高品质特殊钢中微气泡快速过滤去除夹杂物技术研究

摘要

非金属夹杂物是影响轴承钢等高品质特殊钢性能如疲劳寿命的重要原因，钢中非金属夹杂物的数量、尺寸和分布是衡量轴承钢重要的质量指标。在现有高品质特殊钢的生产工艺流程中，对非金属夹杂物的控制大多通过LF、RH或者VD环节精炼处理，而LF、RH和VD等精炼环节在去除非金属夹杂物时需要很长的时间。这些精炼工艺虽然能生产出高品质特殊钢，但是生产的效率比较低。如何提高钢水去除夹杂物的效率成为优化轴承钢等高品质特殊钢生产工艺的难点和关键，本文研究内容为“十二五”攻关国家科技支撑计划课题的研究任务之一，重点研究钢水中固态微小夹杂物的高效快速去除技术，为开发高品质特殊钢的快速去除夹杂物的生产工艺装备提供实验室数据和理论基础。
　　本文分析研究了单一气泡上升过程中通过粘附或尾流捕捉夹杂物上浮而去除的机理、特点等，比较全面地重点研究了气泡尾流带动夹杂物上浮而被去除的过程、规律和影响因素。深入研究了常规底吹氩去除夹杂物熔池中大气泡气液两相流和弥散微小气泡气液两相流去除夹杂物规律、影响因素以及机理。在此基础上研究了扩大熔池中微小气泡区域去除夹杂物的效果，分析了大区域弥散微小气泡和覆盖渣去除夹杂物的机理，设计出了实际钢包熔池内弥散微小气泡过滤快速去除夹杂物的技术。研究结果表明:
　　(1)对于单气泡而言，细小气泡有利于夹杂物通过粘附被去除，大气泡有利于夹杂物通过尾流卷吸带引上浮被去除。气泡直径、夹杂物直径和夹杂物浓度对气泡的粘附速度和俘获速度影响较大。
　　(2)研究表明在相同流量下弥散微小气泡气液两相流内气泡数量多，分散度和比表面积大，去除夹杂物效率显著高于大气泡气液两相流。底吹流量超过一定临界值时，弥散式透气砖产生的弥散微小气泡发生碰撞聚合长大，气泡群去除夹杂物的效果变弱。常规底吹氩去除夹杂物不足之处是产生的弥散小气泡群区域有限。
　　(3)实验发现增加微小气泡两相流在熔池中分布的比例，可大幅度提高夹杂物去除效率。在相同流量情况下，采用全熔池弥散微小气泡方式的夹杂物去除效率是普通狭缝式单底吹的1.7倍，处理4 min即可达到97％的去除率。
　　(4)在钢包底吹氩过程中夹杂物主要通过气泡粘附、液流带引上浮到钢渣界面后被覆盖渣吸收而去除。底吹流量相同时，弥散小气泡群的排渣面直径小，对钢渣界面的搅动程度也小，夹杂物去除效率高。上浮夹杂物与渣层接触频率最高的区域为排渣口处的渣钢界面。随着底吹砖个数的增加，渣钢界面处的气泡作用区域扩大，湍流强度减小，有利于渣层去除夹杂物。
　　(5)结合生产过程中钢包结构和运行特点，提出了在实际钢包熔池内实现大区域分布弥散微小气泡过滤快速去除夹杂物的技术方案。在相同流量情况下，考虑综合因素下的大区域弥散微小气泡区域分布优化方式的夹杂物去除率是普通狭缝式单底吹的1.6倍，在底氩9 min时去除率即可达到95.2％。
　　(6)本文对大区域弥散微小气泡去除夹杂物的规律进行了因次分析，通过大量数据统计建立了大区域弥散微小气泡方式去除夹杂物效率与影响因素之间的经验关系式，为今后进一步研究和工程设计提供了理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 国内外高品质特殊钢中全氧和夹杂物控制水平及生产工艺流程

