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随着工业界对钢才质量的要求越来越严格,许多高性能钢种的夹杂物必须控制≤10μm。为了使钢液中非金属夹杂物彻底排除,从铁水预处理、炉外精炼、中间包处理直到结晶器过程,应把握每一环节去除夹杂物的机会。结合吹氩搅拌和电磁搅拌是生产纯净钢行之有效的手段之一。
本文分别建立了侧吹反应器模型和通道式侧吹反应器模型,其中通道式侧吹反应器模型结构类似于RH真空精炼装置的上升管。设计这两种反应器主要是为了研究喷气和施加磁场对排除夹杂效果的影响。同时还分别在两种反应器上施加旋转磁场,利用电磁驱动旋流来提高去除非金属夹杂物的效率。上升管内钢水受到磁场施加的旋转离心力,做离心运动,而气相与非金属夹杂物密度小且不受电磁力,被钢水挤到上升管中心区域。因此管壁的侵蚀作用减轻,并增加了氩气泡与非金属夹杂物的碰撞、合并机会,夹杂物的去除效率也相应提高。
由于传统的均相流模型无法将水平侧吹的气体引入计算流体区域,所以本文提出了一种修正的均相流模型来模拟反应器内的两相流动。该修正的均相流模型是在模型的含气率守恒方程中引入穿透速度,该速度只存在于喷嘴附近的区域。其作用是将气体导入流体中,在数学上并不改变含气率守恒方程的性质,而只改变值的分布。计算实践表明,修正的均相流模型能够解决侧吹装置中的气液两相流动问题。
本文分别模拟了侧吹反应器和通道式侧吹反应器内流场的分布以及施加旋转磁场后各物理量场的分布,通过比较各物理量的变化,发现在有旋转磁场作用时气相较为集中于上升管中心区域。这样既增加了排除夹杂的效率也可以减少对管壁的冲刷,可以延长反应器寿命。
论文中的计算模型具有一定的通用性,可以对施加旋转磁场后的精炼反应器内的实际流动状况和两相分布进行模拟和预测。同时侧吹反应器还可以用于分析钢包精炼和铁浴式熔态还原等其它一大类侧吹装置的传输问题。