顶吹两相流影响熔池搅拌效果的水模型实验研究

主要针对艾萨熔炼体系中贫化电炉的浸没式油气混合顶吹喷枪对熔池的搅拌效果影响进行实验。设计并搭建了一定相似比的贫化电炉水模型平台,通过计算所得的最佳深度范围设计三喷枪混合顶吹组合实验方案。在其他实验条件,如气含率、喷吹速度等与实际生产相似的前提下,实验研究改变喷枪插入深度对搅拌效果的影响,并对各条件下的实验现象及拍摄照片进行对比。实验结果表明：当顶吹喷枪插入深度为渣层厚度的1/2～2/3时,两相流混合喷射对熔池的搅拌效果最佳,并应用于贫化电炉实际生产,取得了单枪8%以上的节油量。     

水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究

水冷壁气流床气化炉的核心思想是"以渣抗渣",因此对熔渣沉积形态与流动规律的研究尤为重要。文中在实验室小型水冷壁气化炉热模装置上,以神府煤气化灰渣、柴油和纯氧气为原料模拟气流床水冷壁气化实验,采用高温内窥镜并结合数字图像处理技术研究了熔渣的沉积、流动过程。实验结果表明:气化炉操作温度高于熔渣临界黏度温度时,渣层表面灰渣处于熔融状态;运动到壁面处的灰渣颗粒主要被熔融渣层吸收;熔渣的流动速度和渣层表面温度有关系,渣层表面温度越高,熔渣流动速度越大。在实验条件下,熔渣层表面速度约为0.002 6—0.003 m/s。     

板坯连铸结晶器内液面波动数值模拟

以某厂190mm×1700mm连铸结晶器为研究对象,采用商业软件Fluent,应用VOF模型对结晶器内钢/渣界面波动进行数值模拟,主要研究拉速、浸入式水口倾角及水口插入深度等工艺参数对结晶器内自由表面液面波动的影响,并用水模实验进行了验证.结果表明,随着拉速的增大,浸入式水口倾角向下减小及水口插入深度的减小,液面波动明显增大,靠近窄面附近的波动较为显著,液渣层覆盖不均匀.当插入深度在140~180mm之间变化时,钢/渣界面波动幅度不大.     

Shell粉煤气化炉渣口区熔渣流动与传热模型

国内Shell粉煤气化炉在长周期运行中曾多次出现大块熔渣堵塞渣池出口的现象,严重制约着工业化装置的安全、经济、稳定运行。为了探讨大块熔渣形成的原因,以Shell粉煤气化炉为研究对象,建立了其渣口区熔渣流动与传热模型。该模型可以预测固态渣层厚度、液态渣层厚度和渣层表面温度等。结果表明:气化炉运行时,由于熔渣的沉积,在渣裙表面将形成一定厚度的固态渣层。开车初期,熔渣全部被冷凝成固态渣,当渣层表面温度超过渣的临界温度,液态渣层开始出现,此后随着时间的增加,固态和液态渣层都继续增厚直至达到稳定状态。离气化炉渣口处越远,渣层厚度和表面温度就越大。气化炉渣口温度和沉积率越低,固态渣层厚度就越大,所需要的特征时间也越长。     

浅议壳牌气化炉的炉温调节

0引言壳牌气化炉内部采用膜式水冷壁结构,用来转移反应产生的热量,并产生废热蒸汽。水冷壁表面附着一层耐火材料,煤粉和氧气、蒸汽在1 600℃的高温下瞬间完成燃烧反应并生成熔融态灰渣,在4个烧嘴对喷产生的旋流作用下,熔融灰渣被甩到水冷壁表面。原始开车时,液态熔渣在耐火衬里及其内置的金属销钉的热传导作用下冷却固化,附着在水冷壁上形成了原始挂渣,渣层增厚到一定程度时热传导作用减弱,外表渣层就变成了熔融态,并向下流淌而使渣层厚度减薄。当厚度降低到一定程度时,热传导作用增大,使熔渣温度降低而固化,渣层重新聚积增厚,这样不断维持动态平衡,实现“以渣抗渣”,保护水冷壁免受高温烧蚀和熔渣冲蚀。渣层的厚度主要取决于炉内温度,炉温的波动会造成渣层厚度的变化。过厚的渣层会使气化炉下部堵渣而停车;过薄的渣层会失去对水冷壁的保护作用。     

