Preparation of Al2O3-SiO2-SiC Castable for KR Stirring Head and Multiphase Flow Numerical Simulation of Desulfurization Process

Titel in Übersetzung: Herstellung der Al2O3-SiO2-SiC Gussstück für einen KR-Rührkopf und numerische Mehrphasenströmungssimulation des Entschwefelungsprozesses

Zhonghui Li

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Mit der rasanten Entwicklung des nationalen Wirtschaftsaufbaus steigt die Nachfrage nach hochwertigem Stahl laufend. Dennoch verringert der hohe Schwefelgehalt im Stahl seine mechanischen Eigenschaften, wie die Zähigkeit, Formbarkeit und Gebrauchsdauer. Aufgrund hoher Effizienz sowie niedriger Reaktorentschwefelungskosten wird das KR-Verfahren (Kanbara-Reaktor) häufig im Vorbehandlungsprozess zur Entschwefelung heißer Metalle eingesetzt. Während des Betriebs, muss der KR-Rührkopf dem Abrieb und der Erosion von flüssigem Eisen und Schlacke bei hohen Temperaturen standhalten, sowie den rauen thermischen und thermomechanischen Bedingungen des intermittierenden Betriebs wie Abschrecken und Erhitzen. Aus diesem Grund sollte der für das KR-Rührwerk verwendete feuerfeste Gusskörper eine gute Temperaturwechselbeständigkeit sowie eine hohe Temperaturfestigkeit aufweisen. In der eigentlichen Produktion beinhaltet die KR-Entschwefelung zusätzlich komplexe Prozesse wie freie Oberflächen Fluktuation und Entschwefelungsmittel Mischung mit heißem Hochtemperatur Metall. Die Untersuchung des Strömungs Geschwindigkeitsfeldes in Heißmetalltanks ist eine wichtige Grundlage für die Analyse vieler komplexer Prozesse. Angesichts der Leistungsanforderungen des KR-Misch-Entschwefelung Prozesses an die feuerfeste Auskleidung des Mischkopfes, bestand das Ziel darin, feuerfeste Al2O3-SiO2-SiC-Gussstücke mit ausgezeichneter Temperaturwechselbeständigkeit und hoher Temperaturfestigkeit für den KR-Mischkopf herzustellen. Die Auswirkungen auf die Eigenschaften von feuerfesten Al2O3-SiO2-SiC-Gussstücken durch die Zugabe von Al-Si-Metallpulver, der Rösttemperatur sowie der Aggregatart, wurden systematisch untersucht. Die CFD-Software FLUENT und GAMBIT wurden verwendet, um eine numerische Simulation des KR-Entschwefelungsprozesses durchzuführen und die Ausführbarkeit des Modells wurde durch ein Wassermodell Experiment überprüft. Die Auswirkungen auf die Entschwefelung Effizienz des KR-Mischens durch die Drehzahl, Eintauchtiefe sowie Anzahl der Schaufeln und anderen Faktoren, wurden durch ein Simulationsexperimentsystem der Mehrphasenströmung im KR-Mischtank untersucht. Die wichtigsten Forschungsergebnisse lauten wie folgt:
(1) Die Eigenschaften von Al2O3-SiO2-SiC bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen werden durch die Zugabe von Al-Si-Metallpulver deutlich verbessert. Die beste Gesamtleistung des Gussmaterials liegt bei einem Legierungspulver Anteil von 4%. Die durch das Al-Si-Legierungspulver verbesserten mechanischen Eigenschaften von Al2O3-SiO2-SiC, werden durch die Förderung der Massenbildung von Mullitstäben und nadelförmigen Haarkristalle im Gussstück verbessert, wodurch die Festigkeit des Gussstücks bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen erhöht wird.
(2) Das Al2O3-SiO2-SiC-Gussstück kann bei einer höheren Sintertemperatur bessere Eigenschaften aufweisen. Die beste Gesamtleistung des Gussmaterials liegt bei einer Sintertemperatur von 1400 °C. Die Hohe Temperaturstabilität von Al2O3-SiO2-SiC-Gussstücken aus Braunkorund ist besser, wenn kein Al-Si-Metallpulver zugesetzt wird. Wenn das Legierungspulver (4 %) hinzugefügt wird, ist die Gesamtleistung von dem gesintertem und gießbarem Mullit Al2O3-SiO2-SiC, am besten. Im Guss mit braunem Korund als Zuschlagstoff, bilden sich hauptsächlich Netzwerk- und Flockungswhisker.
(3) Für den Mischvorgang des Mischkopfes im KR-Mischbehälter, wurden gemäß der Ähnlichkeitstheorie das Wassermodellexperiment und die numerische Simulation durchgeführt. Die Tiefe und Höhe des freien Flüssigkeitswirbels wurden bei verschiedenen Mischkopfgeschwindigkeiten gemessen. Die aus dem Wassermodell Experiment ermittelte Strömungsgeschwindigkeit stimmt grundsätzlich mit den numerischen Berechnungsergebnissen überein. Damit ist die Durchführbarkeit dieser Modellierungsmethode bestätigt. Basierend auf der Euler-Euler-Methode wurde ein numerisches VOF-Modell erstellt, welches die Mischung von Luft, kaltem Wasser und dem Dreiphasenstrom des Entschwefelungsmittels berücksichtigte. Die Entschwefelungsmittel Partikel wurden als Pseudo-Flüssigkeit betrachtet und zu Beginn der Simulationsanalyse auf die Oberseite des flüssigen Eisens gelegt. Unter Berücksichtigung der Wirbelhöhe, der Strömungsfeld Verteilung, der Entschwefelungsmittel Verteilung und der auf den Rührkopf ausgeübten Kraft, wird der beste Effekt erzielt, wenn die Drehzahl 267 U/min und die Eintauchtiefe 380 mm beträgt. Wenn die Anzahl der Mischkopf-Schaufeln 3 beträgt, ist dies angesichts der Produktions- und Wartungskosten des Mischkopfs günstiger für die Entschwefelung von flüssigem Eisen beim KR-Mischen.
Titel in ÜbersetzungHerstellung der Al2O3-SiO2-SiC Gussstück für einen KR-Rührkopf und numerische Mehrphasenströmungssimulation des Entschwefelungsprozesses
OriginalspracheEnglisch
QualifikationMSc
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Jin, Shengli, Betreuer (intern)
  • Zhang, Meijie, Betreuer (extern), Externe Person
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • KR-Entschwefelung
  • feuerfeste Al2O3-SiO2-SiC-Gussstücke
  • hohe Temperaturfestigkeit
  • Verteilung des Strömungsfeldes
  • Mehrphasen-Strömungsmischung

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