关键词：
电弧炉
连续加料
电弧等离子体
复合吹炼
废钢熔化
数值模拟
摘要：
全废钢连续加料电弧炉是多相反应与多物理场耦合的复杂系统,电弧炉炼钢涉及的供氧射流、底吹搅拌和连续加料等多工艺协同优化直接影响炼钢效率提升。本文针对电弧炉炼钢高效化发展需求,聚焦电弧炉炼钢过程多工艺协同下多物理场耦合效应,以全废钢连续加料电弧炉为研究对象,采用数值模拟和物理模拟相结合的研究方法,探究电弧炉炼钢过程中物理场演变机制,阐明电弧传热、熔池流动和废钢熔化等特性对电弧炉炼钢效率的影响机理,通过工艺参数优化匹配,提出全废钢连续加料电弧炉高效炼钢技术方案,并结合工业级电弧炉内多物理场多工艺全耦合模拟研究,为实际生产过程中全废钢连续加料电弧炉高效化炼钢提供指导。主要研究内容和结论如下:
通过建立多物理场下电弧与熔池耦合模型,研究了电弧与熔池间的流动及传热特性。结果表明,电弧等离子体传递到熔池表面的热量整体呈高斯分布,热量传递速率由对流—传导和辐射热决定。当弧长恒定时,随着电弧电流的增加,电弧功率和电弧与熔池间总传热量增大;当电弧电流恒定时,对于较短的弧长,虽电弧功率减小,但电弧与熔池间传热效率升高。在电弧等离子体射流撞击熔池表面的过程中,由于电弧压力和等离子剪切应力合力作用,熔池表面会形成凹坑。凹坑形成可分为三个阶段:膨胀阶段、压缩阶段和动态平衡阶段;凹坑形成后,熔池内存在两种流动模式:在熔池顶部和侧壁以等离子剪切应力为驱动力的顺时针涡流,在熔池底部以电磁力为驱动力的逆时针涡流;电弧加热区主要集中在0.2～0.6 m的径向范围内,高温区位于熔池表面并呈现向侧壁扩展的趋势,且熔池升温速率从中心到炉壁先增大后减小。
通过建立100 t连续加料电弧炉1:4缩小的物理模型,研究了电弧炉内熔池流动特性。结果表明,熔池混匀时间随底吹布置半径的增大而增加,随底吹气体流量、侧吹水平偏转角度和侧吹气体流量的增大而减少,而随垂直偏转角度的增大先减少后增加。复合吹炼最优匹配方案为:侧吹流量30.6m3·h-1,侧吹水平偏转角度55°,侧吹垂直偏转角度35°,底吹流量0.164m3·h-1,底吹布置半径0.4R。熔池混匀时间(Δt)与侧吹流量(Qc)、侧吹水平偏转角(α)、侧吹垂直偏转角(β)、底吹流量(Qd)、底吹布置半径(Rd)、液体密度(ρ1)、重力加速度(g)和液体黏度(μ1)等因素的量化关系为:(?)
构建了耦合传热传质的废钢熔化模型,研究了电弧炉内废钢熔化机理。结果表明,废钢熔化过程分为凝结层形成阶段、凝结层重熔阶段和废钢本体熔化阶段。凝结层形成及重熔过程主要受控于钢液向废钢的传热量与废钢升温和熔化所需热量的平衡关系。随着废钢预热温度、钢液温度和钢液碳含量的提高,以及废钢厚度的减小,凝结层存在时间和废钢熔化时间缩短。
建立了耦合废钢与钢液间热质传递的连续加料—废钢熔化模型,研究了连续加料电弧炉内废钢熔化特性。结果表明,连续加料—废钢熔化过程中炉内废钢运动经历了自由落体、自由分离和自由堆积三个阶段。废钢颗粒聚团和废钢颗粒堆积现象是影响废钢熔化速度的主要原因,加强熔池搅拌是加快废钢熔化速度最有效措施。另外,随着废钢预热温度的升高,废钢平均熔化速率增大。相比于提升废钢预热温度,提升钢液温度更有利于缩短废钢熔化时间。随着废钢颗粒直径的减小或钢液深度(留钢量)的增加,废钢熔化时间减少。同时,颗粒直径、留钢量、以及加料速度的优化需充分考虑钢液供热能力。在废钢孔隙度大于0.9的条件上,可适当提升废钢运动速度,从而实现废钢的快速连续加入与快速熔化。
基于电弧传热、熔池流动和废钢熔化等因素对电弧炉快速熔炼的影响规律,构建了工业级连续加料电弧炉内多物理场多工艺全耦合三维数值模型,研究了底吹搅拌、侧吹射流和连续加料等多工艺协同下废钢熔化规律,建立了电弧功率、复合吹炼因素、废钢预热温度、钢液温度、钢液深度、废钢颗粒直径、废钢体积分数和废钢速度等影响因素与废钢平均熔化速率间的定量关系,为实际生产过程中全废钢连续加料电弧炉高效化炼钢工艺优化提供了工艺指导,应用于100 t的示范电弧炉,使其冶炼周期从55 min缩短至30 min,实现了全废钢连续加料电弧炉的快速熔炼。
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