鋼包底吹氬過(guò)程夾雜物去除數(shù)值模擬研究

郭永謙 李京社 黃 婷

(北京科技大學(xué))

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)鋼的強(qiáng)度、韌性、壽命和加工性能的要求日趨嚴(yán)格，對(duì)鋼的化學(xué)成分和組織均勻性的要求也日趨嚴(yán)格。鋼中非金屬夾雜物的存在是影響鋼制品性能的重要因素，有時(shí)甚至是決定性因素。鋼包底吹氬技術(shù)由于具有加速渣金反應(yīng)，均勻鋼水溫度和成分以及有效去除非金屬夾雜物等優(yōu)點(diǎn)，目前被冶金企業(yè)廣泛使用。針對(duì)鋼包底吹氬過(guò)程中夾雜物的去除行為，許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究，但由于鋼水的高溫特性，難以進(jìn)行直接的觀察，因此數(shù)值模擬方法得到了廣泛運(yùn)用［1］。本研究以LF爐底吹氬氣鋼包為原始模型，選擇Al2O3為夾雜物顆粒參照物，通過(guò)使用Fluent商業(yè)軟件，進(jìn)行合理假設(shè)后，建立離散相數(shù)學(xué)模型(DPM)，研究不同夾雜物粒徑為過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)及去除情況。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

采用大型商業(yè)軟件FLUENT，在拉格朗日坐標(biāo)下對(duì)x，y，z三個(gè)方向上的夾雜物顆粒，在鋼液中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算，模擬流場(chǎng)中離散的第二項(xiàng)，由球形顆粒構(gòu)成的第二項(xiàng)分布在連續(xù)相中。以x方向?yàn)槔?，夾雜物顆粒作用力在直角坐標(biāo)系下可由以下公式表示［2］：

式中：FD——為夾雜物顆粒的單位質(zhì)量曳力;

V——流體相速度;

Vp——顆粒速度;

ρ——流體密度;

ρp——顆粒密度。

公式(1)中夾雜物顆粒的單位質(zhì)量曳力可由以下公式計(jì)算得出：

式中：dp——顆粒直徑;

Re——相對(duì)雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù))。

對(duì)于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，公式(2)中的 a1，a2，a3為常數(shù)［3］。

1.2 模型假設(shè)

為了便于研究，模型做出了以下假設(shè)：

1)假設(shè)夾雜物形狀為球形顆粒;

2)鋼包夾雜物去除主要是表面渣層吸附，假設(shè)夾雜物運(yùn)動(dòng)到液面就認(rèn)為被渣層吸附;

3)忽略?shī)A雜物顆粒間聚合長(zhǎng)大過(guò)程及鋼包壁面對(duì)夾雜物的吸附過(guò)程;

4)夾雜物運(yùn)動(dòng)過(guò)程認(rèn)為所受力為粘性力和重力，忽略其它力的影響。

1.3 模型參數(shù)

研究對(duì)象為某鋼廠的150 t鋼包，鋼包幾何尺寸和材料物理屬性見(jiàn)表1、表2。

表1 鋼包幾何尺寸

表2 材料物理屬性

模型的計(jì)算區(qū)域共劃分了85118個(gè)單元網(wǎng)格，其網(wǎng)格劃分情況和坐標(biāo)系如圖1所示。兩個(gè)吹氣孔相對(duì)圓心成90°夾角，距離圓心的距離為567 mm。

圖1 鋼包計(jì)算域和網(wǎng)格圖

2 計(jì)算方案

模擬中以單顆粒夾雜物為研究對(duì)象，分別選擇夾雜物顆粒粒徑為 5 μm、50 μm、100 μm 三種大小，在拉格朗日法下的顆粒追蹤軌跡模型跟蹤計(jì)算夾雜物顆粒參數(shù)，底吹氬氣體流量為400 L/min，計(jì)算方法如下：

1)為研究夾雜物顆粒在鋼包內(nèi)不同位置的運(yùn)動(dòng)特質(zhì)，現(xiàn)將鋼包計(jì)算區(qū)域劃分為上、中、下三個(gè)不同區(qū)域;

2)每個(gè)區(qū)域內(nèi)在鋼包壁和鋼包中心面上選取6個(gè)不同特征點(diǎn)，具體劃分方式如圖2所示;

圖2 鋼包內(nèi)夾雜物計(jì)算區(qū)域劃分圖

3)對(duì)每個(gè)區(qū)域上的特征點(diǎn)，不同夾雜物粒徑(5 μm、50 μm、100 μm)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算;

4)計(jì)算過(guò)程中認(rèn)為夾雜物運(yùn)動(dòng)到渣層即為去除;

5)對(duì)不同粒徑夾雜物在每個(gè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡、去除時(shí)間輸出。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 鋼包內(nèi)不同部位處夾雜物去除時(shí)間

鋼包內(nèi)夾雜物去除時(shí)間比較長(zhǎng)的位置集中在1、2、3;11、22、33;以及111、222、333 區(qū)域，即這些區(qū)域都是分布在鋼包兩吹氣孔連線中心面(鋼包對(duì)稱(chēng)面)處。在鋼包對(duì)稱(chēng)面處靠近鋼包上部和鋼包底部區(qū)域的夾雜物去除時(shí)間要長(zhǎng)，比較鋼包對(duì)稱(chēng)面上、中、下區(qū)域上的特征點(diǎn)2、22和222三個(gè)點(diǎn)夾雜物去除時(shí)間可知，2、222號(hào)區(qū)域夾雜物去除時(shí)間分別為601 s和615 s，而中部區(qū)域22號(hào)夾雜物去除時(shí)間高達(dá)1050 s，比上、下部區(qū)域去除時(shí)間高約75%。這是因?yàn)樵阡摪鼘?duì)稱(chēng)面中部區(qū)域22處的鋼水流場(chǎng)存在較大漩渦，而上部和下部區(qū)域是相距該區(qū)域較遠(yuǎn)，而在大漩渦區(qū)域的夾雜物運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)較難去除。5 μm夾雜物在鋼包不用徑向截面時(shí)的去除時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 5 μm夾雜物去除時(shí)間

