冶金熔体中多气泡去夹杂的数值模拟

来源 :东北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:smailfish2006
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在冶金过程中,经过转炉或者电炉冶炼完毕的钢水,还要流经钢包、中间包、结晶器等反应器完成连铸过程,如何有效地去除钢水中的夹杂物一直是研究的重点。通过向反应器中吹入氩气等惰性气体,可以均匀钢液的温度和成分,产生的氩气泡不仅能够吸收钢液中的气体,还会粘附悬浮于钢液中的夹杂物。由于吹氩手段去除夹杂物的效果好,设备简单,操作灵活,不需要占用固定的操作场地,所以其被广泛地应用于冶金过程。气泡上浮去除夹杂物主要有两种方式:气泡粘附夹杂物颗粒进行去除;气泡的尾流夹带夹杂物颗粒不断上升从而进行去除。由于钢液的高温和不可见性,这一过程只能通过数值模拟手段进行研究。本文通过数值模拟手段,借助Fluent平台来模拟多个气泡上升过程中气泡去除夹杂物的情况并用Tecplot软件进行后处理。通过VOF方法模拟多气泡上升行为,DPM方法模拟夹杂物颗粒的运动,编写UDF程序对于夹杂物被气泡粘附的情况进行判断,根据夹杂物颗粒被带动的高度对气泡夹带夹杂物的情况进行判断。通过改变气泡间距、气泡直径、气泡位置、气泡的偏心程度等条件,探究多气泡上升去除夹杂物的机理与效果。研究结果表明:(1)气泡粘附夹杂物气泡直径为8 mm且发生不偏心,两气泡间距从20 mm增加至30 mm时,气泡粘附夹杂物颗粒的数量增加了 3.58%,但是当气泡的间距超过一定程度时,粘附数量不再随间距增大而增加。多个气泡的尺寸相差越小,粘附夹杂物颗粒的数量越多,对于尺寸不同的两个气泡,小气泡在上方时的粘附夹杂物的数量更多。气泡直径为8 mm,气泡间距为30 mm,两个气泡的偏心程度从8 mm减小到0 mm时,气泡粘附夹杂物颗粒的数量增加了 26.37%,而三个气泡的偏心程度从8 mm减小到0mm时,气泡粘附夹杂物颗粒的数量增加了 59.6%,气泡的直径与气泡间距一定时,气泡数目增加会导致气泡粘附夹杂物颗粒的数量显著增加。气泡直径为8mm,气泡间距为20mm时,气泡数量从2个增加到3个时气泡粘附夹杂物颗粒的数量从200个增加至428个,增加了 2.14倍。(2)气泡尾流夹带夹杂物气泡直径为8 mm且发生不偏心,两气泡间距从20 mm增加至30 mm时,气泡夹带夹杂物颗粒的数量略微增多,但是当气泡间距从30 mm增加至40 mm时气泡夹带夹杂物颗粒的数量减少了 19.3%,所以当气泡间距超过一定程度时,多气泡夹带夹杂物颗粒的数量会明显减少。多个气泡的尺寸相差越小,夹带夹杂物颗粒的数量越多,对于尺寸不同的两个气泡,大气泡在上方时的夹带数量更多。气泡直径为8 mm,气泡间距为30 mm时,两个气泡的偏心程度从0 mm增大到8 mm时,气泡夹带夹杂物颗粒的数量增加了 12.82%,而三个气泡的偏心程度从0mm增大到8mm时,气泡夹带夹杂物颗粒的数量增加了 46.1%,气泡的直径与气泡间距一定时,气泡数目增加会导致气泡夹带夹杂物颗粒的数量显著增加。气泡直径为8 mm,气泡间距为20 mm时,气泡数量从2个增加到3个时气泡夹带夹杂物颗粒的数量从351个增加至461个,增加了 1.31倍。
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