轉爐側吹熔煉水模型計算機仿真實(shí)驗論文
摘要：本文針對側吹噴吹總氣量與噴槍內徑開(kāi)展水模擬及計算機仿真實(shí)驗研究，通過(guò)頂吹吹氣攪拌運動(dòng)狀態(tài)、攪拌混勻時(shí)間、熔池攪拌強度的對比對比分析，探索轉爐側吹熔煉的最佳噴吹氣量和噴槍尺寸的等設計參數。
關(guān)鍵詞：側吹熔煉;水模型;計算機仿真;研究
1前言
某廠(chǎng)陽(yáng)極泥和貴鉛處理主要采用轉爐表吹熔煉，存在能耗較高的缺點(diǎn)。國內側吹轉爐主要用于煉鋼，項目組擬通過(guò)實(shí)驗研究，探索煉鋼的側吹轉爐用于處理陽(yáng)極泥和貴鉛的相關(guān)參數。國內外公開(kāi)報道研究側吹轉爐爐內熔熔煉體行為的研究很少。項目組開(kāi)展轉爐側吹熔煉水模型及計算機仿真實(shí)驗研究，達到以下目的。1.1試驗研究得到的規律可以用來(lái)解釋實(shí)際冶金過(guò)程的規律；1.2實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現和總結出一些具有參考價(jià)值的數據，指導實(shí)際冶煉過(guò)程中工藝的改進(jìn)；1.3成本低、重復試驗性強、試驗周期短。
2實(shí)驗方案
根據工程實(shí)際需求以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗先確定爐型尺寸并建立水模型有機玻璃反應器.1，模型相關(guān)研究參數及實(shí)驗變量實(shí)驗主體為在臥式圓柱體模型爐體的基礎上，用水作為流體模擬陽(yáng)極泥和貴鉛進(jìn)行實(shí)驗。圖2為側吹吹氣方式簡(jiǎn)圖，實(shí)驗主要設置變量為噴吹總氣量與噴槍內徑。實(shí)驗主體基于粒子圖像測速系統對不同變量下的熔池流場(chǎng)進(jìn)行拍攝觀(guān)測，每一組實(shí)驗連續拍攝30張流場(chǎng)圖片。同時(shí)輔以高速攝像系統觀(guān)測各變量下熔池的實(shí)際運動(dòng)狀態(tài)及其變化，使用電導率儀以飽和食鹽水為介質(zhì)對熔池電導率進(jìn)行測定以確定熔池攪拌混勻時(shí)間。通過(guò)對實(shí)驗數據大量對比綜合分析以確定反應器最佳參數。
3熔池頂吹吹氣攪拌運動(dòng)狀態(tài)分析
本實(shí)驗基于粒子圖像測速系統與高速攝像系統進(jìn)行了大量系統性的物理模擬實(shí)驗，、噴吹總氣量10m3/h下的側吹吹氣方式的瞬時(shí)狀態(tài)圖.實(shí)驗條件下的側吹吹氣方式的瞬時(shí)矢量云圖，氣方式的熔池運動(dòng)狀態(tài)簡(jiǎn)圖。雙排側吹過(guò)程使用水平噴吹射流時(shí)熔池能量損耗較少，噴吹射流能量不會(huì )部分消耗于強噴射造成的噴濺，也不會(huì )部分消耗與射流穿透。側吹過(guò)程中，熔池主流區主要存在于熔池中上部，蕭澤強老師在單排側吹研究中提到：側吹射流前方熔池內形成一股可基本占據全熔池的主循環(huán)流。在作者的研究中，雙排側吹過(guò)程將在熔池下部形成兩股循環(huán)流，在理想狀態(tài)下，雙循環(huán)流能夠相互循環(huán)。
4熔池側吹吹氣攪拌混勻時(shí)間對比
熔池混勻速度的大小，由記錄到的熔池電導率變化曲線(xiàn)確定。電導率曲線(xiàn)的不斷變化或激劇波動(dòng)，均表示混合尚未均勻，當電導率曲線(xiàn)的上下波動(dòng)穩定的等于或小于平均值的5%時(shí)，即可認定混勻時(shí)間足夠均勻，所消耗的時(shí)間即位混勻時(shí)間。實(shí)驗利用DDSJ-308A電導率儀對熔池側吹吹氣攪拌混勻時(shí)間進(jìn)行測定，測定結果如下圖所示。，當側吹氣量較小時(shí)，隨側吹氣體流量的增加，熔池攪拌混勻時(shí)間隨之下降較快；當側吹氣量較大時(shí)，隨側吹氣體流量的增加，熔池攪拌混勻時(shí)間隨之下降較慢。這表明在低的側吹氣體流量范圍，隨側吹氣體流量增加，熔池的水平攪拌作用逐漸增強，使熔池的混勻時(shí)間隨之下降；而當側吹氣體流量較大時(shí)，再增加側吹氣體流量，對熔池的攪拌混勻影響很小。