上浮速度对钢渣界面夹杂物去除的影响

通过建立夹杂物在钢渣界面及其附近钢液和渣层连续区域的运动模型,研究了上浮速度(Stokes速度,0.1~0.5m/s)对50~200μm夹杂物分离去除的影响。研究结果表明,上浮速度的提高对50μm以下夹杂物在钢渣界面的分离时间影响不大,而会使50μm至150μm的夹杂物分离时间变长,使≥150μm的夹杂物分离时间缩短,对于150μm的夹杂物上浮速度由Stokes速度提高到0.5m/s时,夹杂物分离时间由260×10^-5s缩短到6×10^-5s。     

锭型对喷Ca-Si粉处理的轴承钢中点状夹杂分布的影响

研究了不同锭型对喷CaSi粉处理的轴承钢中点状夹杂物分布的影响。计算了600kg及2.3t钢锭的凝固速度及夹杂物上浮速度,由于600kg小锭锥度太小;过于细长;凝固速度太快,钢中的夹杂物来不及上浮,所以在小锭子的中心部位出现了钙铝酸盐点状夹杂物。     

板坯连铸中间包内夹杂物去除的数值模拟

以某厂50tT型2流中间包为研究对象,利用大型商业软件ANSYS CFX10.0建立了三维有限体积模型,采用多相流模型对中间包内钢液的流动特性、温度分布与夹杂物去除规律进行了数值模拟,重点研究了不同堰-坝组合方式、湍流抑制器形状、拉速、夹杂物粒径等工艺参数对中间包内钢水平均停留时间、夹杂物上浮率的影响。结果表明:湍流抑制器对夹杂物的上浮去除影响不大;随着夹杂物粒径的增大,夹杂物的上浮率迅速增大;20μm以下的夹杂物则很难在中间包内上浮去除;随着拉速的增大,夹杂物的上浮率是不断减小的;采用堰A=300cm、坝B=400cm、方形瓦楞湍流抑制器、过滤器组合式控流装置时夹杂物的上浮去除效果最好。     

底吹氩钢包内夹杂物粒子上浮行为的水模实验研究

将修正伽利略准数作为对钢包内夹杂物上浮规律模拟的判据,以某厂150t底吹氩钢包为原型,建立了模型与原型尺寸比为1:4的物理模型。通过实验研究了吹气量、吹气孔与钢包中心距离、两吹气孔与钢包底中心连线的角度,对夹杂物粒子上浮去除的影响规律。实验结果表明:合理的吹气量为300 L/min;吹气孔靠近钢包中心、吹气孔与钢包中心连线角度小时,夹杂物上浮去除时间短,有利于夹杂物去除。     

钢中不同形状夹杂物在超重力场中上浮模拟研究

超重力可促使夹杂物快速上浮,缩短其在钢液中的上浮时间.为研究夹杂物形状对其在钢液中的上浮行为的影响,本文使用流固耦合方法跟踪计算流体与固体界面状态,在二维纵切面中构建了三种具有不同形态比的夹杂物并在超重力场中进行上浮行为模拟研究.结果表明,夹杂物的上浮速度与自身形状和上浮角度有关,形态比越趋近1或上浮角度越接近垂直,上浮速度越快.在重力系数G=1000的超重力场中,长度为1μm的夹杂物未发生旋转.长度为10、20μm的夹杂物会自初始角度（45°、90°）旋转至水平后稳定上浮.超重力系数会影响夹杂物的旋转状态,随着重力系数的降低,夹杂物的旋转速度逐渐降低.当G=50时,长度为20μm的夹杂物（初始角度90°）未能完全旋转;同时也证明相较于垂直角度,初始即倾斜的夹杂物更易发生旋转.最后,指出通过模型预估离心处理时间应以水平状态下夹杂物的上浮速度为准,并基于该结论给出了夹杂物上浮去除的大致时间.     

应用格子 Boltzmann方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为

采用格子Boltzmann方法对钢液中夹杂物上浮及上浮过程中的碰撞行为进行直接数值模拟研究.结果表明,不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的模拟结果和理论值基本一致,表明本文所采用的数值算法能够精确有效地对钢液中固相夹杂物颗粒运动行为进行研究.当钢液中直径为80μm的夹杂物颗粒位于直径为40μm的下方并一起上浮时,直径为80μm的夹杂物颗粒会逐渐追赶上直径为40μm的夹杂物颗粒并发生碰撞形成大尺寸凝聚体,凝聚体的上浮速度显著大于二者单独上浮时的上浮速度.对于直径为40μm的夹杂物来说,形成凝聚体后的上浮速度比单独上浮时的上浮速度增加300%.实际炼钢过程中,采取必要的措施增加夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞凝聚,对于提高夹杂物颗粒的上浮速度,尤其是小尺寸夹杂上浮去除速度,提高钢液的洁净度具有重要的意义.      

