隨著市場對鋼材質量和成本要求越來越嚴格,高效率、低成本的潔凈鋼生產(chǎn)已成為了當今世界鋼鐵發(fā)展的一個重要趨勢。由于夾雜物對鋼材質量危害極大,潔凈鋼生產(chǎn)的一個主要任務就是去除鋼中夾雜物,底吹氬作為最重要的去除夾雜物手段現(xiàn)已廣泛應用于各種爐外精煉過程,如LF、VD、CAS-OB等。但目前為止,國內(nèi)外還沒有真正認識底吹氬行為在夾雜物傳輸及去除過程的作用機理,其主要體現(xiàn)在兩個方面:1)仍不清楚底吹氬所形成的氣液兩相流行為內(nèi)在機理,尤其是鋼包內(nèi)氣含率分布及底吹引起的鋼液湍流運動規(guī)律。2)影響底吹氬鋼包中夾雜物傳輸?shù)囊恍┲匾F(xiàn)象和機理被忽視,例如,湍流鋼液中的夾雜物隨機運動、氣泡-夾雜物湍流碰撞、氣泡尾渦捕捉、鋼包渣圈影響,等等。因而,解決這些問題對于掌握底吹氬鋼包內(nèi)夾雜物傳輸行為規(guī)律以及提高夾雜物去除效率至關重要。此外,硫作為鋼中主要雜質元素對鋼材性能有著多方面的不利影響,也是潔凈鋼生產(chǎn)的主要脫除或控制元素。目前,(超)低硫鋼的生產(chǎn),主要依靠鐵水預處理和鋼包二次脫硫工藝聯(lián)合實現(xiàn),而這些工藝均存在流程長、靈活性差、脫硫效率低等諸多缺陷。最近,東北大學自主研發(fā)了新一代鋼包底噴粉脫硫L-BPI(Ladle-Bottom Powder Injection)技術,該技術在克服傳統(tǒng)脫硫工藝缺陷的同時,還起到了縮短生產(chǎn)流程,提高生產(chǎn)效率,降低成本的作用,對鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排也有著重大影響。L-BPI工藝成功工業(yè)化的關鍵在于其效果與效率,為此需要對鋼包底噴粉精煉動力學等方面開展研究工作,但目前國內(nèi)外對底吹鋼包渣-金反應脫硫動力學的研究尚且不夠成熟,對于鋼包底噴粉新技術反應脫硫動力學研究更屬于空白階段。針對上述問題,本文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:(1)底吹氬鋼包內(nèi)氣液兩相流行為研究。本文在歐拉模型中首次綜合考慮了鋼包內(nèi)液體脈動造成的氣泡擴散現(xiàn)象,以及氣泡上浮誘導所產(chǎn)生的液體湍流現(xiàn)象;考察了氣液相間曳力、升力、虛擬質量力對氣液兩相流的影響,合理確定了模型參數(shù)。解決了底吹鋼包內(nèi)氣液兩相流行為理論描述的關鍵問題。(2)底吹氬鋼包內(nèi)夾雜物傳輸和去除行為研究。本文首次考慮了夾雜物隨機運動、氣泡-夾雜物湍流碰撞、氣泡尾渦捕捉以及渣圈影響等一些重要現(xiàn)象,并提出了相關機理模型,考察了湍流旋渦剪切速率、夾雜物隨機運動和斯托克斯上浮速率對夾雜物聚合長大的影響規(guī)律,同時考察了氣泡-夾雜物隨機碰撞、氣泡-夾雜物剪切碰撞、氣泡-夾雜物浮力碰撞、夾雜物自身上浮、氣泡尾渦捕捉、壁面吸附及渣圈行為對夾雜物去除的影響規(guī)律。揭示了上述各個機制在夾雜物傳輸行為中的作用和貢獻。研究發(fā)現(xiàn):①在低氣流量下,夾雜顆粒聚合主要依賴于夾雜物湍流剪切碰撞和斯托克斯浮力碰撞共同作用,其中斯托克斯浮力碰撞為主導機制。隨著噴氣流量的增加,夾雜物湍流剪切碰撞逐漸成為主導機制。而當噴氣速率超過100NL/min時,夾雜物湍流隨機碰撞對夾雜物聚合長大作用增強。