钢液中非金属夹杂物上浮和分布的物理模拟研究

摘要

随着炼钢技术的不断发展，近年来超纯净钢的技术已成为钢铁生产的主要发展方向之一。钢液中非金属夹杂物的数量、分布、形状和大小是衡量钢的纯净度的重要指标。钢液中的非金属夹杂物不同程度的发生着碰撞、合并、长大、团聚和上浮，夹杂物之间的碰撞是诱发夹杂物发生团聚进而影响其在钢水中分布的原因。对于夹杂物的去除机理主要是通过自身浮力而上浮、团聚、长大和吸附于容器内壁或者气泡的表面。目前，冶金工作者在研究夹杂物的聚集上浮行为时，将夹杂物简化为理想的球形，但是夹杂物的形貌特征是不规则的，与理想化的夹杂物存在着区别，难以比较全面真实的反应出夹杂物在钢水中的上浮和团聚行为。 本文基于相似理论，以相似比为λ=1:4建立钢包底吹氩的物理模拟系统，利用高速摄像仪和专业的图像处理软件（Iamge Pro-Plus）研究了某钢厂60t精炼炉吹气量和时间对不同尺寸夹杂物去除程度的影响以及钢包不同高度上夹杂物的空间分布规律。结果表明：钢包底吹过程中，吹气时间到对夹杂物的去除影响规律相同，14min时夹杂物基本去除，流量为0.08m3/h，去除率最高；200～355μm的夹杂物比105～150μm的微型夹杂物更容易被去除；在工艺参数相同条件下，对相同粒径大小的夹杂物颗粒，夹杂物颗粒的数量对夹杂物上浮率的影响比较小； 夹杂物在气液两相区的数量和分布比其他区域少，且尺寸较大，在距离透气砖较远的底部存在一个弱流区，此区域夹杂物的密度较大，不易去除。 通过在不同时间节点拍照，采用Iamge Pro-Plus、Matlab软件以及分形理论的计盒维数的方法，对液相中的单颗粒及团聚体的分形维数进行计算，研究了不同流量下夹杂物粒子实际上浮速度与粒子边缘分形维数的关系。结果表明：盒维数求斜率法均可精确地求出夹杂物的分形维数，夹杂物的形貌越是复杂，对应的分形维数越大；大部分单个夹杂物粒子碰撞前的分形维数为1.6左右，碰撞后的团聚体与吹气量有关，吹气量较小时团聚体比较疏松，分形维数变小，随着流量增加分形维数大于单颗粒分形维数，为1.8左右，增加吹气量，有利于夹杂物的碰撞团聚，使团聚体的分形维数变大；夹杂物的分形维数与实际上浮速度呈正相关，这与采用分形维数和动力直径计算的理论值基本一致，说明该方法是准确可行的。

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