基于多场耦合的铁水脱硫搅拌器结构变化机理与设计方法研究

Hot metal desulphurization is the necessary step in production of high quality steel especially special steel and high value-added steel. Desulfurization stirrer is a key component of hot metal desulphurization system and its life will directly affect the cost of hot metal desulphurization. Since the stirrer works under the special condition of multi-coupling field, thermal cycling and different phase composite material properties, the design theory and method of the stirrer is not completed. In order to extend the stirrer's life, improve the steel product quality and added value, it is important for us to study on the structure change mechanism and design method of desulphurization stirrer.This project takes the structure of desulphurization stirrer as study object, establishes the relation model of structure parameters, and determines the impacts of parameters on structure. According to the composite characteristics of stirrer, the project constructs the material model of metal core, anchors and lining refractory. The causes of stirrer crack formation and change rules can be revealed based on the model. Under the thermal cycling conditions, the flow-thermal-stress coupling model is established to analyze the stress variation characteristics. Based on the research of structure change mechanism of desulphurization stirrer, the structure parameter optimization method is proposed to study the intrinsic relationship between structure parameters. The reliability model is constructed with the stirring power used as the objective function. The power variation risk index is studied and used to evaluate the stirrer reliability. The systematic design theory and method of desulfurization stirrer can be obtained.

铁水机械搅拌脱硫是生产高品质钢尤其是特殊用途钢和高附加值钢必备的工序，脱硫搅拌器是铁水脱硫的一个关键部件，搅拌器使用寿命的长短将直接影响到铁水脱硫生产成本。由于搅拌器具有多场耦合、冷热循环的特殊工况和不同相材料的复合特性，其设计方法理论还相当不完善，研究搅拌器的结构变化机理及设计方法对延长搅拌器寿命，提升钢材的品质和附加值具有重要意义。针对脱硫搅拌器的结构展开研究，构建结构影响参数模型，确定影响参数的关联关系，根据搅拌器复合材料特性，构建金属芯、锚固件和衬体耐火材料的材料模型，揭示搅拌器的裂纹产生和变化规律，在冷热循环条件下，构建搅拌器的流-热-力耦合模型，分析其应力变化特征，在搅拌器结构变化机理的研究基础上，提出搅拌器结构参数优化方法，研究结构参数的固有关系，并通过建立以搅拌功率为目标的可靠性模型，确定并计算功率变化风险指数对搅拌器的可靠性进行评定，从而得到脱硫搅拌器系统设计理论与方法。

本项目重点研究搅拌器的结构变化机理及搅拌器系统设计理论与方法。研究内容主要包括以下四个方面：（1）通过对脱硫搅拌流场动力学行为进行研究，构建了多场耦合下的脱硫行为理论模型，探明了脱硫搅拌过程中各参数的变化特征。（2）通过对铁水脱硫过程中搅拌器结构的影响因素进行研究，并将这些因素进行关联分析，从而对搅拌器的寿命进行了预测。（3）根据搅拌器的复合材料特性，构建了金属芯-锚固件-和衬体耐火材料的材料模型，揭示了耐火材料的裂纹产生和破损机理。（4）通过水模实验的进行，基于脱硫剂的扩散运动，从而预测了微观状态下的脱硫过程和特征。项目组经过四年的努力，提出了搅拌器结构参数优化方法，最终得到了脱硫搅拌器系统设计理论与方法，从而延长了脱硫搅拌器的寿命，提升了钢材的品质和附加值。项目负责人及项目组成员共发表SCI、EI检索论文6篇，授权国家发明专利3项，软件著作权1项。项目完成期间，项目负责人荣获湖北省科技进步一等奖1项（2018）；项目负责人入选武汉市优秀科技工作者（2017）。培养博士研究生1名，硕士研究生6名。