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。     

钢包出钢阶段吹氩搅拌去除夹杂物的模拟研究

针对钢包出钢过程建立了钢液-渣相-气相-氩气泡-夹杂物的五相数学模型，探索了钢包出钢过程中吹氩搅拌去除夹杂物的可行性，以及吹氩流量对流场、渣眼、夹杂物去除效率的影响规律。结果表明：吹氩搅拌可强化浇钢过程中钢液的流动行为，显著提升夹杂物的去除率。相较于未采用吹氩搅拌，当吹氩流量为100 L/min、出钢750 s时，夹杂物的去除率由80.74%提升至96.69%，流入中间包夹杂物的数量减少67.4%；随吹氩流量增加，渣眼尺寸增大，夹杂物去除速率增加，但去除效率变化不大，推荐吹氩流量为100 L/min。     

钢-渣界面液态夹杂物分离过程数值模拟

为了揭示精炼钢包内固态夹杂物去除的机理,建立了描述液态夹杂物在钢-渣界面分离的数学模型,提出了计算其在钢-渣界面停留时间的表达式,讨论了影响液态夹杂物在界面处停留时间的因素。结果表明,液态夹杂物尺寸和钢-渣界面张力是影响其在钢-渣界面停留时间的主要因素,而且其在钢-渣界面处的停留时间要远大于固态夹杂物在界面处的分离时间,这是钢包内固态夹杂物更易被去除的主要原因;吹氩钢包内直径小于2μm的液态夹杂物难以穿过钢-渣界面而停留在钢液中。     

精炼钢包底吹氩性能优化物理模拟研究

以天钢120 t LF为原型,在相似原理的基础上,通过水模型试验,研究考察了底吹氩量对出钢过程及吹氩 精炼过程钢液混合效果的影响,对精炼钢包内的渣金卷混行为进行了研究,并考察了不同操作工艺参数（时间、吹 氩量）对钢包内夹杂物去除的影响规律,进而对原工艺的改进提供了依据。     

钢包内夹杂物行为物理模拟与探讨

通过对目前石钢公司精炼过程中钢包底吹氩控制的物理模型实验,模拟钢包内非金属夹杂物在钢水中的行为,探索改善非金属夹杂物的控制方法。利用水模型,通过卷渣实验、底吹氩时间、底吹氩气流量优化实验等模拟了非金属夹杂物在钢水中的行为,确定有利于去除夹杂物的合理底吹氩软吹时间为30 min,流量控制为40 NL/min,此时钢液循环流动输送夹杂物至钢包表面的速度加快,夹杂物的上浮和去除效果较好。     

不同钢包底吹氩模式对钢液精炼效果的影响

以180 t双孔底吹氩钢包为研究对象,对6种钢包底吹氩模式进行数值模拟,并结合现场试验与当前采用的吹氩模式进行对比。研究发现：（1）钢液的混匀时间随吹氩量的增加而减少,吹氩量一定时,差流量吹氩模式对钢液的搅拌强于等流量吹氩模式。（2）不同的钢包底吹氩模式,渣眼形成的位置不同,渣眼面积也不同。总流量一定时,差流量吹氩模式钢液面最大流速大于等流量吹氩模式,易发生钢液卷渣。（3）差流量吹氩模式渣线处渣层厚度的波动大于等流量吹氩模式,且流量差值越大,波动越剧烈。（4）差流量吹氩模式通过“强-弱”流股的配合,进一步强化了钢包底吹氩的钢液精炼效果。工业试验表明,采取等流量吹氩模式（500 L/min—500 L/min）,钢中的较大夹杂物的数目明显多于差流量吹氩模式（400 L/min—600 L/min）。     

钢包底吹去除夹杂物的水力学模型

采用水力学模型方法对40t钢包单底吹去除钢水中夹杂物的行为进行了研究,分析了元件类型、渣层厚度、位置和流量等对夹杂物去除的影响规律。结果表明:在钢包底吹过程中钢水内夹杂物的去除率方面,弥散式透气砖均优于狭缝式底吹元件;底吹位置越靠近钢包中心时,去除夹杂物的效果越佳;在实验条件下渣层越厚,夹杂物去除率越高;底吹氩去除夹杂物存在一个最佳流量值。     