1．1．1 国内外高品质特殊钢中全氧和夹杂物控制水平

1．1．2 国内外高品质特殊钢生产工艺流程

1．2 高品质特殊钢中夹杂物来源和控制技术

1．2．1 高品质特殊钢中夹杂物的来源

1．2．2 高品质特殊钢中夹杂物的控制技术

1．3 钢包吹氩去除钢液中夹杂物的研究现状

1．3．1 吹氩去除夹杂物机理的研究现状

1．3．2 吹氩去除夹杂物工艺的研究现状

1．4 精炼渣控制钢液中夹杂物的研究现状

1．4．1 精炼渣对钢液中氧化元素的控制

1．4．2 精炼渣对钢液中夹杂物的吸收控制

1．5 文献小结

1．6 课题研究内容及意义

1．6．1 课题研究背景和目的

1．6．2 研究内容

1．6．3 研究方法

1．6．4 课题研究技术路线

第2章 单气泡去除钢液中夹杂物机理的研究

2．1 水模拟实验方法

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验内容

2．2 数值模拟研究方法

2．2．1 基本假设

2．2．2 控制方程

2．2．3 几何模型和计算网格

2．2．4 边界条件

2．2．5 模拟参数

2．2．6 模拟方案

2．3 气泡去除夹杂物方式的分析

2．4 气泡去除夹杂物的过程监测

2．4．1 气泡粘附去除夹杂物的过程监测

2．4．2 气泡尾流去除夹杂物的过程监测

2．5 气泡上升过程中尾流流场的数值模拟

2．6 气泡尾流去除夹杂物的规律分析

2．7 气泡去除夹杂物的影响因素的研究

2．7．1 气泡粘附去夹杂的影响因素

2．7．2 气泡尾流去除夹杂物的影响因素

2．8 本章小结

第3章 常规底吹氩去除夹杂物的研究

3．1 水模拟实验方法

3．1．1 物理模型和实验装置

3．1．2 实验参数

3．1．3 图像解析法

3．1．4 实验内容

3．2 数值模拟方法

3．2．1 基本假设

3．2．2 基本方程

3．2．3 边界条件

3．2．4 模拟参数

3．3 水模拟实验方案和数值模拟方案

3．3．1 水模拟实验方案

3．3．2 数值模拟方案

3．4 单底吹去除夹杂物的实验结果与分析

3．4．1 单底吹时气泡类型对夹杂物去除的影响

3．4．2 底吹位置对夹杂物去除的影响

3．4．3 底吹流量对夹杂物去除的影响

3．5 双底吹去除夹杂物的实验结果与分析

3．5．1 双底吹时气泡类型对夹杂物去除的影响

3．5．2 底吹位置对夹杂物去除的影响

3．5．3 底吹流量对夹杂物去除的影响

3．6 常规底吹去除夹杂物的机理分析

3．6．1 气泡群类型影响夹杂物去除的机理分析

3．6．2 底吹位置影响夹杂物去除的机理分析

3．6．3 底吹流量影响夹杂物去除的机理分析

3．7 常规底吹去除夹杂物的不足

3．8 本章小结

第4章 扩大熔池中弥散微小气泡区域去除夹杂物的研究

4．1 实验方法

4．2 实验内容

4．3 不同大小区域弥散小气泡的产生方法

4．4 实验方案

4．5 实验结果与分析

4．5．1 1／4面积底吹去除夹杂物

4．5．2 2／4面积底吹去除夹杂物

4．5．3 3／4面积底吹去除夹杂物

4．5．4 4／4面积底吹去除夹杂物

4．6 不同大小区域的弥散小气泡去除夹杂物的效果对比

4．7 本章小结

第5章 大区域弥散微小气泡快速过滤去除夹杂物机理的研究

5．1 水模拟方法和实验方案

5．2 数值模拟方法和方案

5．2．1 数值模拟方法

5．2．2 数值模拟方案