②在吹氣攪拌初期,夾雜物去除主要是由氣泡尾渦捕捉和氣泡-夾雜物浮力碰撞起主導作用。在吹氣攪拌中期和后期,氣泡-夾雜物湍流隨機碰撞作用增強,并成為夾雜物去除的主導方式。③雙孔底吹的夾雜物去除效果最好,單孔偏心底吹夾雜物去除效果最差。隨著噴氣流量的增加,夾雜物去除率逐漸增加,但當噴氣量超過300NL/min時,去除率變化較小。(3)底吹氬鋼包內(nèi)渣-金反應和脫硫行為研究。首先在熱力學方面,考察了不同機理模型以確定合理的硫容量和界面氧活度模型。然后在動力學方面,首次建立了 CFD-SRM耦合模型綜合考慮了鋼包內(nèi)氣液兩相流和渣圈中氧氣吸收及氧化反應等因素對渣-金反應的影響,并通過與實測數(shù)據(jù)對比,合理確定了熱力學和動力學模型參數(shù)。在此基礎上研究揭示了鋼液成分、頂渣成分及底吹模式等因素對渣-金反應及脫硫效率的影響規(guī)律,結果表明:①本文所建立的CFD-SRM耦合模型可以準確預測底吹鋼包內(nèi)的渣-金反應和脫硫行為。相比于僅考慮渣-金界面的(Al2O3)-[O]平衡或(FeO)-[O]平衡,(Al2O3)-(FeO)-(SiO2)-(MnO)-[S]-[O]同時反應平衡模型(SRM)能夠更準確的描述渣-金之間的脫硫熱力學。當不考慮渣圈內(nèi)的氧氣吸收和氧化反應時,脫硫效率將被過高估計。②隨著鋼液中[Al]和[Si]濃度增加,鋼液脫硫效率增加。但當[Al]濃度超過0.01%,[Si]濃度超過0.5%時,脫硫效率增長緩慢。隨著渣中(Al2O3)濃度的降低,脫硫效率快速增大,但當(Al2O3)低于23%時,脫硫效率增加緩慢。隨著渣中(SiO2)和(MnO)濃度的增加,脫硫速率迅速降低。③鋼包雙底吹比單底噴吹的脫硫效率更大。隨著渣厚比的增加,脫硫效率增加,但當渣厚比超過0.04時,脫硫效率變化很小。隨著底吹流量的增加,脫硫效率先增大后減小,當?shù)状盗髁繛?00NL/min時,脫硫效率最大。(4)鋼包底噴粉新工藝精煉動力學研究。本文首次提出了底噴粉過程中頂渣-鋼液、空氣-鋼液、粉劑-鋼液、氣泡-鋼液多界面同時反應模型,首次考慮了氣液兩相流、粉劑傳輸以脫硫產(chǎn)物飽和對精煉反應動力學的影響,考察了噴粉參數(shù)對粉劑傳輸和脫硫效率的影響,并揭示了各傳輸和反應機制的貢獻和影響。研究發(fā)現(xiàn):①在低噴粉量時,鋼液脫硫主要依賴于粉劑-鋼液和頂渣-鋼液反應共同作用,其中頂渣-鋼液反應為主導機制。當噴粉量超過0.75kg/t時,粉劑-鋼液反應成為主導機制,當噴粉量大于2.25kg/t時,氣泡-鋼液反應脫硫作用增強,并超過頂渣-鋼液貢獻。②去除脫硫產(chǎn)物夾雜的關鍵在于鼓泡流區(qū)域內(nèi)的氣泡-粉劑間的碰撞粘附作用,氣泡尾渦捕捉作用次之,而粉劑自身上浮去除機制的貢獻最小。③隨著噴氣量的增加,鋼液脫硫效率和粉劑夾雜去除效率降低;隨著噴粉量的增大,鋼液脫硫效率和粉劑去除效率增大,當噴粉量為600NL/min,噴粉量由0.75kg/t增大到3kg/t時,脫硫率由51.9%增加到82.5%,粉劑夾雜去除率由46.8%增大到55.1%。粉劑中(Al2O3)含量對脫硫效率有明顯影響,在1.5kg/t噴粉量時,隨著粉劑中(Al2O3)含量由30.0%降到1.0%,鋼液脫硫率由59.8%增大到85.8%。
【學位單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TF703.5