氩气流量对100 t 底吹钢包内渣眼形成影响的数值模拟

通过建立的氩气底吹钢包三维非稳态三相流动数学模型以及Fluent软件和Simple算法研究了钢包精炼底吹氩过程保护渣的流动特性,并分析了喷嘴直径0.1 m时200~3500 L/min喷气量对渣眼尺寸、渣层运行的影响。结果表明,随喷气量增大渣眼增大,当氩气流量为400~2000 L/min时渣眼大小和钢包内流场分布较合理,有利于精炼;随渣层厚度增加,渣眼减小,但渣厚超过200 mm时,渣层厚度的增加对渣眼大小影响不显著。     

钢包底吹氩强度试验效果分析

本文通过对重钢钢炼钢厂钢包底吹氩强度的试验，研究了不同底吹氩强度对钢液湿度，成分均匀性和去除钢中夹杂物的影响，试验结果表明，钢包底吹氩强度保持包渣面亮圈300－400mm情况下。     

炼钢过程多相流及其反应动力学数值模拟研究

炼钢过程主要是通过喷吹手段来达到脱碳、脱磷、脱硫、去夹杂等冶金目的,其过程涉及极其复杂的气-金-渣多相流行为和反应动力学,对其研究揭示是实现高效炼钢和钢超洁净化的重要基础,数值模拟已成为解析炼钢过程现象和机理不可或缺的手段.本文结合前人的工作,总结介绍了作者在转炉冶炼和钢包精炼过程数值模拟方面的研究进展.通过对转炉冶炼熔池内渣-金-气多相流行为的数值模拟,揭示了熔池混匀、炉衬冲刷、金属液滴喷溅等重要物理现象,同时通过耦合冶金热力学,定量描述了转炉内脱碳、脱磷等反应过程,优化了转炉吹炼工艺;基于Euler-Euler模型,描述了钢包吹氩精炼过程钢液湍流脉动诱导气泡扩散和气泡上浮诱导钢液湍流等重要现象,并利用CFD-PBM模型描述了夹杂物运动、碰撞聚合及去除行为,发现了气泡-夹杂物湍流随机碰撞去除夹杂物的新机理,同时通过CFD-SRM耦合模型实现了钢包精炼多组分参与渣-金反应和脱硫行为的定量描述,揭示了钢液与顶渣的成分、底吹模式对脱硫效率的影响规律.针对钢包底喷粉脱硫新工艺,提出了底喷粉过程中顶渣-钢液、空气-钢液、粉剂-钢液、气泡-钢液多界面多组分同时反应模型,考虑了气-液两相流、粉剂传...     

长水口吹氩生成微小气泡工业实验研究

在连铸生产中采用大流量长水口吹氩,并采用“冷钢片沾钢法”沾取中间包钢液试样,成功沾取了中间包钢液中微小氩气泡。冷钢片沾样表面气泡为中间包上部钢/渣界面和炉渣中氩气泡,尺寸主要位于1.0~3.0 mm,但该尺寸不能反映中间包钢液内部长水口吹氩生成气泡,冷钢片沾样内部气泡为钢液内部长水口吹氩生成的气泡。结合扫描电镜和共聚焦显微镜对沾取试样内部气泡形貌、尺寸和数量进行了分析,结果表明大部分气泡为独立圆形气泡,偶见少量粘连和聚合气泡;钢液内部氩气泡尺寸主要位于100~1000 μm,平均尺寸为500 μm左右;气泡在长水口出口及其下方较为弥散,气泡数量可达15.2 cm?2。采用扫描电镜结合能谱分析,发现部分气泡内粘附有夹杂物,有些气泡粘附多个夹杂物;气泡粘附Al₂O₃夹杂物的几率高于粘附CaO(?MgO)?Al₂O₃?SiO₂复合夹杂物的几率。      