基于富氧顶吹炉喷枪插入深度软测量的喷枪端压模糊控制研究

首先对喷枪工作机理和影响因素进行分析,利用生产台账数据,建立了喷枪插入深度机理软预测模型和喷枪端压动态数学模型并验证了模型的有效性;其次重点进行了基于喷枪插入深度软预测的喷枪端压模糊控制研究,仿真结果表明:模糊控制效果优于PID控制。同时,通过OPC接口,在Win CC中实现了喷枪端压模糊控制曲线显示,为富氧顶吹炉喷枪控制的进一步工程实现奠定了基础。     

梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离特性

利用实验手段对梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离行为特性进行了探究。实验工质为去离子水、浓度分别为400 mg·L^-1和800 mg·L^-1的正庚醇溶液。梯度金属泡沫材质为铜和镍,铜泡沫层和镍泡沫层厚度均为4 mm,孔密度分别为40 PPI和10 PPI。实验结果表明：添加正庚醇会使池沸腾气泡脱离直径变小,数目减少,但其浓度变化影响不明显;在热通量6.6×10⁴ W·m^-2沸腾时,观察到气泡脱离金属泡沫骨架阻碍两种常见运动形式：气泡破裂和整体滑移;当热通量增加到1.0×10⁵ W·m^-2时,相邻的两个气泡在梯度金属泡沫内合并成一个大气泡脱离金属泡沫。     

不同碱度渣对刚玉-尖晶石浇注料的侵蚀行为研究

浇注料的抗渣侵蚀性能与钢渣的碱度密切相关。以烧结刚玉、缺陷尖晶石微粉、活性α-Al₂O₃微粉、电熔镁砂细粉和铝酸钙水泥(Secar71)为主要原料,制备了刚玉-尖晶石浇注料,采用静态坩埚法于1 600℃保温3 h进行抗渣试验,并用热力学模拟计算了液相量和液相组成,研究了刚玉-尖晶石浇注料对3种不同碱度渣(1.6、2.3和7.6)的抗渣侵蚀性能。结果表明：刚玉-尖晶石浇注料在高碱度渣中溶解能力有限,在熔渣-耐火材料界面极易形成尖晶石固溶体和六铝酸钙等高熔点物相,形成致密层阻挡熔渣渗透和侵蚀。而其在低碱度渣中溶解度较高,在浇注料-熔渣达到较高反应程度时,才开始形成尖晶石固溶体和六铝酸钙等高温相,无法形成有效的致密层阻止熔渣对浇注料的侵蚀和渗透。因此,刚玉-尖晶石浇注料对高碱度渣抗渣侵蚀能力较强,对低碱度渣抗渣侵蚀能力较弱。     

液体介质对上升气泡几何形态和运动特征的影响

利用高速摄像技术观测了不同液体介质（去离子水、离子水、5#白油和水-白油溶液）中气泡的上升行为。采用了三种不同直径的注气喷嘴。对比分析了气泡在不同工况条件下的上升速度、当量直径、纵横比和曳力系数。结果表明，气泡在不同的单一介质中的上升轨迹及运动特征不同，介质的黏度和表面张力均对气泡的形状和尺寸有着重要影响。此外，观测并分析了气泡穿过水-白油界面的行为，发现当气泡离开界面较远时，其运动形态与在单一介质中相似；气泡穿过界面时被液膜包覆，然后液膜自气泡表面脱离。小尺寸气泡在单一油中和穿过水-白油界面后的几何形态和运动特征相似，而大尺寸气泡在穿过水-白油界面后呈现曲折的运动轨迹，其纵横比发生明显变化。     

水口出口结构对大方坯连铸结晶器内流体流动的影响

基于相似理论,采用0.6:1的缩小水模型研究了采用不同出口结构的水口浇注时连铸大方坯结晶器内钢液、液渣以及气泡的运动行为.结果表明,使用直通型水口浇注时,液面波动较小,液渣层分布均匀,气泡和流股的冲击深度较深,气泡上浮困难,不宜采用吹氩工艺;使用双侧孔水口浇注时,液面波动合理,液渣分布较均匀,流股及气泡冲击深度较浅,流股冲击深度较直通型水口小30 mm左右:采用四侧孔水口浇注时,液面波动均匀,液渣分布均匀且活跃,气泡和流股冲击深度很浅,气泡容易上浮,四侧孔水口适用于浇注内部质量要求较高的钢种.     

