冰样在钢包水模型中的运动融化及混匀研究.pdf
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1、第5 4卷 第6期2 0 2 3年1 1月 太原理工大学学报J OUR NA L O F T A I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.6 N o v.2 0 2 3 引文格式:朱江俊,陈超,范晋平,等.冰样在钢包水模型中的运动融化及混匀研究J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(6):1 0 6 3-1 0 6 9.Z HU J i a n g j u n,CHE N C h a o,F AN J i n p i n g,e t a l.S t u d y o n m o t i o n m e l t
2、i n g a n d m i x i n g o f i c e s a m p l e s i n a w a t e r m o d e l o f l a d l eJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(6):1 0 6 3-1 0 6 9.收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 8;修回日期:2 0 2 2-1 0-2 6 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 0 4 2 0 4);山西省回国留学人员科研资助项目(2 0 2 2-0 4
3、 0);国家大学生创新创业计划项目(2 0 2 1 1 0 1 1 2 0 5 2);山西省大学生创新创业计划项目(2 0 2 2 0 1 1 8)第一作者:朱江俊(1 9 9 7-),硕士研究生,(E-m a i l)z h u 1 5 9 1 2 2 9 5 7 4 81 6 3.c o m 通信作者:陈超(1 9 8 9-),博士,副教授,主要从事冶金过程物理模拟和数学模拟的研究,(E-m a i l)c h e n c h a o t y u t.e d u.c n冰样在钢包水模型中的运动融化及混匀研究朱江俊1,陈 超1,范晋平1,李林博1,陈 闽1,杨慧波1,林万明1,2(1.太原理
4、工大学 材料科学与工程学院,太原 0 3 0 0 2 4;2.山西电子科技学院新能源与材料工程学院,山西 临汾 0 4 1 0 7 5)摘 要:【目的】钢包冶金中通常加入块状或整袋合金料及石灰辅料,近年来也有企业报道在钢包精炼炉中加入废钢的新工艺,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。【方法】通过水模型实验,使用冰及盐水溶液制成的冰样来分别模拟轻合金和重合金,研究两种冰样在2 6 0 t钢包水模型中的融化、运动及混匀规律,研究温度、底吹气量、液面高度、加入位置等因素对其规律的影响。【结果】结果表明,温度升高可以使两种冰样融化时间大幅度降低。轻质
5、冰样(冰球)通过增加吹气流量可以显著加快其融化过程;液面高度较高时(高径比为1.1),融化时间较短;冰球融化受其加入位置的影响较小。从液面上方远离吹气孔位置加入重质冰样(盐球)后,盐球在钢包底部停留,融化较慢。从吹气孔上方加入盐球时,其与羽流区气泡冲刷机会增加,融化时间缩短。增大气体流量能够缩短盐球的融化时间,液面高度对其影响不大。盐球受到羽流区气泡的冲刷有利于缩短融化时间和混匀时间。关键词:合金;钢包;水模型;冰;融化;混匀中图分类号:T F 7 6 9.2 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.t y u t.1 0 0 7-9 4 3 2.2 0 2 3.0 6.0
6、1 3 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 6-1 0 6 3-0 7S t u d y o n M o t i o n M e l t i n g a n d M i x i n g o f I c e S a m p l e s i n a W a t e r M o d e l o f L a d l eZ H U J i a n g j u n1,C H E N C h a o1,F A N J i n p i n g1,L I L i n b o1,C H E N M i n1,Y A N G H u i b o1,L I N W a n m i n g1,
7、2(1.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;2.C o l l e g e o f N e w E n e r g y a n d M a t e r i a l s E n g i n e e r i n g,S h a n x i E l e c t r o n i c S c i e
8、n c e a n d T e c h n o l o g y I n s t i t u t e,L i n f e n 0 4 1 0 7 5,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】I n l a d l e m e t a l l u r g y,b l o c k o r w h o l e b a g a l l o y m a t e r i a l s a n d l i m e a r e u-s u a l l y a d d e d.I n r e c e n t y e a r s,s o m e c o m p a n i