超重力场下钢液中夹杂物上浮行为的数值模拟

 超重力技术可以有效提高固液两相间的重力差,在冶金领域,超重力场的引入可以大幅度增加金属熔体中夹杂物的去除效率。基于超重力冶金装置模型,根据动网格与流-固耦合理论,建立了不同重力场下固态夹杂物在钢液中上浮的流体动力学模型。该模型模拟了夹杂物在不同系数的重力场中上浮的运动状态,研究了超重力场中的重力系数与夹杂物尺寸等因素对颗粒上浮和流场分布的影响。模拟结果表明,在重力场系数恒定时,夹杂颗粒经短暂的加速上浮过程后,后续的上浮运动将趋于匀速,夹杂物的上浮速度会随着施加重力场的增大而增长,夹杂物附近的钢液也会被更快地“推开”,从而出现改变流动状态的趋势。尺寸d为1、10 μm的夹杂物颗粒由于其尺寸较小,在施加一定的超重力场后仍满足Stokes上浮模型;尺寸d为100 μm的大尺寸夹杂物则仅在约10倍重力场作用下符合Stokes上浮模型,当施加更大的重力场时,夹杂物附近的流场会由层流流动转变为湍流流动,不再满足Stokes定律。在研究不同系数重力场中夹杂物上浮的模型时发现,当重力场的系数大小随时间变化时,尺寸为1 μm量级的小尺寸夹杂上浮速度的变化幅度与重力场的变化幅度呈正比;而尺寸为10、100 μm的夹杂物在脱离层流流场后,上浮速度与重力场不再呈线性关系。     

非金属夹杂物模型研究

最近几年，对板坯表面质量的要求日益严格。钢水中的非金属夹杂物将导致薄钢板的表面缺陷并堵塞连铸过程中的水口。为此，国外有人采取了很多方法来去除钢水中的非金属夹杂物。在一项研究中，根据湍流凝聚和斯托克斯凝聚开发了中间包和连铸结晶器中非金属夹杂物凝聚和上浮的数学模型。得到下列结果：在中间包中，斯托克斯凝聚机理起主导作用，并且让钢水在中间包中保持足以佑夹杂物上浮的时间县非常雷萼的．     

板坯凝固过程夹杂物运动行为

 本文使用离散相模型,利用数值模拟的方法对结晶器中的钢液流动、传热、凝固以及夹杂物的运动进行了耦合计算。通过追踪夹杂物的运动轨迹,并在钢渣界面处对夹杂物进行采样分析,最终计算出夹杂物在结晶器中的上浮率。研究表明,夹杂物在结晶器中的上浮率与其尺寸及拉速的大小均有关系,但受夹杂物密度的影响很小。夹杂物越大、拉速越小,越有利于夹杂物上浮至自由液面。小颗粒夹杂在结晶器中并不能被有效去除。对于粒径为50μm的夹杂物,当拉速为1m/min时其上浮率仅为46%,有37%的夹杂物被凝固坯壳捕捉,主要分布在铸坯表皮下10~25mm处。夹杂物被宽面坯壳捕捉的位置多集中在宽面靠近窄面处,在水口下方被捕捉的夹杂物较少。以往的研究认为只要夹杂物上浮至钢渣界面就能够被保护渣吸收,J.Strandh等的研究表明,夹杂物能否被吸收还取决于保护渣的粘度和润湿性等因素。因此,对于粒径较小的夹杂物,必须在精炼后的软吹氩过程中适当增大钢液的静置时间,尽量减少钢液中小颗粒夹杂的数量。另外,结晶器保护渣的选用对钢液中夹杂物的去除也很重要,不仅要满足其对钢液的保温润滑作用,还要考虑其对夹杂物吸附的影响。     

钢中非金属夹杂物的碰撞行为研究

钢中非金属夹杂物去除的主要方法是期待夹杂物粒子凝聚长大上浮。本文主要分析了夹杂物的碰撞和上浮机理,在显微条件下观察钢中夹杂物碰撞凝聚的运动过程,总结了钢中夹杂物的运动规律。     

薄板坯连铸中间包内抑湍器的模拟研究

控制中间包内钢液的合理流动对夹杂物的排除有重要影响,为此建立了模拟薄板坯连铸中间包流动情况的水模型。通过测定停留时间分布(RTD)曲线,研究了不同组合控流装置对中间包流体流动特性的影响。结果表明,结构及尺寸合理的抑湍器能延长水口响应时间及平均停留时间、提高活塞流区体积分数及降低死区体积分数;抑湍器与单坝组合的控流装置在控制流体流动方面效果极佳,而抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合的控流装置的控流效果不太理想。     

