电弧炉底吹搅拌水模拟实验项目年终总结.docx
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电弧炉底吹搅拌水模拟实验项目年终总结.docx
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电弧炉底吹搅拌水模拟实验项目年终总结
1实施和试验进展情况
1.1电弧炉底吹搅拌水模拟实验
本水模实验装置示意图如图1.1所示,图1.2为实物装置图,图1.3为模型底吹气孔的排列方式。
底吹气体即采用实际生产中用到的氮气,采用自来水模拟钒铁液。
在钒铁炉相对的两侧安装电导探头连接电导率仪,然后将数据传输至计算机进行收集处理。
最后可以由计算机分析处理得到钒铁炉混匀时间。
图1.1实验装置示意图
图1.2实物装置图
图1.3模型底吹气孔排列方式
整个实验过程主要考察的是底吹气孔位置以及底吹气体流量对混匀时间以及流场的影响。
本实验采用中国水利科学研究院研发的DJ800型多功能监测系统来测定混匀时间,整个系统分为计算机、电测仪、各种传感器和相应的软件组成。
实验开始时,向熔池内加入20mL饱和KCl溶液,同时用电导探头开始测量熔池内电导率的变化,以电导率变化偏差达到最终平均电导率的±0.5%定为混合时间。
为了获得较高的精确率,对每一种工况都重复测定3~4次,取所测得的平均值为该工况下的混匀时间。
图1.4DJ800工作界面
实验因素水平以及正交试验设计如表1.1和表1.2所示:
表1.1因素水平表
因素
单孔吹气量(L/min)
吹气孔Ⅰ位置
吹气孔Ⅱ位置
吹气孔Ⅲ位置
水平1
728
a
a
a
水平2
849
b
b
b
水平3
971
c
c
c
水平4
1092
d
d
d
水平5
1213
e
e
e
表1.2正交试验表
试验号
因素1
因素2
因素3
因素4
混匀时间/s
模型单孔
底吹流量(L/min)
Ⅰ孔位置
Ⅱ孔位置
Ⅲ孔位置
第1组
第2组
第3组
平均混匀时间
1
728
a
b
d
167
163
162
164
2
849
a
e
e
219
228
216
221
3
971
a
d
a
213
213
213
213
4
1092
a
a
c
230
232
227
230
5
1213
a
c
b
230
235
226
230
6
728
b
c
c
230
235
243
236
7
849
b
b
b
188
171
180
180
8
971
b
e
d
210
210
212
211
9
1092
b
d
e
139
131
137
136
10
1213
b
a
a
144
144
149
146
11
728
c
a
e
188
183
174
182
12
849
c
c
a
183
176
176
178
13
971
c
b
c
167
174
173
171
14
1092
c
e
b
209
218
221
216
15
1213
c
d
d
174
164
154
164
16
728
d
d
b
223
229
219
227
17
849
d
a
d
235
224
215
224
18
971
d
c
e
186
176
170
177
19
1092
d
b
a
200
190
209
200
20
1213
d
e
c
166
152
156
158
21
728
e
e
a
185
190
180
184
22
849
e
d
c
160
150
146
152
23
971
e
a
b
163
173
153
163
24
1092
e
c
d
135
140
150
142
25
1213
e
b
e
164
158
156
159
由图1.5可以看出,在仅考虑因素1(模型单孔底吹流量)时,混匀时间随着底吹氮气流量的增大而减少。
不难得出以下观点:
随着吹气流量的增大,底吹气体的搅拌能力增强,促进钢液的更快混合。
图1.5底吹氮气与混匀时间的关系
图1.6、图1.7、图1.8分别显示了三个底吹气孔在不同选择时对混匀时间的影响。
由于3个吹气孔同时底吹N2会造成相互干扰,使每个吹气孔在单独观察时,并不与其位置的选择呈现一定规律。
这也从一定程度上说明了3股底吹气体相互之间存在影响,进而对流场产生一定影响。
