不同气源条件下熔渣泡沫化的高温模拟

熔渣泡沫化的有效控制对冶金工艺的稳定控制具有重要的现实意义。开展了外引和内生两种气源条件下熔渣泡沫化的高温模拟研究,得到如下结论:在外引气源条件下,泡沫渣由尺寸为7～15 mm的多面体气泡堆积而成,泡沫化高度随气体流量增加先升高后降低;在内生气源条件下,泡沫渣由尺寸为0.5～1.0 mm的球形气泡堆积而成,泡沫化高度随气体产生量的增加和熔渣碱度的降低而升高。典型炼钢辅料的消泡效果对比如下:活性石灰纯碱石灰石白云石菱镁矿。     

基于钢包底吹氩的RH真空处理过程中钢水行为及夹杂物分析

钢包底吹氩对钢水的运动、氩气泡在钢水中的迁移及夹杂物去除有重要影响。基于Fluent模拟软件建立了RH真空处理过程中钢包底吹氩的数值计算模型,对RH真空处理过程进行模拟分析,并对此模式下的钢水夹杂物尺寸及分布进行了取样分析。结果表明,RH真空处理过程中钢包底吹氩能有效增加钢包内钢水的流动速度,并减少钢包内部死区占比,同时,在一定程度上促进夹杂物的长大和上浮。另外,过大的钢包底吹氩气流量不但无法促使长大的夹杂物上浮被吸附,甚至还会导致钢水被二次污染。数值模拟及现场取样分析表明,RH真空处理过程中需采用适当的氩气流量钢包底吹氩操作,同等条件下,流量取值以5 m³/h为宜。     

艾萨炉水模型内气泡运动的模拟

根据相似原理制作艾萨炉水模型,采用计算流体力学(CFD)中的VOF模型对水模型内气泡运动进行数值模拟研究,模拟结果与实验结果吻合良好。研究显示:从喷枪喷出的高速气流在熔池中形成气泡,膨胀、上浮至液面处破裂,熔池内的液体在气泡周围做环流运动,气泡频率随气体流量的增加而减小。通过膨胀-脱离模拟并结合气泡受力情况,进一步验证了模拟结果的合理性。     

高压底吹条件下钢液中气泡的物理模拟

为了推断高压条件下气体在液体金属中的存在形态和运动形态,通过水模拟试验研究压强、底吹流量对气泡形状、尺寸、数量及"渣眼"尺寸的影响,结果表明:随着底吹流量增加,高压条件下的气泡比常压条件下的气泡更趋向于正圆形,气泡直径平均值变小,气泡数量增多,气泡形状和直径在底吹流量为4 L/h时变化最为明显;当底吹位置和底吹流量不变时,随着压强的增加,气泡形状逐渐趋向于正圆形,气泡直径逐渐变小,气泡数量逐渐增多,"渣眼"面积逐渐减小。在常压和高压条件下,底吹流量超过5 L/h之后,气泡形状和直径平均值就不再有明显变化。当底吹流量为4 L/h时,压强升高到0.5 MPa后,气泡形状和直径平均值变化幅度较小。为高压条件下冶炼提供数据参考。     

板坯连铸结晶器水模内气泡分布特征

 针对气泡在结晶器内运动引起的板坯质量问题,使用离散相模型和水力学物理模拟相结合的方法,对气泡的分布特征和行为进行了研究。结果表明,水口出口面积和角度一定时,水流量是影响双回流区内气泡分布状态的决定性因素,可以控制拉速来控制气泡分布状态。随着直径的减小,气泡在液体内停留时间和运动行程增加,在钢液中的氩气泡直径应以075~1 mm为宜。     

气泡在液体中形成的试验研究

本文首次采用摄录象设备，以空气和水为工质，在大气条件下，系统地研究了气体由小直径导管引入液体时的气泡形成和脱离。考察了气体流量，导管内径和气体引入方向对气泡脱离尺寸的影响。     

