡墙中间包的研究方法
• 1.3.1 物理模拟研究
• 1.3.2 数学模拟研究
• 1.3.3 工业实验研究
• 1.4 底吹中间包吹气元件的研究
• 1.4.1 结构形式的研究
• 1.4.2 材质的研究
• 1.5 存在的问题
• 第二章 底吹中间包用气幕挡墙砖的研究
• 引言
• 2.1 气幕挡墙砖类型的确定
• 2.2 气幕挡墙砖材质的确定
• 2.3 颗粒级配对刚玉-莫来石透气浇注料性能的影响
• 2.3.1 实验原料
• 2.3.2 实验方法
• 2.3.3 实验结果与分析
• 2.4 二氧化硅微粉对浇注料性能的影响
• 2.4.1 实验
• 2.4.2 试样制备及其性能检测
• 2.4.3 结果与分析
• 2.5 外加剂对浇注料性能的影响
• 2.5.1 实验
• 2.5.2 结果与分析
• 2.6 气幕挡墙砖的阻力系数分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 气幕挡墙砖对中间包钢液流动特性的影响
• 前言
• 3.1 水力学模拟实验研究
• 3.1.1 实验原理
• 3.1.2 实验设备
• 3.1.3 实验方法
• 3.1.4 实验数据的处理
• 3.1.5 实验结果及讨论
• 3.2 数学模拟研究
• 3.2.1 数学模型
• 3.2.1.1 两相流模型的选取
• 3.2.1.2 多孔介质模型的确定
• 3.2.1.3 RTD计算的数学模型
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 网格划分与求解
• 3.2.5 计算结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 气幕挡墙中间包内夹杂物的去除
• 前言
• 4.1 夹杂物的去除方式
• 4.1.1 壁面吸附
• 4.1.2 斯托克斯上浮
• 4.1.3 气泡吸附
• 4.2 夹杂物的碰撞与长大模型
• 4.3 夹杂物去除率的计算方法
• 4.4 气幕挡墙中间包夹杂物去除率的数学模拟
• 4.4.1 计算条件
• 4.4.2 数学模型
• 4.4.3 边界条件
• 4.4.4 网格划分与计算
• 4.4.5 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 某炼钢厂二流板坯中间包的数学模拟研究
• 前言
• 5.1 数学模型
• 5.1.1 不采用气幕挡墙中间包
• 5.1.2 气幕挡墙中间包
• 5.2 计算条件
• 5.3 网格划分与求解
• 5.4 计算结果及讨论
• 5.4.1 不采用气幕挡墙中间包数学模型的验证
• 5.4.2 湍流控制器中间包内气幕挡墙的影响
• 5.4.3 气幕挡墙代替挡渣堰、挡渣坝的研究
• 5.4.4 含有湍流控制器、挡渣堰、挡渣坝的中间包内气幕挡墙的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 某炼钢厂二流板坯中间包的物理模拟研究
• 前言
• 6.1 水模实验设备及实验方法
• 6.2 实验方案
• 6.3 结果及讨论
• 6.3.1 只有湍流控制器中间包气幕挡墙研究
• 6.3.2 气幕挡墙代替当渣堰、当渣坝
• 6.4.3 含有湍流控制器、挡渣堰、挡渣坝的中间包内气幕挡墙的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 本论文的创新之处
• 7.3 不足之处
• 7.4 今后工作的设想
• 参考文献
• 作者攻读博士期间发表的主要学术论文
• 致谢