5．3 不向大小区域弥散小气泡影响夹杂物去除的机理分析

5．3．1 不同大小区域弥散小气泡时气泡群的分布规律

5．3．2 不同大小区域弥散小气泡时气泡浓度的分布规律

5．3．3 不同大小区域弥散小气泡时钢液的速度场规律

5．3．4 不同大小区域弥散小气泡时钢液的湍流强度规律

5．4 本章小结

第6章 钢包精炼渣去除夹杂物行为的研究

6．1 水模拟方法和实验方案

6．1．1 水模拟方法

6．1．2 水模拟实验方案

6．2 数值模拟方法和方案

6．2．1 数值模拟方法

6．2．2 数值模拟方案

6．3 精炼渣对夹杂物去除的影响

6．3．1 单底吹时有渣和无渣的夹杂物去除规律

6．3．2 单底吹时渣层厚度对夹杂物去除的影响

6．3．3 4／4面积底吹时有渣和无渣的夹杂物去除规律

6．3．4 4／4面积底吹时渣层厚度对夹杂物去除的影响

6．4 不同气泡群类型时精炼渣影响夹杂物去除的机理分析

6．4．1 不同气泡群类型时排渣面的特征

6．4．2 底吹氩去除夹杂物时渣钢界面处钢液的流场规律

6．4．3 不同气泡群类型时渣层去除夹杂物的机理

6．5 不同排渣面位置时精炼渣影响夹杂物去除的机理分析

6．6 单底吹时不同厚度渣层去除夹杂物的机理分析

6．6．1 不同厚度渣层时的排渣面直径

6．6．2 不同厚度渣层时渣钢界面处的流场分布规律

6．7 4／4面积底吹时不同厚度渣层去除夹杂物的机理分析

6．8 不同大小区域弥散小气泡时渣层的排渣规律

6．9 不同大小区域弥散小气泡时渣钢界面处的特征规律

6．9．1 不同大小区域弥散小气泡时渣钢界面处的气泡浓度规律

6．9．2 不同大小区域弥散小气泡时渣钢界面处的速度场规律

6．9．3 不同大小区域弥散小气泡时渣钢界面处的湍流强度规律

6．10 本章小结

第7章 钢包内大区域弥散微小气泡快速过滤去除夹杂物技术的研究

7．1 实验方法

7．1．1 水模拟方法

7．1．2 数值模拟方法

7．2 研究方案

7．2．1 水模拟方案

7．2．2 数值模拟方案

7．3 实验结果及分析

7．3．1 底吹布置方式对夹杂物去除的影响

7．3．2 底吹流量对夹杂物去除的影响

7．3．3 钢包内不同方式底吹时气泡群和气液两相区分布规律

7．3．4 钢包内不同方式底吹时钢液的速度和湍流强度规律

7．3．5 钢包内不同方式时渣钢界面的气泡浓度、速度场和湍流强度规律

7．3．6 钢包内不同方式底吹时渣层的排渣规律

7．3．7 钢包内大区域弥散微小气泡快速过滤去除夹杂物的较佳方式

7．4 本章小结

第8章 大区域弥散微小气泡快速过滤去除夹杂物的因次分析

8．1 因次分析的步骤

8．2 大区域弥散微小气泡快速过滤去除夹杂物的影响因素

8．2．1 底吹元件类型对夹杂物去除率的影响

8．2．2 渣层厚度对夹杂物去除率的影响

8．2．3 底吹位置对夹杂物去除率的影响

8．2．4 底吹流量对夹杂物去除率的影响

8．2．5 弥散微小气泡的区域大小对夹杂物去除率的影响

8．3 大区域弥散微小气泡快速过滤去除夹杂物的影响因素

8．4 待定参数的准数方程建立

8．5 大区域弥散微小气泡快速过滤去除夹杂物准数方程的确定

8．5．1 弥散式透气砖去除夹杂物的准数公式

8．5．2 狭缝式底吹元件去除夹杂物的准数公式

8．6 准数方程的分析与拟合

8．7 本章小结

第9章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著、获奖情况及发明专利

作者简介