RH上升管喷嘴数量及其布置对流动、混合与传质的影响

通过物理模拟测定了RH精炼过程的循环流量、钢包的均混时间、真空室内物料的平均停留时间及容量传质系数，重点分析了RH上升管内的提升气体用喷嘴个数及其布置对上述4个方面特性的影响．结果表明，提升气体用喷嘴个数及其布置对RH内钢水流动有很大的影响，循环流量随喷嘴个数和气泡行程的增加而增大，但均混时间、平均停留时随喷嘴个数和气泡行程的增加而减小．     

底吹炉喷枪出口处“蘑菇头”对气体行为影响的模拟研究

依据热量平衡原理,计算得到了某种气体喷吹流量下形成的"蘑菇头"直径为60.2mm。使用商业软件FLUENT将"蘑菇头"区域设置为多孔介质,利用VOF模型模拟了"蘑菇头"存在时气泡的产生、生长、直至破裂的过程。对比没有"蘑菇头"时气泡的变化,模拟发现,"蘑菇头"的存在对流动过程的影响较大。"蘑菇头"的存在使气泡体积与表面积更大,形状更接近球形,且在炉内停留时间更长,有利于炉内气体与熔体的流动与充分反应。     

连铸结晶器内弥散氩气泡的瞬态运动和捕捉行为

针对连铸结晶器内弥散氩气泡的瞬态运动和捕捉行为,发展了耦合流动-传热凝固-气泡运动的大涡模拟模型,研究了结晶器凝固坯壳内钢液的非稳态湍流场和氩气泡的瞬态运动特征.结果表明,凝固坯壳对结晶器内钢液流场有较大影响,液相区内钢液流动不对称,导致气泡的运动和捕捉位置分布不均匀;小尺寸的气泡更容易运动到液相穴较深的区域;且随着拉...     

RH真空室内气泡行为的研究

Ruhrstahl-Hereaeus (RH)上升管内的气液两相流是整个装置的重要动力源,并对钢液的流动、混匀及精炼过程有重要影响.上升管及真空室内的气液两相流决定了钢包内钢液的流动状态,为了研究真空室及上升管内气液两相流,通过1:6的300 t RH的物理模型模拟了RH上升管及真空室内气泡行为过程,并测量了RH循环流量的变化用于计算上升管内含气率以及气泡运动速度最终得到气泡在真空室内的停留时间,同时记录了气泡在真空室内的存在形式.气泡在真空室的存在形式的主要影响因素为提升气体流量,研究发现了气泡从规则独立的大气泡经历聚合长大,碰撞破碎成小气泡,最后变成小气泡和不规则大气泡共存的现象.液面高度达到80 mm之后,气泡在真空室内的停留时间达到一个平衡值,不再随真空室液面高度的增加而发生改变.当提升气体量达3000 L·min-1,气泡停留时间减小趋势弱,对应3000 L·min-1情况下,真空室内气泡开始聚合长大.研究认为对于300 t RH的真空室液面高度应为80 mm,提升气体量应在3500 L·min-1左右,优化后,脱碳时间由原工艺的21.4 min缩短至现工艺的17.5 min.      

底吹钢包内离散气泡运动及界面波动对脱硫行为影响

为了分析钢包内离散气泡和界面波动对脱硫效率的影响,本文采用数值模拟法,选择大涡模拟和离散相模型,结合界面追踪法建立三维瞬态渣-金-气三相流模型,模拟气泡行为及渣层变化规律,同时利用相间传质求解发生于钢包内渣-金界面处的脱硫过程.本模型设置压力为101.325kPa,反应温度为1873K,考虑了气泡运动、变形、破碎、碰撞等行为对脱硫的影响,为预测底吹钢包搅拌过程的脱硫、卷渣及气泡行为提供了理论依据.计算结果表明,初始直径为0.001m的气泡吹气稳定后最大直径达到0.009m,并且随着吹气量的增加,硫的传质速率也不断增大,且喷嘴上方渣-金界面处的脱硫速率较快.     