靠近鋼包對(duì)稱(chēng)面和在鋼包壁處的夾雜物去除時(shí)間明顯高于鋼包壁與對(duì)稱(chēng)面之間區(qū)域的夾雜物去除時(shí)間。在鋼包壁與鋼包對(duì)稱(chēng)面之間的區(qū)域4、5、44、55、444、555夾雜物去除時(shí)間最少。以?shī)A雜物之間為5 μm為例，鋼包上部位于鋼包壁與對(duì)稱(chēng)面之間區(qū)域(5號(hào)區(qū)域)夾雜物去除時(shí)間為為8 s，而靠近鋼包壁面處(6號(hào)區(qū)域)夾雜物去除時(shí)間高達(dá)520 s;同時(shí)在鋼包中部和下部區(qū)域同樣出現(xiàn)這樣的趨勢(shì)。由于在靠近鋼包壁處的鋼水處于弱流區(qū)域，夾雜物在此位置活動(dòng)不充分較難上浮到鋼包表面被渣層吸附去除。

3.2 夾雜物尺寸對(duì)去除時(shí)間的影響

夾雜物直徑較小時(shí)(5 μm)，夾雜物運(yùn)動(dòng)受到浮力的影響較小，運(yùn)動(dòng)軌跡比較復(fù)雜，平均停留時(shí)間平均510 s;隨著夾雜物顆粒直徑的增加，其上浮去除也較快，夾雜物去除因素主要受到鋼水作用力和浮力的共同作用;夾雜物直徑為50 μm時(shí)平均停留時(shí)間約426 s，當(dāng)夾雜物直徑增加到100 μm時(shí)，夾雜物顆粒在鋼包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡更短，經(jīng)過(guò)約320 s后即可上浮到鋼包頂部被渣層吸附去除。鋼包壁附近中部區(qū)域不同直徑夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 鋼包壁附近不同尺寸夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡

數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中假設(shè)夾雜物運(yùn)動(dòng)到鋼包頂部即可去除，但是在現(xiàn)場(chǎng)操作中存在夾雜物不可去除區(qū)域及難去除顆粒，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不同粒徑夾雜物之間會(huì)產(chǎn)生碰撞長(zhǎng)大，故此種情況在實(shí)際操作中可以避免。通過(guò)對(duì)不同直徑夾雜物在鋼包內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況研究，對(duì)鋼包內(nèi)遠(yuǎn)離對(duì)稱(chēng)面各區(qū)域的停留時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得出夾雜物顆粒在鋼包內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于鋼水氣泡的帶動(dòng)攪拌作用，將一些夾雜物顆粒帶入到鋼水弱流區(qū)，夾雜物在弱流區(qū)區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，在此顆粒軌跡線上停留時(shí)間最長(zhǎng)的為鋼包底部靠近雙吹氣孔區(qū)域，此區(qū)域的停留時(shí)間為10 min。

3.3 鋼包對(duì)稱(chēng)面處夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡

鋼包對(duì)稱(chēng)面處夾雜物較難去除區(qū)域的鋼水流場(chǎng)及對(duì)稱(chēng)面大回旋中心處不同直徑夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 鋼包對(duì)稱(chēng)面處流場(chǎng)及夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖4可以看出，在鋼包對(duì)稱(chēng)面處存在2個(gè)回旋區(qū)，分別位于兩吹氣孔連線兩側(cè)，靠近吹氣孔的鋼包壁面處的回旋區(qū)域較小，而遠(yuǎn)離吹氣孔位置存在一個(gè)大回旋區(qū)。夾雜物在遠(yuǎn)離鋼包吹氣孔位置的大回旋區(qū)漩渦中心處的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎只在對(duì)稱(chēng)面上做二維運(yùn)動(dòng)，在漩渦中停留時(shí)間也長(zhǎng)，直到夾雜物運(yùn)動(dòng)到回旋區(qū)外才隨著鋼水的運(yùn)動(dòng)上浮到鋼包表面被渣層吸收去除。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)LF精煉爐鋼包內(nèi)不同夾雜物直徑下，在鋼包上、中、下不同區(qū)域內(nèi)夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡及去除時(shí)間進(jìn)行模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1)鋼包內(nèi)夾雜物運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，鋼包各區(qū)域的夾雜物去除時(shí)間不同，雙孔對(duì)稱(chēng)面附近的夾雜物較難去除，該處流場(chǎng)存在較大漩渦，漩渦內(nèi)部的夾雜物運(yùn)動(dòng)呈“二維流動(dòng)”;

2)夾雜物在靠近鋼包壁處由于處于鋼水弱流區(qū)，夾雜物去除時(shí)間較長(zhǎng);

3)小顆粒夾雜物運(yùn)動(dòng)受浮力影響較小，大顆粒夾雜物上浮受鋼水作用力和浮力雙重影響。

［1］ V.D.FELICE，I.L.DAOUD，etc.Numerical Modelling of Inclusion Behaviour in a Gas-stirred Ladle［J］，ISIJ，2012，52(7)：1273-1280.

［2］ 陳義勝，賀友多，黃宗澤，任三兵.合金在 LF鋼包精煉過(guò)程中的變化研究［J］.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23(4)：296-299.

［3］ S.A.Morsiand A.J.AlexandeAn Investigation of Particle Trajectories in Two-Phase Flow Systems［J］.Fluid Mech.，1972，55(2)：193-208，