9、 e s h a v e r e p o r t e d a n e w p r o c e s s o f a d d i n g s c r a p s t e e l t o l a d l e r e f i n i n g f u r n a c e.S t u d y i n g t h e m e l t i n g a n d h o m o g e n i z a t i o n m e c h a n i s m o f t h e a b o v e s o l i d s u b s t a n c e s i n t h e l a d l e r e f i n i
10、 n g p r o c e s s c a n o p t i m i z e t h e r e f i n i n g p r o c e s s a n d a c c e l e r a t e p r o d u c t i o n r a t e.【M e t h o d s】I c e s a m p l e a n d i c e s p h e r e m a d e b y K C l s o l u t i o n w e r e u s e d i n t h e w a t e r m o d e l e x-p e r i m e n t s e p a r a
11、t e l y t o s t u d y t h e m e c h a n i s m s o f m o t i o n,m e l t i n g,a n d m i x i n g o f a l l o y i n a 2 6 0 t l a d l e.T h e s e t w o s a m p l e s w e r e s e l e c t e d t o s i m u l a t e t h e l i g h t a n d h e a v y a l l o y s r e s p e c t i v e l y.T h e e f f e c t s o f
12、f a c t o r s s u c h a s t e m p e r a t u r e,b o t t o m b l o w i n g f l o w r a t e,l i q u i d l e v e l h e i g h t,a n d a d d i t i o n p o s i t i o n o n t h e m e c h a n i c m s w e r e s t u d i e d.【F i n d i n g s】T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e m e l t i n g t i m e o f b
13、 o t h t w o i c e s a m p l e s d e c r e a s e s d r a m a t i c a l l y w i t h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e.T h e m e l t i n g p r o c e s s o f l i g h t i c e s a m p l e(i c e s p h e r e)c a n b e o b v i o u s l y a c c e l e r a t e d b y i n c r e a s i n g t h e g a s f l o
14、 w r a t e.Wh e n t h e l i q u i d l e v e l i s h i g h,i.e.t h e r a t i o o f l i q u i d l e v e l t o t h e d i a m e t e r i s 1.1,t h e m e l t i n g t i m e o f i c e s p h e r e i s r e l a t i v e s h o r t.T h e m e l t i n g o f i c e s p h e r e c a n h a r d l y b e a f f e c t e d b
15、y i t s a d d i n g p o s i t i o n.F o r t h e h e a v y i c e s a m p l e(s a l t s p h e r e),w h e n a d d e d f r o m a p o s i t i o n w h i c h i s f a r a w a y f r o m t h e n o z z l e,i t s t a y s a t t h e b o t t o m o f t h e l a d l e a n d m e l t s s l o w l y.Wh e n t h e s a l t
16、s p h e r e i s a d d e d a b o v e t h e n o z z l e,t h e c h a n c e s o f w a s h i n g b y t h e b u b b l e s f r o m p l u m e a r e a i n c r e a s e a n d t h e m e l t i n g t i m e i s s h o r t e n e d.I n c r e a s i n g t h e g a s f l o w r a t e c a n r e d u c e t h e m e l t i n g
17、t i m e o f t h e s a l t s p h e r e,a n d t h e l i q u i d l e v e l h a s a n e g l i g i b l e e f f e c t.Wh e n t h e s a l t s p h e r e i s s c o u r e d b y t h e b u b b l e s i n p l u m e a r e a,t h e m e l t i n g t i m e a n d m i x i n g t i m e a r e s h o r t e n e d.K e y w o r d