基于数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法

 结晶器保护渣卷入到钢液中后容易被生长的凝固坯壳捕获,最终在冷轧板上形成由卷渣引起的表面缺陷,会严重恶化钢产品的质量。结晶器液面卷渣现象受到钢液成分、温度、流动方式和吹氩流量的影响。结晶器表面钢液流速大小是反映钢渣界面是否发生卷渣的重要参数,但在实际浇铸过程中,不能在线预测不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下结晶器表面钢液的最大速度。提出一种基于板坯连铸结晶器内多相流动数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法。首先,建立结晶器内三维多相流动数学模型,模拟不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下的钢液流动行为;其次,对计算得到的表面钢液流速的最大值进行拟合,得到固定浇铸断面下结晶器表面最大流速的预测公式;最后,通过某钢厂的插钉板工业试验验证了所提方法的准确性。研究发现,不同浇铸参数下表面钢液流速沿结晶器宽度方向呈现先增加再减小的变化趋势,在结晶器宽度1/4位置具有最大值。钢液流速在较小和较大拉速下分别在窄面和水口附近具有较大值;在较小和较大吹氩流量下分别在水口和窄面附近具有较大值;随着水口浸入深度增加,钢液流速在水口和窄面附近变化较小。基于拟合的钢液流速公式,通过比较最大钢液流速与钢渣界面发生卷渣的临界流速,实现了结晶器卷渣的在线预报。     

GCrl5轴承钢精炼渣对夹杂物祛除行为的研究

通过建立的夹杂物穿越钢渣界面运动模型,研究了精炼渣对夹杂物的吸附现象。结果表明,夹杂物 粒径、表面张力和熔渣粘度是影响夹杂物冲破钢渣界面的重要参数,大型夹杂物中粒径和熔渣粘度起决定作用,而 ≤ 20㎛ 级别的小型夹杂物中仅表面张力起决定作用;大型夹杂物冲破钢渣界面的能力远大于小型夹杂物。针对 小型夹杂物难以吸附的问题,运用了夹杂物运动模型和熔渣、钢液表面张力模型,研究了表面张力对吸附过程的影 响。结果表明,直径≤ 122.9 ㎛尺寸的夹杂物均无法穿越钢渣界面,回弹至钢液一侧,由此得出：无法通过调整精 炼渣用以吸附≤ 122.9 ㎛夹杂物以达到进一步降低钢中氧含量的目的。     

120 t LF精炼过程搅拌强度对Q195低碳钢中大尺寸夹杂物数量的影响

采用"120 t BOF→LF→Ca处理→160 mm × 160 mm CC"工艺生产的Q195钢。示踪检验得出,当LF精炼过程氩气流量在300～600 L/min时,50 × 400 mm²检验面积中,铸坯中≥27 μm大尺寸夹杂物31个,主要来源于LF精炼渣卷渣、钙处理生成的CaS、水口内壁材质剥落和钢中内生大尺寸钙铝酸盐夹杂物,其中由LF精炼渣卷渣形成的大尺寸夹杂物所占比例为29.1%。通过精炼全程将氩气流量由300～600 L/min降低至100 L/min,发现可以显著降低精炼渣卷渣形成的大尺寸夹杂物数量,同样的检测面积≥27 μm夹杂物降至19个。     

Modelling Effect of Circulation Flow Rate on Inclusion Removal in RH Degasser

Based on the similarity principles,a 1∶ 7 scale physical model was established to study the behavior of molten steel flow and inclusion removal in a 145 t Rheinsahl-Heraeus( RH) degasser.On the basis of the quantitative measurements of the circulation flow rate and inclusion removal under various lifting gas flow rates,the effect of circulation flow rate on inclusion removal was investigated in the RH degasser.The inclusion removal rate shows the trend of first increase and then decrease twice with increasing the circulation flow rate when the circulation flow rates are smaller than 104.7 L/min.Whereas,the inclusion removal rate increases again with the further increase in circulation flow rate when the circulation flow rate is larger than 104.7 L/min.At lower circulation flow rates,inclusions are mainly removed by Stokes flotation to the slag/steel interface after inclusions are transferred near the slag/steel interface by the circulation flow.At higher circulation flow rates,the collision and aggregation of inclusions improves the inclusion removal efficiency.With the further increase in the circulation flow rate,inclusions are mainly removed by following the turbulent fluctuation( turbulent diffusion)to the slag/steel interface after inclusions are transferred near the slag/steel interface by the circulation flow.     

Flotation of nonmetallic inclusions during argon injection into the tundish of a continuous-casting machine. Part 1

The basic factors affecting the removal of nonmetallic inclusions from liquid steel when inert gas is injected into the tundish are analyzed. On that basis, optimal injector parameters when using an annular injection lance are established—specifically, the gas flow rate and the diameter of the argon bubbles at breakaway from the pore that ensure the maximum removal of inclusions.     

