研究方法 不銹鋼的冶煉過程

　　總的來說，研究工業過程流動方法有測量技術、分析與經驗法以及數值模擬。

　　測量技術   不銹鋼的冶煉過程

　　對工業環境的測量越來越難，有時很危險。測量過程要采用昂貴的設備，因此耗時耗力。有些情況下，如對鋼水熔池，甚至不可能進行直接測量。盡管如此，如果測量成功，能獲得非常有用的可信的數據結果。

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

　　分析法

　　針對復雜多相的工業過程流動狀態，很難想象簡單分析法就能助于獲得這些狀態。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的基本變化趨勢或敏感性。畢竟，分析研究是獲得小規模實驗結果與真實工廠生產鏈接必不可少的。

　　數值模擬

　　數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計算值域帶來的離散誤差以及數值截斷誤差。由于數值模擬非常容易產生誤差，需要流體動力學方面的專家來運行商業CFD軟件。即使這樣，對數值模擬結果也總是至少要粗略地檢查分析測定，或與已知的觀察結果進行比較。另一種確信數值模擬結果的做法是比較模擬結果有測量結果。明智的做法是首先模擬小規模的實驗以檢驗模擬方法，然后再模擬實際生產。

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

　　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至關重要。典型的設計問題包括期望的穿透距離和誘導的整體熔池運動。前面已經提到，應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

　　由于上面爐渣層的存在，對中試廠進行穿透距離的直觀研究是不可能的，因此，進行低溫氣－水實驗來獲取*大穿透距離的極限值。實驗結果表明，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。該分析法的優點是解決了參數的敏感性問題。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為局限在局部區域。

　　數值模擬

　　近年來，已經開發出的多相的數值模型能夠模擬多相流動狀態，如氣體射流在液體中的穿透等，但是，無法獲取詳細的復雜流動行為。數值模擬結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生了循環流。由于浮力的作用，初始射流動量對整體熔池運動的影響可以忽略不計。數值模擬清晰地表明，對于淺熔池，將需要透氣塞攪拌以實現熔池的充分運動。

　　結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的粉塵回收工藝過程的限制因素。此時，分析法當然是獲得*初的估計的*有效的方法，它能在幾秒鐘之內進行參數變化。另一方面，數值模擬是非常耗時耗力。但是，已經獲得新開發工藝過程的其它信息，其中包括誘導的整體熔池運動。

　　例2：蒸汽冷卻器        不銹鋼的冶煉過程

　　在蒸汽冷卻器（EVC）中，熱的尾氣被導向一組噴嘴，在噴嘴下，通過蒸發水滴來冷卻尾氣。為了限制冷卻塔的高度，采用分散器來降低進入氣流的速度。要實現EVC的無需維護的工作，關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，在噴嘴下將可能產生循環區域，不可避免地將水滴送向冷卻器壁。

　　測量技術        不銹鋼的冶煉過程

　　容易進行小規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，從這點來看，測量起著設計工具的作用。

　　分析法

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

　　根據上面的分析，可導出耦合的常差分方程，該方程在幾分鐘內就可求解。再一次說明，分析法的強項是非常有效地進行參數變化。

　　數值模擬

　　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。模擬了無導向葉片的EVC冷卻塔。通過數值模擬發現，入流均勻性的細小變化，就導致形成大的循環區域。

　　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。這樣，通過**的模擬模型，展現出時間相關的蒸發過程。借助模擬，安裝了上游導向葉片以及多孔板，流動狀態顯著改善。循環區域完全消除，因此沒有產生明顯的壁濕現象。

　　結論        不銹鋼的冶煉過程

　　低溫小規模實驗測量技術和數值模擬都可以擔當設計工具，設計出噴嘴組上方均勻的入流剖面。如果入流剖面能被假設為是橫截面均勻的，那么就可用分析方法非常有效地計算蒸發長度以及它與過程參數的關系。數值模擬能夠***地了解整個蒸發過程。但是，數值模擬相當昂貴，純模擬時間是幾天，而不是分析模型的幾分鐘。

　　總結   不銹鋼的冶煉過程

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

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

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

　　數值模擬可對所分析過程進行非常**地研究。不同的物理現象可與復雜的流動狀態耦合起來。不幸的是，模擬易產生誤差，因此，模擬結果必須用測量或至少是分析估算進行檢驗。