铁浴反应器多段侧吹混合特性数值模拟

在厚渣层铁浴熔融还原反应器水模实验的基础上,通过数值模拟的方法研究了双层侧枪在不同喷吹角度(40°, 45°, 50°)和不同水平插入深度(60, 120, 180 mm)条件下对熔池的搅拌情况的影响,通过水模型实验验证了数值模拟的准确性。通过观察气液两相流中熔池的流场以及示踪剂在熔池中的流动扩散情况,分析弱流区和死区的占比以及不同侧吹条件下的混匀时间,结果表明,侧枪水平插入角度对熔池搅拌的影响较水平插入深度更显著,侧枪的水平插入角度和深度影响熔池中产生的回旋流区域和回旋流个数,当侧枪水平插入角度越大,水平插入深度越深时,熔池中弱流区或死区的体积占比越小,越有利于熔池搅拌混匀。最佳的喷吹条件为上层喷吹角度50°及插入深度60 mm、下层喷吹角度50°及插入深度120 mm。研究了不同气流量对熔池混匀情况的影响,得出上下枪单支气流量分别为8.58和10.43 Nm3/h时,熔池的混匀时间最短。     

交流电场中贴壁气泡的动力学行为

深入研究外加电场作用下气泡的动力学特性，有助于了解电场强化沸腾换热的机理。鉴于此，采用VOSET界面追踪技术并耦合电场力模型数值模拟研究了交流电场中贴壁气泡的动态变形过程，分析了电压变化频率、电场强度、液体介电常数的影响机理。研究结果表明，电场力作用于气液界面，且指向气泡内部，通过挤压作用促使气泡变形；电压周期性变化导致电场力随之改变，促使气泡沿竖直方向的变形具有周期性，且气泡变形周期与电压变化频率紧密相关。电压变化频率较小时，气泡形变能够跟随电压变化，随着电压变化频率逐渐增大，气泡形变的跟随性逐渐减弱。电场强度与液体介电常数是影响电场力的重要因素，随着电场强度与液体介电常数的增加，电场力的挤压作用明显增强，气泡变形程度明显增加，峰值高度也随之增加，但是气泡变形周期无明显变化。同时，随着液体介电常数增大，气液界面周围电势与电场线的扭曲程度明显增加，气泡内部电场线密度也随之降低。     

铁浴式熔融还原炉浸入式侧吹对熔池内流动影响的数值分析

运用CFD软件Fluent 6.3对熔融还原终还原炉内的流动状态进行了三维数值模拟. 采用VOF多相流模型以及标准k-ε湍流模型模拟炉内气、渣、铁水三相流的流动,研究了不同侧枪枪位、插入深度和角度对于炉内流动的影响. 计算结果表明,侧枪枪位较低时,渣液和铁液的含气量较高,对熔池的搅拌越剧烈;侧枪插入深度较深时,对熔池的搅拌更强烈,顶部喷溅更加剧烈,当侧枪插入深度较浅时,壁面所受应力增大,对壁面侵蚀加剧;侧枪角度为30o和50o时,顶部空间的溅渣量增多,渣层的搅拌比较剧烈,侧枪角度为30o时,气体和渣液对炉衬的侵蚀相对较小.     

RGB颜色模型应用于评价顶吹混匀时间的方法

针对评价顶吹宏观混匀时间的方法进行了气体顶吹搅拌水动力学实验研究,利用基于混合过程中示踪粒子的分布随时间演化规律的RGB颜色模型来确定搅拌容器内的宏观混匀时间。通过定义像素阈值分离每一像素,构建混匀像素比M值作为确定混匀时间的指标,观察M值的变化规律,利用3σ方法确定混匀时间。针对喷枪插入深度及流量,用量纲为1强度单位表述为0.5和1的实验工况一,当阈值分数X=90%时,测定混匀时间为13.30s。分析结果发现,RGB颜色模型能够基于混合过程中示踪粒子的分布情况确定混匀时间,且与贝蒂数法和电导率法测定的混匀时间偏差不超过10%。为解决在视觉上评价多相流混合效果等工程问题提供了一种新的思路,为提高ISA炉使用寿命、强化ISA炉冶炼生产以及优化ISA炉工艺过程提供了一定的实验依据。     

精炼钢包渣线镁碳砖被侵蚀的显微分析

通过静态和动态抗渣实验,考查了精炼钢包用渣线镁碳砖被侵蚀的情况,并从显微分析的角度研究了镁碳砖被侵蚀的原因.研究表明,在静态实验中,镁碳砖中的氧化镁会溶解到熔渣中去,方镁石晶粒间的杂质在高温下形成低熔相成为熔渣侵入的通道并促进了该溶解过程.在动态实验中,由于镁碳砖中的石墨会溶解到钢水中,位于钢水和熔渣界面的熔渣进而渗透到镁碳砖中,加上钢水的冲刷等因素造成镁碳砖的损毁.     

