噴吹鐵水脫硫過程中氣液兩相數(shù)值模擬研究

曹興平 王長勇 杜海濤

（1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京100029；2：固安金科源機(jī)電自動化有限公司 河北固安065500）

1 前言

隨著工業(yè)社會對鋼材的高品質(zhì)需求，生產(chǎn)高品質(zhì)、高附加值鋼種技術(shù)已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)的核心競爭力?，F(xiàn)代鋼鐵工業(yè)典型優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程為“高爐煉鐵－鐵水脫硫－轉(zhuǎn)爐煉鋼－爐外精煉－連鑄連軋”，其中，經(jīng)濟(jì)高效的鐵水脫硫是其重要環(huán)節(jié)之一。噴吹脫硫法能夠滿足現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)對深脫硫、高效率、少渣量、小溫降的要求，被現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用。在噴吹鐵水脫硫中，脫硫劑在鐵水中的流動是決定脫硫效率和脫硫效果的關(guān)鍵因素，噴槍在鐵水包中的位置對脫硫劑在鐵水中的流動具有重要影響。

噴吹脫硫法中，氮?dú)鈹y帶著脫硫劑進(jìn)入到鐵水中具有兩個(gè)重要目的，一是將脫硫劑帶入到鐵水中；二是強(qiáng)化鐵水的擾動，增加硫與脫硫劑的接觸幾率，提高反應(yīng)速率和脫硫效果。載氣對鐵水的攪拌、脫硫劑在鐵水中的運(yùn)動等流動過程，都將直接影響脫硫效果。從氣－液兩相流出發(fā)，忽略脫硫劑與硫的化學(xué)反應(yīng)，建立數(shù)學(xué)模型，在ANSYS平臺上數(shù)值模擬鐵水包中鐵水和氮?dú)獾牧鲃有袨?，分析鐵水和氮?dú)庠谫|(zhì)量、動量上的相互作用，探討錐形噴槍在三個(gè)不同深度時(shí)對鐵水包內(nèi)氣液兩相流動的影響，為工程實(shí)際確定合適的錐形噴槍深度提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2 數(shù)學(xué)物理模型的建立

圖1為采用錐形噴槍脫硫的鐵水包三維模型，使脫硫噴槍深入鐵水包內(nèi)距離包底為100mm、200mm 和300mm，建立1／4個(gè)鐵水包的物理模型。

忽略脫硫反應(yīng)以及脫硫劑顆粒對流動的影響，主要分析鐵水包內(nèi)的氣液兩相的流動與傳質(zhì)過程。采用多相流模型中的Eulerian模型來模擬噴吹過程，選用κ－ε雙方程模型計(jì)算流體的湍動過程，以鐵水為主相，氮?dú)鉃榈诙啵飨鄶?shù)學(xué)模型包括連續(xù)方程、動量方程、湍流動能方程和湍流耗散方程。

圖1 錐形噴槍1／4物理模型圖

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述數(shù)學(xué)物理模型，對采用錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)的流動情況進(jìn)行了數(shù)值仿真。初始時(shí)刻鐵水包凈空高為500mm，入口氮?dú)鉁囟葹槌兀ㄐ∮?0℃），流量為40Nm3／h，工 作 壓 力 表 壓 為0.5MPa。鐵 水 溫 度 為1300℃，密度為7100kg／m3，粘度為0.006Pa·S。

對采用距包底不同距離錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)氣液兩相的流動情況進(jìn)行數(shù)值仿真，噴槍均采用1／4物理模型，表1為鐵水包數(shù)值仿真參數(shù)對比。

表1 鐵水包數(shù)值仿真參數(shù)表

3.1 算例1— 噴槍距離包底100mm

圖2 算例1鐵水包內(nèi)壓力分布圖

圖2為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)壓力云圖。從圖中可以看出，為克服流動阻力，在噴槍錐形區(qū)域，壓力由錐頂?shù)藉F底逐漸降低。

圖3 算例1z＝0截面上y 方向速度流線圖

圖3為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包在z＝0截面上y 方向速度流線圖。從圖中可以看出，鐵水包底部和上部出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的漩渦，說明噴槍對包底的鐵水有較強(qiáng)的擾動作用。

圖4 算例1鐵水包內(nèi)氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)分布圖

圖4為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)云圖。從圖中可以看出，氣液分界面處波動不明顯，說明錐形噴槍對氣體的均布具有很好效果。