图1.6Ⅰ孔位置与混匀时间的关系
图1.7Ⅱ孔位置与混匀时间的关系
图1.8Ⅲ孔位置与混匀时间的关系
对表1.2中实验所得数据进行方差分析,选出对混匀时间影响最显著的因素。
其结果如表1.3所示。
然后由方差分析总结出结论。
表1.3方差分析表
来源
平方和S
自由度f
方差V
F比
显著性水平
因素1
1989.8
4
497.45
2.43
90%
因素2
7411.8
4
1852.95
9.07
99.95%
因素3
1900.5
4
475.13
2.33
90%
因素4
2290.2
4
572.55
2.80
95%
e
10215.5
50
204.31
总和
23807.8
62
注意表中,
i=1,2,3,4
,k为每个因素的水平数
,n为总实验次数;m为每次实验重复次数
不难看出,在本次实验中最显著的影响因素是因素2(Ⅰ孔的吹气位置)。
由上述实验可总结出:
(1)在保持底吹位置不变的情况下,随着底吹氮气流量的增大,钒铁液的混匀时间不断减小。
(2)3个底吹孔的位置选择有相互影响作用,其中以底吹孔Ⅰ的影响最为显著。
(3)经过正交试验分析可知,最显著影响因素2首先满足其最优条件(即底吹孔e),其他2个吹气孔综合考虑混匀时间最短与保护炉壁的要求;吹气流量则综合考虑混匀时间最短与经济效益的要求(选择1213L·min-1对钒铁炉的炉壁冲刷过于严重,故选择混匀时间第二短的1092L·min-1)。
所以得到最佳的底吹方案应为:
底吹孔e-b-d,底吹流量1092L·min-1。
1.2电弧炉底吹氮的数值模拟研究
数值模拟计算方法是通过计算求解这些控制流体流动的数学方程,进而研究流体的运动规律。
尽管流动规律仍然满足各种基本定律,但由于流体的流动过程中发生了巨大的变形,使问题求解变得十分复杂。
而因无法掌握流体力学微分方程或因计算时间有限,使FLUENT软件变得十分方便实用。
通过该软件我们可以在很短的时间内了解流体的各种流动性质和规律。
电炉底吹点的位置和底吹流量对底吹效果有巨大的影响,通过软件模拟,电弧炉在三个电极之间分别布置底吹点来消除钢液循环流动的死角。
根据前期水模实验的结果得出最佳的底吹位置和底吹流量的方案有两种,表1.4中的方案1和方案2;水模实验得出随着流量的对流场的混匀更佳有利。
本实验中增加不同底吹流量,相同底吹位置下的数值模拟计算,表1.1中的方案1,3,4;另外考察在流量一定的情况下,三个点底吹和单点底吹对流场的影响,表1.1中的方案1,2,5。
表1.4喷吹方案
方案编号
单孔底吹流量L/min
Ⅰ孔位置
Ⅱ孔位置
Ⅲ孔位置
1
300
0.6R
0.6R
0.7R
2
300
0.4R
0.7R
0.7R
3
180
0.6R
0.6R
0.7R
4
240
0.6R
0.6R
0.7R
5
900
中心点单支孔
注:
底吹孔位置表示底吹点距离中心点的距离与熔池半径的比值
合理的底吹方案能够加快电炉中添加剂的均匀分布及钢液温度的均匀化。
以湍动能和速度分布情况来考察底吹效果。
湍动能越大,搅拌效果越好。
图1.9、1.10为五种电炉底吹方案下,不同截面处湍流动能云图与速度云图。
选取三个截面,分别为渣层中部截面,底吹喷嘴附近截面和以上两个截面中间处截面。
因底吹位置与底吹流量等的差异,使得电炉炉内熔池产生强度大小不同的漩涡与速度不均各方向的流股,造成了熔池内速度的不对称性分布。
由图1.10可知电炉的速度较大区域集中在电炉底吹点轴向处。
熔池内部湍动能分布各不相同,底吹偏离电炉中心轴越多,越容易在靠近底吹喷嘴的炉壁处产生漩涡,即湍动能较小的区域。
图1.9电炉底吹不同截面处湍流动能云图
图1.10电炉底吹不同截面速度云图
根据测量图1.9和图1.10中不同截面处的平均湍动能与平均速度可知方案1,2,5的平均湍动能大于方案3,4,说明这三种方案下的熔池平均湍动能更大,混匀更加良好。
这是由于1,2,5的流量较大,对熔池搅拌混匀的改善能力更强。
但方案1和2中,由于采用三只不同心喷嘴的布置方式,能改善熔池内部靠近壁面处的流动和混匀,优于方案5。
1.3电弧炉底吹氮吸收率实验研究
水模型实验,属于冷态物理模拟,就是依据相似原理,建立正确描述研究体系内物理现象或过程的物理模型,通过一定的测试手段,对研究体系的物理过程进行直观显示和观察,做出定性、定量的描述。