More effective removal of oxide inclusions from rail steel in the intermediate ladle

Thermodynamic analysis of the transition of nonmetallic inclusions from metal to slag shows that, in this transition, breakaway of the inclusions from the metal is thermodynamically impossible and the inclusions accumulate at the interface on the slag side. This obstructs subsequent inclusions arriving at the interface and hinders their removal from the steel. Therefore, the successful assimilation of inclusions by the slag calls for the renewal of the slag layer adjacent to the metal by kinetic means—for example, by injecting inert gas into the steel. Industrial tests of argon injection into the steel in the intermediate ladle in casting confirm that the content of oxide inclusions in the rails is reduced.     

上水口环形吹氩对中间包内渣眼形成的影响

 中间包上水口环形吹氩可以在塞棒周围形成清洗钢液的环形气幕,同时部分氩气泡随钢液进入上水口内,可以减少非金属夹杂物在水口内壁的黏附,起到防止水口堵塞的作用。然而,不合理的吹氩量会导致中间包内液面渣层受过强的气液羽流冲击而形成渣眼,使得钢液裸露并发生二次氧化,严重影响铸坯质量。采用标准 k ε 湍流模型研究中间包内流体流动,采用DPM模型和VOF模型耦合方法,研究上水口环形吹氩条件下渣眼的形成及演化规律。结果表明,上水口环形吹氩在塞棒周围形成较强的上升流,塞棒上部邻近区域存在多个涡流区;在钢液涡流的影响下,中间包液渣下层远离塞棒区域,上层向塞棒区域迁移;随着吹氩量的增大,平均湍动能增大,塞棒附近钢液速度逐渐增大,钢渣界面钢液速度先增大后减小,渣眼边缘钢液速度先增大后减小然后再增大,速度与垂直方向夹角逐渐减小;增大吹氩量,中间包熔池液面形成以塞棒为中心的渣眼,渣眼面积逐渐增大。试验条件下不产生渣眼的临界吹氩量为4.2 L/min,对应的钢渣界面最大速度为0.247 m/s,与垂直方向夹角为70°。     

钢?渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展

钢中夹杂物的去除一直是洁净钢研究的热点,对于提高钢材质量、保障产品性能具有重要意义。钢液中夹杂物主要通过上浮至顶渣被吸收而去除,这个过程可细分为夹杂物在钢液中长大上浮、在钢?渣界面穿越分离、在熔渣中被吸附溶解3个步骤。钢?渣两相的物性差异及界面特性导致不符合条件的夹杂物无法穿过界面与钢液分离,这使得该步骤成为夹杂物去除的决定性环节,且由于钢?渣两相周围快速的物性过渡、并行的物理化学现象以及高温、不透明等特性影响,使该步骤研究难度增大。近年来,随着数值模拟技术和高温实验设备的进步,夹杂物穿越钢?渣界面行为的研究取得了一些进展。经典的受力分析模型能够对夹杂物界面行为进行半定量的预测,且对于渣系优化等具有一定的指导作用;计算流体动力学（CFD）模型在研究夹杂物界面现象方面具有优势,但研究尚处于初期,未来有望适用于更大的尺度范围、更多的行为场景和相态;水模型与数值模型相结合是一种有效的研究界面行为的方法,随着实验技术进步,可进一步对微观尺度的界面行为进行研究;高温共聚焦原位观察是研究界面行为最为直接的方法,对于探究夹杂物界面行为极有帮助,有望通过设备改进,更加完整、深入地揭示夹杂物去除的关键机理。      

Transport and Entrapment of Particles in Steel Continuous Casting

A particle-capture model based on local force balances has been developed, implemented into computational models of turbulent fluid flow and particle transport, and applied to simulate the entrapment of slag inclusions and bubbles during the continuous casting of steel slabs. Turbulent flow of molten steel is computed in the nozzle and mold using transient computational fluid flow models, both with and without the effects of argon gas injection. Next, the transport and capture of many particles are simulated using a Lagrangian approach. Particles touching the dendritic interface may be pushed away, dragged away by the transverse flow, or captured into the solidifying shell according to the results of a local balance of ten different forces. This criterion was validated by reproducing experimental results in two different systems. The implications of this criterion are discussed quantitatively. Finally, the fluid flow/particle transport model results and capture criterion are applied together to predict the entrapment distributions of different sized particles in a typical slab caster. More large particles are safely removed than small ones, but the entrapment rate into the solidifying shell as defects is still very high.