100 t底吹氩钢包流场数值模拟及现场实践

为了研究国内某钢厂100 t双孔底吹氩钢包的流场现状，针对此钢包精炼过程流量200 L/min(方案1)和300 L/min(方案2)的钢水流动行为进行了数值模拟与现场实践。结果表明，每个吹氩流股均会在钢包形成两个循环流，分别位于流股与钢包壁之间和两个流股之间；方案2比方案1混匀时间缩短36 s，渣眼平均直径增大 0.055 m，耐火材料侵蚀加重。数值模拟通过现场实践验证了其正确性，为现场生产提供了有效指导。     

100 t底吹氩钢包插入浸渍管对钢液流场影响的数值模拟

以100t单孔底吹氩钢包为原型,应用三维连续性方程、动量N-S方程及湍流κ-ε双方程模拟了底吹氩过程中钢包内的钢液流动状态。利用Mixture多相流模型对单孔吹氩（0~700 L/min）过程进行数值模拟,对比分析插入直径691.05 mm,深650 mmn浸渍管前后钢包内的流动状态和钢液表面的卷渣。结果表明,无浸渍管时,临界卷渣吹气量为102 L/min,插入浸渍管后,临界卷渣吹气量增大到217 L/min。插入浸渍圆筒可以在增加吹氩量的条件下提高钢液搅拌效果,加速钢液混匀。     

中间包上水口环形吹氩下气泡大小和迁移行为研究

摘要：通过水模型实验研究了上水口环形吹氩工艺下中间包和结晶器内气泡形貌,并结合数值模拟分析了透气砖位置、拉坯速度和吹氩量对中间包和结晶器内气泡尺寸、气泡迁移和中间包近液面钢液流动的影响。结果表明：上水口环形吹氩形成以塞棒为中心的圆台状气泡羽流,气泡浓度沿径向向外逐渐减少;附壁效应使得气泡羽流偏向塞棒壁面流动,增大气泡的碰撞聚并概率和近塞棒壁面的羽流上升速度,对中间包液面产生较大冲击作用;同时,部分细小气泡会随钢液进入水口及结晶器内部;增大吹氩量,中间包内环形气泡羽流中气泡数目明显增多,中间包近液面钢液上升速度增大;增大拉坯速度,环形气泡羽流的宽度和气泡数量逐渐减小,近液面速度减小;增大透气环距水口中心距离,中间包内气泡弥散度增大,环形气泡羽流宽度也随之增大,气泡羽流对中间包液面冲击作用减弱;增大吹氩量和拉坯速度、减小透气环距水口中心距离,进入结晶器的气量和气泡尺寸逐渐增大。实验条件下,透气环内外径为110mm/140mm、拉坯速度为1.2m/min时,吹氩量为4L/min较为合适。     

Study on dimension and migration behavior of bubble under annular argon blowing at tundish upper nozzle

The water model experiments were carried out to study the bubble morphology in the tundish and mold with the process of annular argon blowing at tundish upper nozzle. The effects of the position of gas permeable brick, the casting speed and the argon flow rate on the bubble size distribution, the bubble migration behavior and the flow behavior of liquid steel near the liquid level in tundish were further investigated, coupled with the numerical simulation. The results show that with the process of annular argon blowing at tundish upper nozzle, a frustum cone shaped bubble plume can be formed around the stopper rod. The concentration of argon bubbles gradually decreases outward along the radial direction of the stopper rod. Owing to the wall attached effect, the bubble plumes float upward along the stopper rod, which can increase the collision probability between bubbles and the velocity of bubble plumes, causing a larger impact strength on the liquid level in tundish. In addition, a part of small bubbles are wrapped into the nozzle and the mold due to the drag force of liquid steel. With increasing argon flow rate, the number of bubbles in annular bubble plumes and the vertical velocity of liquid steel near the liquid level in tundish increase significantly. With increasing casting speed, the width and the bubble number of annular bubble plumes gradually decrease, leading to a decrease of the vertical velocity of liquid steel near the liquid level in tundish. Increasing the distance between the annular gas permeable brick and the center of tundish upper nozzle, the dispersion of bubbles and the width of bubble plumes increase, and the impact strength of bubbles acting on the liquid level in tundish becomes weaker. As the argon flow rate and the casting speed increase, and the distance between the gas permeable brick and the center of tundish upper nozzle decreases, the gas volume and bubble size in the mold increase. Under the experimental conditions, when the inner and outer diameters of the annular gas permeable brick are 110mm and 140mm, respectively, and the casting speed is 1.2m/min, the appropriate argon flow rate is 4L/min.     