通过物理模拟,可以对研究体系做出真实描述,使人们正确认识研究体系的物理特征,为数值模拟源项和边界条件设定提供基础,而且还能验证数值模拟的真实性。
利用有机玻璃在保证几何相似的原则下制作模型,模型和原型的比例为2:
1,利用氢氧化钠水溶液模拟钒铁液,由瓶装二氧化碳模拟氮气进行底吹,通过氢氧化钠溶液对二氧化碳气体的吸收模拟钒铁液与氮气的反应,根据ph值计算二氧化碳的吸收率模拟出氮气在钒铁液中的吸收率。
图3为本次实验所使用的实验装置示意图。
图1.3水模拟实验装置示意图
吸收率水模型实验共分五组方案,如表1.5所示。
这五组方案吹入的总CO2量是一样的,但喷吹时间和喷吹流量(NL/min)是不一样的,吸收率越高,证明方案越好。
表1.5吸收率水模型实验方案
编号
模型流量(L/min)
原型流量(L/min)
CO2喷吹时间(min)
NaOH加入量
(g)
1
30.1
560.5
10’
107
2
40.5
747.7
7’30
107
3
50.9
954.4
6’
107
4
60.3
1122.8
5’
107
5
71.8
1330.4
4’16’’
107
在水模型实验中,从开始通入CO2的同时,利用照相机每隔15秒拍一次熔池内的照片。
由于溶液中加入了酚酞溶液,在开始时溶液呈深紫色,随着CO2不断通入,NaOH不断被消耗,pH也不断下降,溶液颜色会慢慢变浅(图1.4)。
所以,通过实验过程中的照片对比,可以更直观的了解CO2的吸收情况。
图1.4酚酞指示剂随二氧化碳喷吹时间的变化(方案1)
图1.5为5组实验方案下CO2吸收率的柱状图。
从图1.5中可以更直观的看出,随着底吹流量的增加,吸收率不断的下降。
图1.5不同实验方案下CO2流量与吸收率的柱状图
二氧化碳的吸收率(y)与底吹流量(Q)基本呈线性关系,其线性关系式为:
y=(-0.001Q+0.209)×100%
根据上式可以计算出不同底吹流量下的二氧化碳吸收率,同时也可以类比吹底吹增氮过程中的氮气吸收率,对电炉冶炼氮化钒铁的底吹增氮工艺有很大的参考价值。
1.4电弧炉底吹氮热态实验室研究
管式炉实验主要目的是通过液体渗氮实验,制备出含氮钒铁(合同中要求热态实验氮含量不低于1.5%)。
考察渗氮温度(1600~1650℃)、渗氮时间和渗氮流量等对渗氮量的影响。
并对最终样品中氮的存在形式以及分布状况进行成分、形貌(SEM)和物相(XRD)分析,为工业实验提供实验参数。
1.4.1第一阶段热态实验
第一阶段热态实验选用50钒铁为原料,以瓶装高纯氮气为气源,以瓶装高纯氩气为保护气,选用SKL16-Ф80×250-8型高温管式电阻炉(图1.6所示)进行实验。
图1.6为实验室热态实验装置图。
图1.6实验炉及温控柜
图1.7为1600℃下管式炉内熔清的钒铁合金溶液,炉温稳定后,将吹氮管插入合金液中,进行渗氮。
渗氮结束后,氮化钒铁液随炉进行冷却,最终得到含氮钒铁试样。
图1.71600℃下,钒铁合金熔清
本实验条件下共进行三炉实验,表1.6为具体实验方案。
表1.6管式炉热态实验方案
炉号
氮气流量ml/min
渗氮时间
Min
氩气流量
L/min
渗氮温度
℃
1
225
135
120-150
1600
2
525
30
120-150
1600
3
225
120
120-150
1650
图1.8热态实验制备出的含氮钒铁试样
对每个炉次制备出的含氮钒铁试样(图1.8)分别取内部试样(标记为炉号—A)和炉壁的试样(标记为炉号—B)进行化学成分分析,结果如表1.7所示。
表1.7含氮钒铁样品成分分析
编号
V%
N%
O%
Fe%
C%
P%
S%
Si%
AL%
Mn%
1-A
40.32
0.63
0.80
55.53
0.26
0.064
0.006
1.87
0.08
0.34
2-A
55.11
1.70
5.81
36.39
0.28
0.040
0.004
1.20
0.17
0.29
3-A
42.56
3.75
3.24
34.08
0.44
0.059
0.006
1.63
0.17
0.28
1-B
49.50
2.23
4.93
39.66
0.34
0.049
0.006
1.37
0.14
0.24
2-B
53.03
2.86
3.06
39.38
0.51
0.050
0.006
1.18