隨側吹噴槍內徑的增加，熔池攪拌混勻時(shí)間變化規律大體相當。在此實(shí)驗條件下，每種噴槍內徑下熔池攪拌混勻時(shí)間都存在一個(gè)拐點(diǎn)，當側吹氣體流量小于拐點(diǎn)時(shí)，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時(shí)間隨之下降較快；當側吹氣體流量大于拐點(diǎn)時(shí)，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時(shí)間隨之下降較滿(mǎn)。噴槍內徑2.5mm時(shí)，臨界氣體流量為7.5m3/h，此時(shí)熔池攪拌混勻時(shí)間約為25s～30s；噴槍內徑5mm時(shí)，臨界氣體流量為10m3/h，此時(shí)熔池攪拌混勻時(shí)間約為28s～33s；噴槍內徑7.5mm時(shí)，臨界氣體流量為7.5m3/h，此時(shí)熔池攪拌混勻時(shí)間約為30s～38s；噴槍內徑10mm時(shí)，臨界氣體流量為12.5m3/h，此時(shí)熔池攪拌混勻時(shí)間約為28s～30s。由此可知在側吹過(guò)程中，小的側吹氣量下應選用相對小噴槍內徑有利于降低攪拌混勻時(shí)間；大的側吹氣量下應選擇相對較大噴槍內徑。
5熔池側吹吹氣熔池攪拌強度對比
通過(guò)粒子圖像測速技術(shù)（PIV）得到的不同噴槍內徑不同噴吹總氣量熔池瞬時(shí)照片經(jīng)由Tecplot軟件進(jìn)行分析處理，從而得到噴槍不同插入深度熔池運動(dòng)矢量云圖（圖中VelMag表示在云圖中流場(chǎng)某處微元的融合速度，單位m/s；右側色柱為速度強度的強弱由低到高）。由于粒子圖像測速激光片光源性質(zhì)，本實(shí)驗激光拍攝位置全部為臥式圓柱形爐體偏右側1/4處。由圖7與表2可知道，對比側吹過(guò)程不同氣量單個(gè)噴槍內徑熔池片光源截面平均速度，噴吹氣量變化規律為：當噴吹氣量為5m3/h～12.5m3/h時(shí)，熔池片光源截面平均速度隨噴吹氣量增加而增加，當噴吹氣量超出12.5m3/h時(shí)，熔池片光源截面平均速度隨噴出氣量增加變化相對較緩，說(shuō)明側吹過(guò)程噴吹氣量臨界值為12.5m3/h左右。對比側吹過(guò)程不同氣量不同噴槍內徑熔池片光源截面平均速度，噴槍內徑5.0mm時(shí)，各噴吹氣量下熔池片光源截面平均速度皆大于其余噴槍內徑，因此認為噴槍內徑5.0mm左右為此種爐型側吹狀態(tài)下的最佳噴槍尺寸。
6結論
�。�1）側吹過(guò)程中，熔池主流區主要存在于熔池中上部，水平流股噴入熔池后，側吹射流的能量帶動(dòng)熔池運動(dòng)，射流在風(fēng)壓作用下噴入一定距離后，變成大小各異的離散氣泡或氣泡團，此時(shí)熔池左右兩側上部區域會(huì )形成氣液兩相區。（2）側吹熔池上部到液面區域運動(dòng)相對強烈，而熔池下部區域運動(dòng)較為緩慢。噴槍內徑越大，氣泡尺寸越大，同時(shí)隨噴吹氣量增大，氣泡尺寸也增大。（3）在此實(shí)驗條件下，每種噴槍內徑下熔池攪拌混勻時(shí)間都存在一個(gè)拐點(diǎn)，當側吹氣體流量小于拐點(diǎn)時(shí)，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時(shí)間隨之下降較快；當側吹氣體流量大于拐點(diǎn)時(shí)，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時(shí)間隨之下降較滿(mǎn)。由此可知，在小的側吹氣量下應選用相對小噴槍內徑有利于降低攪拌混勻時(shí)間；大的側吹氣量下應選擇相對較大噴槍內徑。（4）側吹過(guò)程噴吹氣量拐點(diǎn)為7.5m3/h左右，噴槍內徑5.0mm左右為此種爐型側吹狀態(tài)下的最佳噴槍尺寸。
參考文獻:
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