钢中夹杂物去除技术的进展

钢中夹杂物去除的主要环节为夹杂物的长大、上浮和分离。钢中夹杂物去除技术的主要进展有:气体搅拌-钢包吹氩、中间包气幕挡墙和RH-NK-RERM法;电磁净化-钢包电磁搅拌、中间包离心分离和结晶器电磁制动;渣洗技术;过滤器技术。文中分析了各种夹杂物去除技术的冶金功能,将不同夹杂物去除技术进行合理组合,实现多功能精炼,可取得最佳冶金效果。     

真空感应炉内流槽控流装置优化模拟

通过数值模拟和物理模拟相结合的方式对真空感应炉内流槽进行研究,在厂内原型控流装置上改变挡墙挡坝的位置以及数量,比较不同控流装置条件下流槽内部流体流动状态和夹杂物去除效果。结果表明,原型控流装置下流槽死区比例较大,达到了14.12%,RTD曲线峰值浓度较高,边部区域流迹线稀疏,流体流动状态较差,导致夹杂物去除率较低;在原型方案上增加1组挡墙挡坝,死区比例较原型方案降低了6.71%,平均停留时间增加了4.9 s,夹杂物去除率增加。这是由于增加了挡墙挡坝后流体能够通过挡坝到达流槽边部区域,有效降低边部死区体积,提高了夹杂物上浮概率。     

Floating Properties of Agglomerated Inclusion in Liquid Steel

 The fractal properties and floating features of agglomerated inclusions are investigated by the analysis of fractal theory and water simulation experiment. The results show that there is an obvious quantitative relationship between the aggregate floating velocity, the number of tiny inclusion granules and fractal dimension. Namely, for the aggregates which contain the same number of micro granules, the greater the fractal dimension, the larger the floating velocity; for the aggregates which have the same fractal dimension, the more the number of tiny inclusion granules contained by an aggregate, the larger the floating velocity. The mathematical model obtained by regression analysis can better reflect the relationship between the aggregate floating velocity, the number of tiny inclusion granules and fractal dimension. So in order to increase the floating velocity of aggregated inclusion with small fractal dimension, some appropriate measures of making it reconstruct to increase its fractal dimension can be taken.     

漩流中间包中夹杂物去除效率研究

根据相似原理,模拟漩流中间包及漩流室内钢液的流动,研究了不同漩流室直径、高度对夹杂物在漩流室内向心聚集上浮的影响,验证漩流室对夹杂物的去除效果。结果表明,漩流室的引入有利于夹杂物的上浮去除,夹杂物的上浮率平均由原来的92.35%提高到97%以上。     

Al2O3夹杂物在钢-渣界面处的运动特性及去除率

通过理论计算和分析,研究了夹杂物颗粒在钢-渣界面处夹杂物去除层内的运动特性及去除率。结果表明:在夹杂物去除层内,Al2O3夹杂物颗粒的布朗扩散上浮临界尺寸为1.33μm,直径小于临界尺寸的夹杂物颗粒很难上浮去除;布朗碰撞的优势区域主要是直径为2.5μm以下的夹杂物颗粒之间以及直径为2.5～5μm夹杂物颗粒与0.5μm以下的微小颗粒之间的碰撞;直径为20～150μm的夹杂物颗粒在钢-渣界面去除层中9min内很容易完全上浮去除,而直径小于10μm的夹杂物颗粒去除率很低且升高缓慢,是提高钢液洁净度的主要控制对象。     

气幕挡墙中间包夹杂物去除的水模型研究

以连铸1500mm×250mm板坯的中间包为原型,几何相似比1/3,采用自制多孔透气砖进行中间包底吹气的水模型试验。结果表明,气幕挡墙中间包中,夹杂物通过斯托克斯机理上浮,气泡吸附和钢液上扬流动而上浮去除;当吹气量≥0.08m~3/h,距入口中心533～800mm处形成有效的气幕挡墙,显著改善钢液流动性,夹杂物去除率由不吹气的44.86%增加至72.86%,并改善小颗粒夹杂物的去除。工业试验表明,采用气幕挡墙,使T[O]降低12%以上。     

中间包气幕挡墙去除夹杂物的数值模拟

以湍流控制器加单坝结构的FTSC中间包为原型,采用气-液-固三相流数值模拟手段,研究了气幕挡墙对不同粒径夹杂物的去除情况.结果表明,中间包气幕挡墙能够改善钢液的流动特性,提高夹杂物的去除率,尤其对小颗粒夹杂物,去除效果更明显.