0.15
0.24
3-B
45.10
4.34
3.60
44.80
0.56
0.057
0.006
1.36
0.13
0.22
管式炉制备的含氮钒铁样品中V、Fe、O、N四种主要元素的含量如图1.9所示,从图1.9中可以看出,本次试验过程中均有不同程度的氧化现象,说明管式炉加热过程中氛围控制的不好,氧含量最高能达到5.8%,氧含量随着加热时间的延长而增加。
从分析结果可以看出,第1炉的主体样和炉壁样的成分差异比较明显,2、3炉的成分差异不大。
这可能与取样位置有关系。
以主体样成分进行分析可以发现,在本实验条件下,氮含量最高能达到4%,通氮总量越大,渗氮温度越高,氮含量越高。
图1.9不同炉次下含氮钒铁样品主元素含量
从图1.10可以看出,第一炉制备出来的含氮钒铁试样中主要含有FeV相,而第二炉和第三炉含氮钒铁试样中主要含有富Fe相和富V相;随着通氮量的增加,第一至三炉试样氮含量逐渐增加,V2N相的特征峰愈发明显;三炉试样具有不同程度的氧化现象,第二炉试样氧化严重,V5O9相特征峰明显。
图1.10热态实验制备的含氮钒铁试样XRD图谱
以氮含量比较高的第三炉次试样进行SEM分析,如图1.11所示。
从面分布图中可以看出,含氮钒铁试样中主要有富钒相和富铁相,其中氮主要以氮化钒的形式固溶于富钒相中。
图1.11含氮钒铁试样中主要元素的面分布
1.4.2第二阶段热态实验
第二阶段热态实验同样是选用50钒铁为原料,以瓶装高纯氮气为气源,以瓶装高纯氩气为保护气,同样是选用SKL16-Ф80×250-8型高温管式电阻炉进行实验,但是在第一阶段热态实验的基础上改进了实验设备:
增加了完全密闭的炉盖,在实验过程中最大程度保证实验坩埚在管式炉内的密闭性。
实验装置示意图如图1.12所示,实验装置图如图1.13所示。
图1.12热态实验装置示意图
图1.13热态实验装置图
同时第二阶段热态实验改变了实验方案:
为了保证钒铁渗氮实验不受空气的影响,将实验坩埚与空气隔离,底吹Ar保证与空气的隔绝程度;然后在每一炉实验的钒铁完全熔化后开始吹入N2,每一炉实验的氮气流量保持不变;而实验的变量为每一炉的温度及吹氮气的时间长度。
实验方案如表1.8所示。
表1.8第二阶段热态实验方案
炉次
钒铁重量/g
N2流量/mL·min-1
吹N2时间/min
最终温度/℃
第4炉
419.5
225
60
1700
第5炉
301.2
225
30
1700
第6炉
300.2
225
90
1700
第7炉
300.1
225
120
1700
第8炉
300.3
225
120
1650
第9炉
300.0
225
120
1680
第10炉
300.3
225
60
1680
第11炉
300.0
225
120
1680
第12炉
300.9
225
30
1680
第13炉
300.5
225
30
1680
第14炉
300.0
225
30
1750
第15炉
300.2
225
60
1750
第16炉
302.1
225
90
1750
第17炉
299.8
225
120
1750
注:
①本次热态实验从第四炉开始;
②一共有三个不同的终点温度,1680℃、1700℃、1750℃;
③每个温度下包括四个不同的吹氮时间长度,即四个不同的渗氮量;
④若表中出现重复组,说明前一组实验观察到的现象不好,重新补做一组。
经过实验得到的样品,一部分磨成80目以下的粉末状,送样至XRD分析和化学分析,另一部分制样做电镜分析,观察氮化钒组织。
粉末状样品如图1.14所示。
图1.14粉末状样品
第一批样品经过化学分析,各炉的成分如下表所示。
表1.9第二阶段热态实验方案
炉次
V/%
N/%
第4炉
48.52
1.85
第5炉
47.97
0.0724
第6炉
48.36
0.0591
第7炉
48.69
0.66
第8炉
48.83
0.0976
第9炉
49.13
0.48
第10炉
48.80
0.096
第11炉
48.18
0.14
第12炉
48.23
0.70
第13炉
47.67
0.82
第14炉
48.82
0.12
第15炉
48.36
0.7
第16炉
50.18
2.30
第17炉
45.89
0.89
由于第一批样品的获取方法不是很合理(主要是取在最后铸锭的周边),造成了N成分检测含量较低的问题。