圖5為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，三條曲線基本吻合，氣體對噴槍附近的鐵水?dāng)_動較為明顯，而對遠(yuǎn)離噴槍區(qū)域的鐵水?dāng)_動效果較弱。

圖6為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，距包底100mm 處鐵水的z向速度波動最大，說明噴槍對鐵水包底部的擾動作用明顯。從z＝－0.5到鐵水包壁面速度幾乎為0，說明氣體噴射的擾動范圍有限。

圖5 算例1x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比

圖6 算例1x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z 方向上的速度對比

3.2 算例2—噴槍距離包底200mm

圖7為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)壓力云圖。從圖中可以看出，與算例1類似，為克服流動阻力，在噴槍錐形區(qū)域，壓力由錐頂?shù)藉F底逐漸降低。

圖7 算例2鐵水包內(nèi)壓力分布圖

圖8 算例2某截面上y 方向速度流線圖

圖8為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包在z＝0截面上y 方向速度流線圖。從圖中可以看出，鐵水包中下部出現(xiàn)很明顯的強(qiáng)烈的漩渦。與算例1相比，出現(xiàn)了大尺度的漩渦，說明氣體噴射對鐵水的擾動作用很強(qiáng)烈。

圖9為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)云圖。從圖中可以看出，算例2氣液分界面較算例1波動明顯，且氣相的分布范圍明顯比算例1大，說明氣體噴射對鐵水的擾動作用較算例1大。

圖10為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，距包底300mm 處鐵水的y 正方向速度最大。

圖11為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，距包底300mm 處鐵水的z 正方向速度最大，大于算例1，且沒有出現(xiàn)算例1中從z＝－0.5到鐵水包壁面速度幾乎一直為0的情況，說明氣體噴射對鐵水的擾動范圍較算例1大。

圖10 算例2x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比

圖11 算例2x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z 方向上的速度對比

3.3 算例3—噴槍距離包底300mm

圖12為采用距離包底300mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)壓力云圖。從圖中可以看出，算例1和算例2類似，為克服流動阻力，在噴槍錐形區(qū)域，壓力由錐頂?shù)藉F底逐漸降低，但壓降明顯小于算例1和算例2。

圖12 算例3鐵水包內(nèi)壓力分布圖

圖13 算例3某截面上y 方向速度流線圖

圖13為采用距離包底300mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包在z＝0截面上y 方向速度流線圖。從圖中可以看出，與算例1類似，鐵水包的底部和上部出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的漩渦，說明噴槍對包底的鐵水有一定的擾動作用。

圖14為采用距離包底300mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)云圖。從圖中可以看出，氣液分界面處波動不明顯，錐體底部氣液摻混不如算例1 和算例2強(qiáng)烈。

圖14 算例3鐵水包內(nèi)氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)分布圖

圖15 算例3x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比

圖15為采用距離包底300mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，氣體對噴槍附近的鐵水?dāng)_動具有較強(qiáng)的效果，對遠(yuǎn)離噴槍區(qū)域的鐵水?dāng)_動作用較小。

圖16為采用距離包底300mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，氣體噴射對鐵水包底部的擾動具有一定的效果。

圖16 算例3x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z 方向上的速度對比

4 結(jié)論

1）對采用錐形噴槍脫硫的鐵水包內(nèi)部的氣液兩相流動過程建立數(shù)學(xué)模型，模型考慮了氮?dú)夂丸F水在質(zhì)量、動量上的相互作用，并對氣體和鐵水的兩相流動進(jìn)行了求解。

2）通過數(shù)值仿真能夠較為詳細(xì)地了解鐵水包內(nèi)部的流動情況，獲得鐵水包內(nèi)部氣液兩相的壓力場、流場和氣液組分場，分析了鐵水包內(nèi)的壓力損失、速度和氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的分布。

3）對于采用錐形噴槍脫硫的鐵水包，噴槍距離鐵水包底部200mm 時(shí)對鐵水的擾動作用優(yōu)于距包底100mm 和300mm，噴槍處于此位置時(shí)脫硫效果更好。

［1］王楠，利兵.決定鐵水包噴粉脫硫效率的三個(gè)基本參數(shù)［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2000（12）增刊：10－15.

［2］趙沛，成國光，沈匙.爐外精煉及鐵水預(yù)處理實(shí)用技術(shù)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［3］張玉柱，艾立群.鋼鐵冶金過程中的數(shù)學(xué)解析與模擬［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1997.