研究方法 不銹鋼的冶煉過程

　　總的來說，研究工業(yè)過程流動方法有測量技術(shù)、分析與經(jīng)驗法以及數(shù)值模擬。

　　測量技術(shù)   不銹鋼的冶煉過程

　　對工業(yè)環(huán)境的測量越來越難，有時很危險。測量過程要采用昂貴的設(shè)備，因此耗時耗力。有些情況下，如對鋼水熔池，甚至不可能進(jìn)行直接測量。盡管如此，如果測量成功，能獲得非常有用的可信的數(shù)據(jù)結(jié)果。

　　通常做法是，進(jìn)行小規(guī)模的實驗或中試實驗，采用相似準(zhǔn)則將實驗結(jié)果外推到工業(yè)生產(chǎn)中。幸運(yùn)的是，鋼水與水的粘度處在同一數(shù)量級，從而可采用幾何相似的小規(guī)模冷水模型來模擬爐中鋼水的簡單流動狀態(tài)。但是，對溫度顯著差異的流動或多相流，就不能通過小規(guī)模實驗來實現(xiàn)**的物理相似性。即使如此，也必須進(jìn)行這些實驗，以檢驗并驗證如數(shù)值模擬等其他研究方法。

　　分析法

　　針對復(fù)雜多相的工業(yè)過程流動狀態(tài)，很難想象簡單分析法就能助于獲得這些狀態(tài)。不過，大多情況下可值得一試。分析法能突出過程可行性的局限性，同時也有助于顯示某一特定過程參數(shù)的基本變化趨勢或敏感性。畢竟，分析研究是獲得小規(guī)模實驗結(jié)果與真實工廠生產(chǎn)鏈接必不可少的。

　　數(shù)值模擬

　　數(shù)值模擬的問題是無法保證計算出的解決方案是正確的。錯誤源自模型錯誤，如不合適的紊流模型的使用；由有限單元格近似連續(xù)計算值域帶來的離散誤差以及數(shù)值截斷誤差。由于數(shù)值模擬非常容易產(chǎn)生誤差，需要流體動力學(xué)方面的專家來運(yùn)行商業(yè)CFD軟件。即使這樣，對數(shù)值模擬結(jié)果也總是至少要粗略地檢查分析測定，或與已知的觀察結(jié)果進(jìn)行比較。另一種確信數(shù)值模擬結(jié)果的做法是比較模擬結(jié)果有測量結(jié)果。明智的做法是首先模擬小規(guī)模的實驗以檢驗?zāi)M方法，然后再模擬實際生產(chǎn)。

　　很難說哪種研究技術(shù)*適合于某一特定過程。所有三種方法都有強(qiáng)處及不足。原則上是它們應(yīng)同等考慮，*佳的情況是，所有三種方法都被采用，復(fù)查所得結(jié)果。下面給出兩個例子來具體介紹采用上述三種基本方法進(jìn)行的研究：一為冶金過程流動狀態(tài)，另一為環(huán)境變化過程。

　　例1：浸沒式氣體射流        不銹鋼的冶煉過程

　　在**個例子中，分析了針對鋼廠粉塵回收而開發(fā)的新型冶金工藝過程。在該工藝工程中，含塵爐氣被引入鋼水中。此時，粉塵中的金屬部分必須保留在鋼液熔池中，而剩下部分則聚集在上面的爐渣層中。顯然，粉塵噴射對工藝過程表現(xiàn)至關(guān)重要。典型的設(shè)計問題包括期望的穿透距離和誘導(dǎo)的整體熔池運(yùn)動。前面已經(jīng)提到，應(yīng)該采用上述三種基本研究方法來分析含塵爐氣穿透。

　　測量技術(shù)

　　由于上面爐渣層的存在，對中試廠進(jìn)行穿透距離的直觀研究是不可能的，因此，進(jìn)行低溫氣－水實驗來獲取*大穿透距離的極限值。實驗結(jié)果表明，即使在非常高的氣流速率下，由于兩者之間大的濃度比而使穿透距離受限。在實際生產(chǎn)過程中，由于鋼水與粉塵氣體高的相對濃度比，氣體穿透距離降低。

　　分析法

　　Themelis等人提出了計算浮體射流曲線軸的分析方法。該分析法的優(yōu)點(diǎn)是解決了參數(shù)的敏感性問題。如采用5、10和20kg／kg三種粉塵濃度分別對在水和鋼液的穿透距離的分析計算表明，首先，高的粉塵濃度明顯地提高初始射流動量，從而提高穿透距離。其次，高的氣－液濃度比，穿透距離增加。含塵爐氣射流在氣－水中的穿透距離是氮鋼中的兩倍。水與鋼液中可達(dá)到的穿透距離有限，因此，在普通的冶煉爐中，引入的射流的直接影響認(rèn)為局限在局部區(qū)域。

　　數(shù)值模擬

　　近年來，已經(jīng)開發(fā)出的多相的數(shù)值模型能夠模擬多相流動狀態(tài)，如氣體射流在液體中的穿透等，但是，無法獲取詳細(xì)的復(fù)雜流動行為。數(shù)值模擬結(jié)果再次說明射流穿透距離有限，噴射的作用范圍小。在鋼水中，由于上升氣泡的浮力而產(chǎn)生了循環(huán)流。由于浮力的作用，初始射流動量對整體熔池運(yùn)動的影響可以忽略不計。數(shù)值模擬清晰地表明，對于淺熔池，將需要透氣塞攪拌以實現(xiàn)熔池的充分運(yùn)動。