生物柴油浸没喷吹的雾化特性

以生物柴油替代柴油进行浸没喷吹熔池熔炼是发展低碳铜冶炼的重要途径。针对该过程建立生物柴油浸没喷吹雾化流动过程计算模型,本文模拟计算了喷枪在水模型中浸没深度为20mm时不同油气比条件下生物柴油雾化颗粒的雾化特性,并实验验证了计算模型。研究结果表明：油滴颗粒的贯穿距随着空气流速的增加而增大;在气泡内油滴颗粒以一定的雾化半角向前扩散;当油滴颗粒到达气泡底部时,油滴颗粒以气泡底部平面为中心向整个空间扩散;气泡内距离喷枪轴向越远的观察面内大颗粒数目越多;油滴颗粒的索特平均直径（SMD）沿喷枪轴向先增大后减小;气泡内距喷枪口越远油滴颗粒SMD越大,进入水区域的油滴颗粒SMD逐渐减小;雾化空气流速越大,油滴颗粒SMD最大值的位置距喷口越远。     

铁浴反应器流场及温度场的数值模拟

以铁浴熔融还原工艺的铁浴反应器为研究对象,基于FLUENT软件,对反应器内流场及温度场进行了数值模拟,考察了侧吹和顶吹操作条件对铁浴熔池均混时间、铁浴上部空间气相组成及温度分布以及煤气二次燃烧率的影响.计算结果表明,铁浴熔池均混时间随侧吹喷枪倾角及插入熔池深度的增加均呈现先减小后增大的趋势.在本计算条件下,当侧吹倾角为50°,侧吹喷枪插入深度为0.3 m时,可获得最短的熔池均混时间.铁浴反应器上部空间煤气二次燃烧率随顶部热风喷枪的升高而增大,项枪距熔池液面距离每增加0.2 m,上部空间煤气二次燃烧率可提高约1.1%;随顶枪位置上移,氧气分布范围扩大,气体环流区也随之上移.     

烧结MgO在SiO2—FeO—CaO与FeS—Cu2S熔体界面区的局部侵蚀

采用坩埚法，借助自行设计的高温Ｘ射线透射影视设备，通过Ｘ射线照像主电视观察，研究了烧结ＭｇＯ材料在炉渣（ＳｉＯ２－ＦｅＯ－ＣａＯ）与冰铜（ＦｅＳ－Ｃｕ２Ｓ）界面区局部优先侵蚀过程。发现：ＭｇＯ材料在渣中ＦｅＯ形成致密的（Ｆｅ，Ｍｇ）Ｏ层，紧邻（Ｆｅ，Ｍｇ）Ｏ层形成渣膜，而界面张力流的存在使渣膜产生运动，促进渣膜层中ＭｇＯ的传质过程，加速ＭｇＯ材料的侵蚀，从而引起ＭｇＯ材料在渣－冰铜界面区局部优先侵     

电渣重熔过程中电磁与流动及温度场的数值模拟

以电渣重熔体系电极、渣池和钢锭为研究对象,利用有限元分析软件求得稳定电渣重熔过程中电磁场和焦耳热场分布,并通过计算流体力学软件模拟耦合电磁场和焦耳热场的三维电渣重熔过程. 分析了基本控制参数下电渣重熔过程金属熔池的形状、温度和速度场分布. 结果表明,计算值与实验值总体吻合良好,尤其在渣-金界面以下部分,最大误差不超过10%;当电极插入深度为0.015 m时,渣池两侧的逆时针方向旋转涡流之间出现一个中间区域,中间区域的速度场为顺时针方向旋转涡流;电极插入深度每增加0.015 m,温度场最大值下降约为最大温度值的1%.     

250 t钢包底吹氩卷渣和钢液裸露的模拟

针对某钢厂250 t钢包底吹氩气过程进行水模型实验和数值模拟,考察了吹气量和渣层厚度对卷渣行为和吹气量、渣层厚度及透气砖透气性能对钢液裸露面的影响,分析了卷渣形成机理. 结果表明,吹气量对卷渣形成具有决定性作用,吹气量控制在0.96 m3/h(对应实际流量69 m3/h)以下可避免卷渣;随着吹气量的增加,钢液裸露面积逐渐增大,当吹气量达到0.70 m3/h时,钢液裸露面积百分比约达14%,继续增大吹气量,其增加幅度变缓;随着渣层厚度的增加,临界卷渣吹气量和钢液裸露面积逐渐减小,以37 mm(对应实际渣厚150 mm)厚渣层覆盖,可有效防止钢液二次氧化;透气砖堵塞对钢液裸露面积影响较大,顶部钢液形成两不同大小的裸露亮圈,并加重对包壁耐材的冲刷与侵蚀,降低钢的洁净度. 工艺优化后,钢包水口结瘤率降低至0.1%以下,且可降低生产成本.