不锈钢的冶炼过程

　　研究方法 不锈钢的冶炼过程

　　总的来说，研究工业过程流动方法有测量技术、分析与经验法以及数值模拟。

　　测量技术   不锈钢的冶炼过程

　　对工业环境的测量越来越难，有时很危险。测量过程要采用昂贵的设备，因此耗时耗力。有些情况下，如对钢水熔池，甚至不可能进行直接测量。尽管如此，如果测量成功，能获得非常有用的可信的数据结果。

　　通常做法是，进行小规模的实验或中试实验，采用相似准则将实验结果外推到工业生产中。幸运的是，钢水与水的粘度处在同一数量级，从而可采用几何相似的小规模冷水模型来模拟炉中钢水的简单流动状态。但是，对温度显著差异的流动或多相流，就不能通过小规模实验来实现**的物理相似性。即使如此，也必须进行这些实验，以检验并验证如数值模拟等其他研究方法。

　　分析法

　　针对复杂多相的工业过程流动状态，很难想象简单分析法就能助于获得这些状态。不过，大多情况下可值得一试。分析法能突出过程可行性的局限性，同时也有助于显示某一特定过程参数的基本变化趋势或敏感性。毕竟，分析研究是获得小规模实验结果与真实工厂生产链接必不可少的。

　　数值模拟

　　数值模拟的问题是无法保证计算出的解决方案是正确的。错误源自模型错误，如不合适的紊流模型的使用；由有限单元格近似连续计算值域带来的离散误差以及数值截断误差。由于数值模拟非常容易产生误差，需要流体动力学方面的专家来运行商业CFD软件。即使这样，对数值模拟结果也总是至少要粗略地检查分析测定，或与已知的观察结果进行比较。另一种确信数值模拟结果的做法是比较模拟结果有测量结果。明智的做法是首先模拟小规模的实验以检验模拟方法，然后再模拟实际生产。

　　很难说哪种研究技术*适合于某一特定过程。所有三种方法都有强处及不足。原则上是它们应同等考虑，*佳的情况是，所有三种方法都被采用，复查所得结果。下面给出两个例子来具体介绍采用上述三种基本方法进行的研究：一为冶金过程流动状态，另一为环境变化过程。

　　例1：浸没式气体射流        不锈钢的冶炼过程

　　在**个例子中，分析了针对钢厂粉尘回收而开发的新型冶金工艺过程。在该工艺工程中，含尘炉气被引入钢水中。此时，粉尘中的金属部分必须保留在钢液熔池中，而剩下部分则聚集在上面的炉渣层中。显然，粉尘喷射对工艺过程表现至关重要。典型的设计问题包括期望的穿透距离和诱导的整体熔池运动。前面已经提到，应该采用上述三种基本研究方法来分析含尘炉气穿透。

　　测量技术

　　由于上面炉渣层的存在，对中试厂进行穿透距离的直观研究是不可能的，因此，进行低温气－水实验来获取*大穿透距离的极限值。实验结果表明，即使在非常高的气流速率下，由于两者之间大的浓度比而使穿透距离受限。在实际生产过程中，由于钢水与粉尘气体高的相对浓度比，气体穿透距离降低。

　　分析法

　　Themelis等人提出了计算浮体射流曲线轴的分析方法。该分析法的优点是解决了参数的敏感性问题。如采用5、10和20kg／kg三种粉尘浓度分别对在水和钢液的穿透距离的分析计算表明，首先，高的粉尘浓度明显地提高初始射流动量，从而提高穿透距离。其次，高的气－液浓度比，穿透距离增加。含尘炉气射流在气－水中的穿透距离是氮钢中的两倍。水与钢液中可达到的穿透距离有限，因此，在普通的冶炼炉中，引入的射流的直接影响认为局限在局部区域。