　　結(jié)論所有三種研究方法一致地表明，氣體穿透距離可能成為新開發(fā)的粉塵回收工藝過程的限制因素。此時，分析法當(dāng)然是獲得*初的估計的*有效的方法，它能在幾秒鐘之內(nèi)進(jìn)行參數(shù)變化。另一方面，數(shù)值模擬是非常耗時耗力。但是，已經(jīng)獲得新開發(fā)工藝過程的其它信息，其中包括誘導(dǎo)的整體熔池運(yùn)動。

　　例2：蒸汽冷卻器        不銹鋼的冶煉過程

　　在蒸汽冷卻器（EVC）中，熱的尾氣被導(dǎo)向一組噴嘴，在噴嘴下，通過蒸發(fā)水滴來冷卻尾氣。為了限制冷卻塔的高度，采用分散器來降低進(jìn)入氣流的速度。要實現(xiàn)EVC的無需維護(hù)的工作，關(guān)鍵是它的壁不被水噴嘴弄濕，這就需要流入氣體剖面在噴嘴組處必須是橫向截面均勻的，否則，在噴嘴下將可能產(chǎn)生循環(huán)區(qū)域，不可避免地將水滴送向冷卻器壁。

　　測量技術(shù)        不銹鋼的冶煉過程

　　容易進(jìn)行小規(guī)模的實驗來研究流入單相氣流剖面的均勻性。此時，可以在不等點(diǎn)的直接測量來檢定氣流速度。改變上游流的插入，氣流均勻性逐步改善，從這點(diǎn)來看，測量起著設(shè)計工具的作用。

　　分析法

　　在做均勻的氣流剖面的假設(shè)條件下，就可以采用一維的分析方法來獲取噴嘴之下的蒸發(fā)過程。此時，根據(jù)局部守恒，在固定于蒸發(fā)水滴的移動坐標(biāo)系中進(jìn)行熱和質(zhì)量的計算。從噴嘴處開始，水滴首先被加熱，接著，蒸發(fā)過程開始，從水滴到周圍氣體發(fā)生質(zhì)量交換。同時，氣體冷卻下來，相應(yīng)地濃度增加。*后，由于氣體質(zhì)量守恒的結(jié)果，氣體速度被降下來。

　　根據(jù)上面的分析，可導(dǎo)出耦合的常差分方程，該方程在幾分鐘內(nèi)就可求解。再一次說明，分析法的強(qiáng)項是非常有效地進(jìn)行參數(shù)變化。

　　數(shù)值模擬

　　近年來，單相紊流氣流如EVC入流的模擬已成為熱門。盡管如此，必須慎重地選擇合適的紊流模型與離散化方法。模擬了無導(dǎo)向葉片的EVC冷卻塔。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，入流均勻性的細(xì)小變化，就導(dǎo)致形成大的循環(huán)區(qū)域。

　　除了模擬入流單相流動，也可采用耦合的多相模型分析水滴的蒸發(fā)。這樣，通過**的模擬模型，展現(xiàn)出時間相關(guān)的蒸發(fā)過程。借助模擬，安裝了上游導(dǎo)向葉片以及多孔板，流動狀態(tài)顯著改善。循環(huán)區(qū)域完全消除，因此沒有產(chǎn)生明顯的壁濕現(xiàn)象。

　　結(jié)論        不銹鋼的冶煉過程

　　低溫小規(guī)模實驗測量技術(shù)和數(shù)值模擬都可以擔(dān)當(dāng)設(shè)計工具，設(shè)計出噴嘴組上方均勻的入流剖面。如果入流剖面能被假設(shè)為是橫截面均勻的，那么就可用分析方法非常有效地計算蒸發(fā)長度以及它與過程參數(shù)的關(guān)系。數(shù)值模擬能夠***地了解整個蒸發(fā)過程。但是，數(shù)值模擬相當(dāng)昂貴，純模擬時間是幾天，而不是分析模型的幾分鐘。

　　總結(jié)   不銹鋼的冶煉過程

　　冶金過程與環(huán)境變化過程的研究與設(shè)計方法包括（1）測量，特別是低溫小規(guī)模實驗測量，（2）分析法和（3）數(shù)值模擬。

　　盡管實際生產(chǎn)過程中，由于苛刻的環(huán)境而使測量也是非常困難的，但小規(guī)模實驗是檢驗數(shù)值模擬結(jié)果的一種有用方法。有時可采用相似理論將小規(guī)模實驗結(jié)果直接應(yīng)用到實際生產(chǎn)過程中去。

　　分析法非常有效地突出了變化趨勢或參數(shù)敏感性。不過，分析法大多數(shù)僅涉及到一個特征明顯的物理現(xiàn)象，并局限應(yīng)用于非常簡單的流動狀態(tài)。

　　數(shù)值模擬可對所分析過程進(jìn)行非常**地研究。不同的物理現(xiàn)象可與復(fù)雜的流動狀態(tài)耦合起來。不幸的是，模擬易產(chǎn)生誤差，因此，模擬結(jié)果必須用測量或至少是分析估算進(jìn)行檢驗。