RH真空精炼过程气液两相流动行为及气泡驱动效率的研究

摘要

RH真空精炼是一个涉及气液两相流动、传热传质和化学反应等复杂的冶金过程，其循环脱气是通过吹入氩气驱动钢液来实现的，吹氩条件及氩气泡在钢液中的流动行为对精炼效率的影响至关重要。在实际生产过程中，各操作参数及结构对循环精炼效率的具体影响难以准确测量和定量研究。因此，通过物理模拟与数值模拟相结合的办法来研究RH真空精炼过程已成为开发RH新工艺、新装置模型的主要手段，进而达到提高精炼效率的目的。
　　本文采用水模型模拟实验和计算流体力学(CFD)数值模拟相结合的方法，将气泡聚并、破碎等微观行为与气泡驱动效率等宏观特性相联系，并考虑了吹氩角度和吹氩流量两因素对循环流动效率的协同影响，对RH精炼过程中多相流动和混合特性以及气泡驱动效率作了深入研究。此外，在传统RH真空精炼装置基础上提出了两种新型浸渍管截面形状的单纯底吹真空循环精炼装置，以及一种新型浸渍管截面形状的侧底复吹真空循环精炼装置模型，并进行了物理及数值模拟，本文主要研究工作如下：
　　(1)以某钢厂180t RH真空精炼装置为原型，设计加工了几何相似比为1∶5的RH真空循环脱气水模拟系统，利用水模型试验进行两因素（喷吹角度和吹氩流量）作用下三水平的水模型正交试验研究，深入揭示了RH真空精炼过程中循环流动状态变化规律，考察吹氩流量与吹氩角度对循环流量的影响程度，并寻求最佳的吹氩方案。
　　(2)建立了描述RH真空精炼过程气液两相流动的三维数学模型，采用计算流体力学(CFD)数值求解方法，获得了RH上升管、真空室、下降管、钢包内整体多相循环流动行为及混合特性。在此基础上，探讨了同等真空度下吹氩喷嘴分布形式、吹氩喷嘴上下排间距等参数对循环流量的影响。
　　在获得稳定流场的基础上，应用示踪剂浓度扩散模型，模拟了RH精炼过程的混合特性，获得了示踪剂浓度-时间变化曲线，与物理模拟结果相比较，有较一致的变化趋势。
　　(3)为进一步深入探索RH真空精炼过程循环流动规律，在数值模拟获得稳定流场的基础上，建立CFD-PBM(Population Balance Model)耦合模型，把气泡聚并和破碎行为的研究引入到CFD求解框架之内，考虑气泡聚并、破碎对循环流动行为的影响，实现了对气泡大小分布以及气相结构的定量描述。获得的气泡行为及其演变规律，进一步理解了RH真空精炼循环过程中气泡的内在驱动作用，为寻求RH循环流量、流场结构控制方法，从而最大程度地提高精炼效率提供了理论依据。
　　(4)利用ANSYS Workbench Environment(AWE)下的Design Xplorer优化设计模块，采用实验设计(DOE)方法进行设计点设计，以RH真空精炼下降管的出口流量作为优化目标，考察吹氩角度和吹氩流量两因素对循环流量的协同影响。利用蒙特卡罗抽样技术，采集设计参数组合点，计算优化目标对每个样点的响应结果，并利用二次差值函数构造设计空间的响应面云图和响应曲线，搜索到了目标函数的极值，实现了对RH真空精炼装置吹氩参数的协同优化设计。
　　(5)在传统RH真空精炼装置研究的基础上，提出了两种新型截面形状的单纯底吹真空精炼装置及一种新型浸渍管截面的侧底复吹真空精炼装置模型，并利用物理模拟与数值模拟相结合的方法，对此三种新型真空循环精炼装置气液两相循环流动进行了模拟，分析了新型结构真空精炼装置内循环流动及混匀时间等特性，为寻求气泡驱动效率最大化、探索RH新型结构做了新的重要尝试。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 炉外精炼技术

1．2 RH真空精炼技术

1．2．1 RH真空精炼原理与特点

1．2．2 RH真空精炼的技术发展

1．2．3 RH真空精炼循环流动的研究现状

1．3 本课题的研究意义及研究内容

1．3．1 本课题的研究意义

1．3．2 本课题的研究内容

第2章 RH真空精炼过程循环流量与混合特性的物理模拟

2．1 引言

2．2 试验装置与系统

2．3 试验原理与方案

2．3．1 相似准则及模型参数的确定

2．3．2 测定方法

2．3．3 试验方案

2．4 结果分析及讨论

2．4．1 RH真空精炼循环流动过程

2．4．2 RH真空精炼过程的混合特性

2．5 本章小节

第3章 RH真空精炼装置内流场和混匀时间的数值模拟

3．1 引言

3．2 数学模型

3．2．1 基本假设

3．2．2 控制方程

3．2．3 网格划分与边霁条件

3．2．4 数值求解及相关参数

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 上升管中气含率分布

3．3．2 RH真空精炼装置中循环流动

3．3．3 吹氩喷嘴单、双排分布对气含率分布的影响

3．3．4 吹氩喷嘴分布形式对循环流量的影响

3．3．5 RH真空精炼过程中的混合特性

3．4 本章小结

第4章 RH真空精炼过程中气泡运动行为

4．1 引言

4．2 群体平衡模型

4．2．1 群体平衡模型在模拟气泡分布中的应用

4．2．2 群体平衡模型的数学描述

4．2．3 气泡聚并与破碎模型

4．2．4 群体平衡模型求解方法

4．3 研究对象与方法

4．3．1 数值计算对象

4．3．2 模型选择与设置

4．4 结果分析与讨论

4．4．1 气含率分布云图

4．4．2 气含率分布曲线

4．4．3 气泡在上升管中的气泡密度数分布

4．4．4 气泡直径分布直方图

4．4．5 气泡均一与考虑聚并破碎时流场结构

4．5 本章小结

第5章 基于AWE的多因素协同分析与优化设计

5．1 引言

5．2 优化方法与CAE

5．2．1 AWE简介

5．2．2 基于AWE的优化方法

5．3 基于AWE的数值优化设计过程

5．3．1 目标驱动优化设计方法与流程

5．3．2 优化参数的设置

5．3．3 变量设计点设计

5．4 优化结果及分析

5．4．1 吹氩参数对循环流量的影响

5．4．2 设计变量与优化目标空间关系

5．4．3 吹氩参数对循环流量影响的灵敏度分析

5．5 本章小结

第6章 钢水真空循环精炼装置结构优化与改进

6．1 引言

6．2 物理与数值模拟对象

6．3 试验方法

6．4 试验结果与分析

6．4．1 新型结构单纯底吹真空精炼循环流动过程

6．4．2 新型侧底复吹真空精炼循环流动过程

6．4．3 新型侧底复吹循环精炼装置液体流动混合特性

6．5 数值模拟

6．5．1 建模与网格划分

6．5．2 数值假设条件

6．5．3 控制方程

6．5．4 边界条件

6．6 数值模拟结果与分析

6．6．1 不同供气流量下真空循环精炼装置气含率分布

6．6．2 不同供气流量下真空循环精炼装置主截面流场分布

6．6．3 三种新型真空循环精炼装置主截面的湍动能分布

6．6．4 数值模拟结果与水模试验结果对比

6．7 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文主要结论

7．2 研究展望

创新点摘要

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表学术论文情况

附录B 攻读博士学位期间参与的科研项目

作者简介