第二批样品在改变取样品的方法后(在铸锭的一条中轴线上均匀取得),化学分析的结果还未反馈回来,以后的报告会再做补充。
样品的XRD检测和电镜观察暂时还没有进行,在完成之后也会做相应的补充。
1.5工业试验
1.5.1工业试验装置
(1)阀组和PLC电气设备
本次工业试验阀组的阀门和仪表配备了底吹需求的最基本装置,主要有:
气动球阀、流量调节、质量流量计、压力显示等;阀组管道由不锈钢管连接;设备喷吹参数:
底吹阀组各支路流量调节范围为:
50-600NL/min。
设备选型:
气动球阀选用FESTO产品,压力变送器和差压变送器选用EJA产品,流量计量、流量调节和底吹报警均选用美国派克波特产品等。
PLC电气设备为西门子S7-300系列,可为系统提供可靠的逻辑控制,选用STEP75.4以上版本,设备选型:
元器件全部选用国外进口品牌,如西门子模块、施奈德和微德米勒电元器件。
PLC安装示意图与现场安装情况分别如图1.15与图1.16所示。
图1.15试验现场阀组安装示意图
图1.16现场PLC控制柜安装示意图
(2)管道走向
吹气支管总共设计为6路,由阀组出发向北穿过墙壁,沿墙体外侧向下至地面,向右进入地沟,沿电炉西侧进入炉底,最后通过金属软管与炉底的底吹装置连接。
工业试验所采用的氩气是由瓶装氩气提供的,气体经由汇流排进入阀组室内,最后作为底吹气体通入。
而工业试验所采用的氮气,则是通过工厂的氮气运输管道输送的,气源从车间已有的喷粉稳压罐输出,经沿现有桥架输送至阀组室内,最后作为底吹气体通入。
整体管路通过路径如图1.17所示,测定气体流量的电子流量计如图1.18所示,控制氮气与氩气流通的总阀门如图1.19所示。
图1.17电弧炉供气系统图
图1.18电子流量计
图1.19氮气与氩气控制总阀门
(3)上位机与控制软件
上位机的配置为:
Dell服务器,22寸液晶显示器,上位机预装WINCC6.2版本。
使用wincc编程控制软件系统,系统全程手动控制底吹总流量。
底吹N2气消耗计量和数据存储查询。
PLC控制程序界面如图1.20所示。
图1.20PLC控制程序界面
(4)底吹坐砖
底吹坐砖选用98%大结晶镁砂烧结,成品氧化镁含量大于97.5%。
底吹砖如图1.21和图1.22所示:
图1.21底吹坐砖设计图
图1.22底吹坐砖实物图
(5)底吹枪
底吹枪采用环缝透气方案设计,外径22mm,距离底端法兰面570mm处为报警位置,如图1.23所示。
而底吹枪与底吹坐砖的搭配安装图如图1.24所示。
图1.23底吹枪实物图
图1.24底吹枪与底吹坐砖示安装图
(6)业试验底吹开孔位置
根据实验室水模实验的分析,以及数值模拟的验证,得出本次工业试验的底吹孔位置。
具体设计位置如图1.25所示,实物图如图1.26所示。
图1.25工业试验底吹孔位置设计图
图1.26工业试验底吹孔位置实物图
1.5.2工业试验情况
(1)流程简介
承钢钒铁车间电硅热法生产钒铁主要包括以下流程:
还原期Ⅰ、还原期Ⅱ与精炼期的原理相同,都是如下反应:
氧化期是将铁水中的Si氧化,使其进入炉渣中。
每一炉冶炼时间约为3小时30分钟,前3期一共3小时,第4期约30分钟。
由于还原期Ⅰ期所加冷料较多,故持续时间略长。
(2)试验炉次
本次试验一共进行了9炉次的实验生产,具体吹气方案如表1.5所示。
表1.10试验吹气方案
吹气情况
Ⅰ孔流量(NL/min)
Ⅱ孔流量(NL/min)
Ⅲ孔流量(NL/min)
试验炉次
120201(只吹Ar)
71
71
73
72
71
73
55
61
59
50
55
57
120202
100
100
101
100
100
102
100
101
100
100
101
101
120203
85
86
91
79
87
93
80
85
92
79
86
89
120204
105
116
117
106
115
119
106
114
120
105
115
120
120205
135
150
151
137
151
151
135
150
150
135
149
150
120206
149
173
175
149
173
177
149
173
176
148
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