　　数值模拟

　　近年来，已经开发出的多相的数值模型能够模拟多相流动状态，如气体射流在液体中的穿透等，但是，无法获取详细的复杂流动行为。数值模拟结果再次说明射流穿透距离有限，喷射的作用范围小。在钢水中，由于上升气泡的浮力而产生了循环流。由于浮力的作用，初始射流动量对整体熔池运动的影响可以忽略不计。数值模拟清晰地表明，对于浅熔池，将需要透气塞搅拌以实现熔池的充分运动。

　　结论所有三种研究方法一致地表明，气体穿透距离可能成为新开发的粉尘回收工艺过程的限制因素。此时，分析法当然是获得*初的估计的*有效的方法，它能在几秒钟之内进行参数变化。另一方面，数值模拟是非常耗时耗力。但是，已经获得新开发工艺过程的其它信息，其中包括诱导的整体熔池运动。

　　例2：蒸汽冷却器        不锈钢的冶炼过程

　　在蒸汽冷却器（EVC）中，热的尾气被导向一组喷嘴，在喷嘴下，通过蒸发水滴来冷却尾气。为了限制冷却塔的高度，采用分散器来降低进入气流的速度。要实现EVC的无需维护的工作，关键是它的壁不被水喷嘴弄湿，这就需要流入气体剖面在喷嘴组处必须是横向截面均匀的，否则，在喷嘴下将可能产生循环区域，不可避免地将水滴送向冷却器壁。

　　测量技术        不锈钢的冶炼过程

　　容易进行小规模的实验来研究流入单相气流剖面的均匀性。此时，可以在不等点的直接测量来检定气流速度。改变上游流的插入，气流均匀性逐步改善，从这点来看，测量起着设计工具的作用。

　　分析法

　　在做均匀的气流剖面的假设条件下，就可以采用一维的分析方法来获取喷嘴之下的蒸发过程。此时，根据局部守恒，在固定于蒸发水滴的移动坐标系中进行热和质量的计算。从喷嘴处开始，水滴首先被加热，接着，蒸发过程开始，从水滴到周围气体发生质量交换。同时，气体冷却下来，相应地浓度增加。*后，由于气体质量守恒的结果，气体速度被降下来。

　　根据上面的分析，可导出耦合的常差分方程，该方程在几分钟内就可求解。再一次说明，分析法的强项是非常有效地进行参数变化。

　　数值模拟

　　近年来，单相紊流气流如EVC入流的模拟已成为热门。尽管如此，必须慎重地选择合适的紊流模型与离散化方法。模拟了无导向叶片的EVC冷却塔。通过数值模拟发现，入流均匀性的细小变化，就导致形成大的循环区域。

　　除了模拟入流单相流动，也可采用耦合的多相模型分析水滴的蒸发。这样，通过**的模拟模型，展现出时间相关的蒸发过程。借助模拟，安装了上游导向叶片以及多孔板，流动状态显著改善。循环区域完全消除，因此没有产生明显的壁湿现象。

　　结论        不锈钢的冶炼过程

　　低温小规模实验测量技术和数值模拟都可以担当设计工具，设计出喷嘴组上方均匀的入流剖面。如果入流剖面能被假设为是横截面均匀的，那么就可用分析方法非常有效地计算蒸发长度以及它与过程参数的关系。数值模拟能够***地了解整个蒸发过程。但是，数值模拟相当昂贵，纯模拟时间是几天，而不是分析模型的几分钟。

　　总结   不锈钢的冶炼过程

　　冶金过程与环境变化过程的研究与设计方法包括（1）测量，特别是低温小规模实验测量，（2）分析法和（3）数值模拟。

　　尽管实际生产过程中，由于苛刻的环境而使测量也是非常困难的，但小规模实验是检验数值模拟结果的一种有用方法。有时可采用相似理论将小规模实验结果直接应用到实际生产过程中去。

　　分析法非常有效地突出了变化趋势或参数敏感性。不过，分析法大多数仅涉及到一个特征明显的物理现象，并局限应用于非常简单的流动状态。

　　数值模拟可对所分析过程进行非常**地研究。不同的物理现象可与复杂的流动状态耦合起来。不幸的是，模拟易产生误差，因此，模拟结果必须用测量或至少是分析估算进行检验。