洁净钢冶炼模型研究工作概述.doc

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1、洁净钢冶炼模型研究工作概述本文在洁净钢冶炼和连铸过程的模型研究方面为初学者提供一个参考，而没有对最近发表的相关文章进行全面总结。过去的几年里，开展了许多物理模型和数学模型方面的研究，由于计算机功能日益强大和软件技术的发展，这些模型的可应用性有了很大提高。数学模型是新的建模方法，它将热力学和高溶质含量、多相流体动力学计算相结合，从而有异常强大的功能，它与例如水模实验等成熟的模拟技术一起被广泛应用。随着计算技术的进步，未来炼钢和连铸技术工艺的发展中，数学模拟技术将发挥更加重要的作用。(一)二次精炼(1)包内处理在二次精炼中研究最多的工艺是气

2、体搅拌的钢包内的包内处理。流动模式、均混时间、气泡生成以及顶渣吹开造成的钢水裸露等问题都进行过广泛研究。对钢包内气体搅拌的物理和数学模拟的文献，Mazumdar和Guthrie[1]进行了全面总结。只要模型适合某种特定的情况，它所应用的建模方法和原理也适用于二次精炼的其他方面。主要的结论是，很多情况下，钢包气体搅拌数学模型是否有效，需要将其与水模型实验的结果比较。总体上说，模型不考虑渣相，并且大多数模型没有考虑温度的不均匀分布，而是假设钢包内等温。Han等人[2]用油层模拟渣层进行了水模型实验，他们也对钢包内钢液的行为进行了数学模拟，得

3、到的结果与水模型实验的一致。Jauhiainen等人[3]对钢包内钢液的混合行为进行了数学模拟。提出了描述混合行为的隐函数，但是例如示踪剂加入位置和取样位置等实验条件对实验结果影响显著，这要归因于计算流体力学(CFD)模型的使用。他们发现将两个多孔喷嘴成60˚角布置于钢包底部混合效果最好。Alexis等人[4]建立数学模型，描述了LF内电磁搅拌产生的搅拌和加热行为。模型考虑了ASEA-SKF钢包炉内电弧加热和电磁搅拌的影响。在一个单独的模型中计算了电弧向钢液的传热，并将计算结果用作主模型的边界条件。同时加热和感应搅拌的条件下，为了预测钢

4、包内温度分布的改变进行模拟。在100吨ASEA-SKF钢包上测量的数据验证表明此模型有良好的预测效果，可以用它来进一步研究感应加热和搅拌的影响。Hassal和其合作者[6]发现将热力学和CFD模型相结合，与单独使用热力学模型相比，能够更好的描述夹杂物生成过程。为了验证CFD计算，他们进行了缩比例的水模型实验。之后，MEFOS和KTH用同样的方法建立了一个完善的模型，他们采用钢包内气体搅拌的流动模型[7]并发现与实际测量结果相当一致[8]。后来模型加入了渣相的影响[9]，考察渣/金反应的影响后认为渣成分很小的改变将对渣的粘度有很大影响，P

5、retorius和Marr[11]也对这种情况进行了讨论。进一步的发展产生，将渣/金反应热力学和流体流动[12]相耦合，模拟精炼脱硫的过程。最近选用了更加基础的方法建模描述二次氧化[13]。冶炼超低碳钢时会从渣线处吸碳，连铸后钢包内剩余玻璃渣与下一包的钢水相互作用，污染钢水，这两方面的影响已经结合CFD和热力学模型进行过研究[14,15]。发现上一炉钢水浇注后剩余玻璃渣中含有的氧化物可以将氧含量低的钢水氧化，并且产生多余的新夹杂物或者使已存在的夹杂物产生不利影响。建议使用镁碳砖减小玻璃渣在钢包内的渗透。(2)脱气RHAjmani和其合作

6、者[16]基于RH中多个动力学环节，建立了RH脱碳的通用模型，他们认为脱碳是从多个界面的进行的，例如氩气泡、CO气泡和自由表面。并考察了RH中和钢包内钢水碳含量的差别。发现钢水脱碳大多是生成CO气泡的形式，增加钢水的循环率可以增加脱碳率。这个数学模型可以用来离线预测多种脱碳参数产生的影响。Wei等人[17]模拟了喷粉、顶吹RH的传质特性。用氯化钠模拟粉剂颗粒，在一个1:5物理模型上进行水模实验，把熔池导电性看作通浸渍管直径、提升气体流量和颗粒尺寸的函数。研究结论是：随着提升气体流量、上升管内径、钢液循环率、粉剂颗粒尺寸的增加，传质效率提

7、高；随着下降管内径的增加，传质效率降低。Irons和其合作者[18]对钢包内流体流动和脱碳行为进行了物理和数学模拟。他们将溶解了CO2的NaOH溶液用空气喷射入物理模型中，利用CO2的解吸附模拟钢水脱碳。用数学模型描述了钢包内的流动，并且尝试用数学模型模拟脱碳过程。为了便于在LF和RH工艺中进行诸如吹气、喂铝线和喷粉的自动化操作，Ahn等人建立了一个通用数学模型。这个模型最有意义的部分在于可以动态预测溶解铝、脱碳量和脱氧量。这个功能是通过对下列方面的分析而实现的，包括RH的炉气、废钢和其他材料的加入引起的温度变化、化学加热、传导和辐射引

8、起的热损失和由脱气引起的温降或者钢包吹气气泡的搅拌。Miki及其合作者[20]对RH脱气工艺中夹杂物的去除进行了模拟。他们应用了一个模型描述夹杂物的碰撞和附聚，附聚使夹杂物长大，大尺寸的夹杂物上浮去除相对容