电弧炉炼钢气体搅拌数值模拟技术发展现状与趋势

文摘   2024-11-11 05:46   英国  
在低碳发展与碳中和目标的指引下,钢铁行业正面临着减少碳排放的巨大压力。与传统的“高炉-转炉”长流程炼钢工艺相比,电弧炉短流程工艺因其投资少、生产效率高且碳排放量低而逐渐受到关注。然而,电弧炉炼钢涉及复杂的冶金现象,包括流体传输、热传输及多种化学反应,准确控制这些过程中的气体搅拌显得尤为重要。数值模拟作为一种有效的研究方法,逐渐在电弧炉炼钢的优化中发挥关键作用。
         

 

尽管气体搅拌的数值模拟对电弧炉炼钢的过程控制至关重要,现有研究仍存在不足。当前多数研究聚焦于集束射流、侧吹和底吹等单一气体搅拌方式的模拟,但未能充分考虑它们在实际工况中的相互作用。同时,对气体搅拌过程中化学反应和温度分布的模拟仍需进一步提升,以优化电弧炉内的冶金性能。
         

 

最近,中国钢研科技集团有限公司的杨丽博士及其团队,通过全面分析和数值模拟,提出了电弧炉炼钢中气体搅拌的多尺度数值模拟方法。研究覆盖了集束射流、侧吹、底吹三种气体搅拌技术,通过多种CFD模型对其对熔池的流动特性、传热和化学反应等行为进行了全面评估,并进一步优化了喷吹参数。该研究系统性总结了每种搅拌方式的特点,并提出结合多种搅拌方式的优化方法,为电弧炉的高效生产提供了指导。   
         

 

相关研究成果以“电弧炉炼钢气体搅拌数值模拟技术发展现状与趋势”为题目发表于《连铸》期刊2024年第1期。论文作者为:程挺,杨丽*,仇灏,李通,刘和平,孟华栋。
         

 

该论文的主要研究结果与结论如下:
  • 集束射流:研究发现,集束射流的主喷流气体温度、类型及喷嘴设计是影响搅拌效果的关键参数。合理设计喷嘴及设置伴随气流可显著增强射流的混合效果。
  • 电弧炉侧吹:通过氧枪的科学布局及供氧强度的优化,实现了熔池流动特性和化学反应速率的提升,熔池的整体搅拌效果大幅改善。
  • 电弧炉底吹:底吹流量、底吹孔布局和脉动模式对熔池的速度分布、温度均匀性及“死区”面积有显著影响。优化底吹模式,可有效减少冶炼中的死区并提高搅拌效果。
  • 数值模拟优化:通过系统的数值模拟手段,研究结果显示多种搅拌方式的结合将进一步优化熔池内的流动和温度分布,提升冶炼效率并减少碳排放。
         

 

论文中的主要图片和表格如下:   
图1. 集束射流截面温度分布
         

 

图2. 集束射流速度分布结果
         

 

   
图3. 熔池中碳含量的时间分布
         

 

图4. 120t交流电弧炉熔池速度与温度分布
         

 

   
图5. 不同底吹工艺下熔池水平截面速度分布

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