【部分圖文】：

鋼液間熱交換和傳質過程可以在粉料或反應產(chǎn)物上浮至熔池界面在熔池深部完成。這就大大增加噴吹粉劑與熔池組元反應速度，并續(xù)供料與控制供料。連續(xù)供料可以均衡冶金反應，提高精煉效果液中的反應，從而可以改變鋼中夾雜物的組成和形態(tài)。可以經(jīng)濟有切削鋼和抗氫誘發(fā)裂紋鋼，避免鋁鎮(zhèn)靜鋼在澆注時產(chǎn)生堵塞水口決了活性元素加入問題。對于密度明顯大于或小于鋼液密度的合下蒸氣壓很高的元素，以及放散有害蒸氣的元素，用傳統(tǒng)加料方一些如鈣（沸點１４８９°Ｃ，邋１６００°Ｃ下蒸氣壓０．０２０ＭＰａ）、鎂（沸點壓２．５３３ＭＰａ）等蒸氣壓很高的元素可依靠噴射冶金方法加入。逡逑應在熔池被強烈攪動下進行。精煉過程鋼液被強烈攪拌，粉劑迅有良好動力學條件。逡逑噴粉存在問題逡逑

圖１．３鋼包底噴粉精煉新工藝示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｎｅｗ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｌａｄｌｅ邋ｂｏｔｔｏｍ邋ｐｏｗｄｅｒ邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ逡逑２００５年，東北大學的朱苗勇［１４］首次提出鋼包底噴粉精煉新工藝技術，如圖１．３所示，逡逑它是通過安裝在鋼包底部的狹縫型噴粉元件噴吹精煉粉劑或合金化粉劑的精煉新工藝，逡逑即新一代鋼包噴射冶金工藝技術Ｌ－ＢＨ邋（Ｌａｄｌｅ－Ｂｏｔｔｏｍ邋Ｐｏｗｄｅｒ邋Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）。這項新工藝逡逑可以克服上述傳統(tǒng)頂部噴粉工藝存在的缺陷，并還主要具有以下優(yōu)點：逡逑（１）

湍流鋼液中的夾雜物隨機運動、氣泡－夾雜物湍流碰撞、氣泡尾渦捕捉、鋼包等等。因而，解決這些問題對于掌握底吹鋼包內(nèi)夾雜物傳輸行為規(guī)律和提高夾效率至關重要。逡逑外，硫作為鋼中主要雜質元素對鋼材性能有著多方面的不利影響，也是潔凈鋼要脫除或控制元素。目前，（超）低硫鋼的生產(chǎn)，主要依靠鐵水預處理和鋼包工藝聯(lián)合實現(xiàn)，而這些工藝均存在流程長、靈活性差、脫硫效率低等諸多缺陷。逡逑東北大學自主研發(fā)了具有我國自主知識產(chǎn)權的新一代鋼包底噴粉脫硫Ｌ－ＢＰＩｌｅ－Ｂｏｔｔｏｍ邋Ｐｏｗｄｅｒ邋Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）技術，該技術在克服傳統(tǒng)脫硫工藝缺陷的同時，還短生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，降低成本的作用，對鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排有著重Ｌ－ＢＰＩ工藝成功工業(yè)化的關鍵在于其效果與效率，為此需要對鋼包底噴粉精煉方面開展研宄工作，但目前國內(nèi)外對底吹鋼包渣－金反應脫硫的研宄尚且不夠于底噴粉新技術反應動力學的研究更屬于空白階段。逡逑對上述問題，本文開展了如下研宄：逡逑

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本文編號：2826411