110t不锈钢钢包炉底吹氩水模拟

依据相似原理建立钢包的物理模拟体系,采用水模型对110t LF钢包底吹氩过程进行研究,分析了吹气量、吹氩位置、钢包覆盖渣和钢包液面高度对钢包混匀的影响,并进行了相应的试验验证。研究结果表明：水模型试验结果和大工业应用具有较好的一致性,验证了水模型的可行性;钢包液面高度越高,混匀时间越长;吹气量越大,混匀时间越短;相同的液面高度和吹气量下,底吹氩最佳位置为0.33r 附近;钢包覆盖渣较黏时会使钢液流动显著减慢,增大吹气量容易产生卷渣现象。     

浇注钢包环出钢口四孔透气塞吹氩控制下渣工艺北大核心CSCD

针对浇注钢包环出钢口四孔透气塞吹氩控制下渣工艺,建立了某钢厂130 t钢包三维DPM-VOF耦合数学模型以计算浇注钢包下渣过程,并通过冷态实验验证了该模型的有效性。利用该模型研究了不同偏心率对下渣行为的影响,揭示了该工艺控制下渣的行为规律,并分析了吹氩流量对控制下渣的影响。结果表明,随着偏心率的增大,不同浇注高度下的最大切向速度减小,汇流漩涡临界高度降低。环出钢口四孔透气塞吹入氩气后,气泡流股的汇聚有效地减弱了水口上方钢液的周向旋转速度,大幅降低了汇流漩涡下渣临界高度。4个气泡流股的气液两相流会抑制流向水口钢液的径向流动速度,由排流沉坑引起的下渣也得到明显抑制。随着吹氩流量的增加,下渣临界高度呈降低趋势。就本研究而言,控制下渣的最佳吹氩流量为30 L/min。     

钢包炉吹氩与夹杂物去除

为了掌握钢包炉的冶金功能和去除夹杂物的规律,分析了钢包炉的精炼功能和精炼过程中钢液的流动行为及其对夹杂物去除的影响。探讨了钢包炉吹氩时夹杂物颗粒的去除效率与搅拌功、均匀混合时间、氩气泡直径、夹杂物直径、透气砖数目、吹氩流量及吹氩时间之间的关系,提出了合理的钢包炉底吹氩制度,以满足钢液精炼的要求。     

Bubble formation during horizontal gas injection into downward-flowing liquid

Bubble formation during gas injection into turbulent downward-flowing water is studied using high-speed videos and mathematical models. The bubble size is determined during the initial stages of injection and is very important to turbulent multiphase flow in molten-metal processes. The effects of liquid velocity, gas-injection flow rate, injection hole diameter, and gas composition on the initial bubble-formation behavior have been investigated. Specifically, the bubble-shape evolution, contact angles, size, size range, and formation mode are measured. The bubble size is found to increase with increasing gas-injection flow rate and decreasing liquid velocity and is relatively independent of the gas injection hole size and gas composition. Bubble formation occurs in one of four different modes, depending on the liquid velocity and gas flow rate. Uniform-sized spherical bubbles form and detach from the gas injection hole in mode I for a low liquid speed and small gas flow rate. Modes III and IV occur for high-velocity liquid flows, where the injected gas elongates down along the wall and breaks up into uneven-sized bubbles. An analytical two-stage model is developed to predict the average bubble size, based on realistic force balances, and shows good agreement with measurements. Preliminary results of numerical simulations of bubble formation using a volume-of-fluid (VOF) model qualitatively match experimental observations, but more work is needed to reach a quantitative match. The analytical model is then used to estimate the size of the argon bubbles expected in liquid steel in tundish nozzles for conditions typical of continuous casting with a slide gate. The average argon bubble sizes generated in liquid steel are predicted to be larger than air bubbles in water for the same flow conditions. However, the differences lessen with increasing liquid velocity.