18、 s:a l l o y;l a d l e;w a t e r m o d e l;i c e;m e l t i n g;m i x i n g 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1-2。大部分合金料及石灰辅料是以块状或整袋从料仓加入或从L F精炼炉炉口抛入3,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L F中加入废钢的新工艺4。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。目前已有学者通过工业试验5-6、高温实验7、数值模拟8、计算流体力学模型5,9
19、-1 0等方法对合金在钢包中熔化混匀的相关问题展开了研究。也有研究通过高温实验1 1-1 2、微观传热模型等1 3研究了废钢的微观熔化过程。相比而言,水模型模拟是一种可以直接观察且实用的研究方法。大量研究使用盐水溶液示踪剂测量钢包水模型中的各种参数对混匀时间的影响1 4-1 7,以探寻优化的设计参数。仅有个别研究使用固体盐粉剂1 8-1 9研究合金在冶金反应器中的混匀过程。对于熔化较慢的废钢以及整袋的合金或辅料等2 0,用盐水溶液或融化较快的盐粉剂较难模拟其熔化过程,仅能在水模型中研究其混匀过程。此外,有部分学者使用冰块研究其在强制对流过程的融化2 1-2 3。也有学者对电弧炉水模型2 4-2
20、 6、转炉水模型中2 7-2 8冰的融化展开研究。仅有文献2 9 研究了钢包水模型中冰的融化。上述研究只分析了融化过程或已融化物质的混匀过程,而对于废钢或体积较大的整袋合金或辅料,其熔化及在钢包中均匀化是一个连续的过程,其在钢包中的运动、熔化及扩散混匀机理尚不明晰。本文通过水模型类比实验,以水和饱和K C l溶液冻成的冰样分别模拟轻、重固体物质(下文简称为冰球、盐球),研究温度、底吹气量、液面高度、加入位置等因素对冰样融化以及运动状态的影响,通过监测钢包水模型中K C l浓度,探究重型物质(盐球)在钢包中“运动融化混匀”的影响规律。为优化合金及辅料在钢包精炼炉中的熔化及均匀化提供参考。1 实验
21、1.1 实验原理本实验中使用的水模型尺寸参数是基于某厂2 6 0 t钢包原型,根据相似原理18制作而成。本文在设计钢包时采用修正弗鲁德准数相似:F r m=F rp.(1)F r=gU2lgH.(2)U=4Qd2.(3)Qm=g pg ml ml pdmdp 4HmHp12Qp.(4)式中:F r 为修正的弗鲁德准数;U为气体的特征速度,m/s;g、l分别表示气体和液体的密度,k g/m3;g为重力加速度,m2/s;H为熔池高度,m;Q为吹气量,m3/s;d为透气砖直径,m.基于S HU K L A e t a l2 3提出的相变准数(P h)作为冰样类比研究固体物质熔化的依据,其表达式如下:
22、4601太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 P h=H(Cp sT).(5)式中:H是熔化潜热;Cp s是固体比热;T是过热度。1.2 实验方案钢包水模型及实验参数如表1所示,物理模型如图1所示。图中A与B分别代表加入冰样的两个位置,即吹气孔上方与远离吹气孔另一侧上方。本实验将两种冰样分别在不同的位置加入,用相机记录其运动状态与融化过程,每个方案重复实验5次以上。冰球及盐球的制备在直径为5 0 mm 的塑料模 具 中 冷 冻 足 够 时 间 后 完 成。盐 球 的 密 度 为1.1 7 5 g/c m3.对于盐球在测量融化的同时,在水模型中设置电导率探头监测水中K C l的浓度变化,使
23、用D D S J-3 1 8 A电导率仪同步测量实时的电导率值变化。在贴近壁面处分别距液面和距底部5 0 mm设置电导率探头1和2,与此同时底部设置电导率探头3.根据检测的电导率值转换为溶液中K C l的浓度,根据9 8%的标准确定混匀时间。本文研究的底吹气量、液面高度、加入位置、温度等变量如表1所示,常用工况为液面高度4 2 0 mm,吹气流量1 L/m i n,对应于原型钢包液面高度3.3 6 m,吹气流量为2 2.4 Nm3/h.表1 水模型实验参数T a b l e 1 P a r a m e t e r s o f w a t e r m o d e l e x p e r i m
24、e n t项目水模型参数钢包直径/mm4 8 0液面高度/mm5 3 0、4 2 0、3 0 0吹气孔位置(r/R)0.5 8气体流量/(Lm i n-1)0.5、1、2、4、6、8冰样(球)直径/mm5 0加入位置A、B水温控制/2 0、2 5、3 0空气压缩机控制器气体流量计吹气孔监测点 3监测点 2温度探头监测点 1BA相机电脑电导率仪相机图1 实验装置示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f e x p e r i m e n t a p p a r a t u s2 结果与分析2.1 冰样在钢包水模型中的运动2.1.1 冰球的运动图
25、2为冰球在常用工况下的照片,冰球加入钢包模型下降一段距离后会回到表面呈漂浮状态,由于冰球的密度比水轻,接下来冰球会在表面漂浮直到完全融化。表面的流场推动冰球运动到远离羽流眼的另一侧,直到完全融化。吹气孔正上方冰球图2 冰球在底吹气体流量为1 L/m i n时的状态照片F i g.2 P h o t o o f i c e s p h e r e a t a b o t t o m b l o w i n g g a s f l o w r a t e o f 1 L/m i n2.1.2 盐球的运动在常用工况下,盐球从吹气孔上方(后文简称A侧)加入,下降过程中会受到上升气泡及流场的影响导致落在
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- 钢包 模型 中的 运动 融化 研究
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