承鋼100 t鋼包底吹數(shù)值模擬研究

王　琪　魏躍軍　王立新

(1.河鋼集團(tuán)承鋼公司技術(shù)中心；　2.河鋼集團(tuán)承鋼公司長(zhǎng)材事業(yè)一部)

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承鋼100 t鋼包底吹數(shù)值模擬研究

王琪1魏躍軍1王立新2

(1.河鋼集團(tuán)承鋼公司技術(shù)中心；2.河鋼集團(tuán)承鋼公司長(zhǎng)材事業(yè)一部)

鋼包底吹工藝是鋼包冶金的一種重要手段，底吹的布置及底吹參數(shù)對(duì)工藝效果影響較大，承鋼對(duì)100 t鋼包底吹工藝進(jìn)行了深入研究，利用FLUENT軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果表明在底吹流量為500 L/min時(shí)，改進(jìn)后的底吹位置比原型有更好的循環(huán)流動(dòng)效果，較小的相對(duì)死區(qū)和裸露面積，有利于鋼水成分和溫度的均勻，減少二次氧化，并促進(jìn)夾雜物上浮。

數(shù)值模擬鋼包底吹改進(jìn)

0　前言

鋼包吹氬系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單而有效的爐外精煉裝置。通過(guò)氬氣的發(fā)泡，氣洗和攪拌作用可使鋼水溫度和成分均勻同時(shí)使鋼水凈化。鋼包吹氬工藝吹成率高，操作簡(jiǎn)單，安全可靠。但實(shí)際生產(chǎn)中，往往存在因其氣量過(guò)大而造成卷渣，底吹孔位置不準(zhǔn)確而造成均混時(shí)間變長(zhǎng)，流速與吹氬時(shí)間難以把握及流場(chǎng)的不合理分布等問(wèn)題。

鋼包吹氬工藝通過(guò)安裝在鋼包底部的透氣磚向鋼水吹入氬氣，帶動(dòng)鋼液流動(dòng)，從而均勻鋼液溫度和成分，去除氣體，減少鋼中的夾雜，改善鋼水質(zhì)量。承鋼100 t鋼包在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于雙孔底吹磚0.7 R，120 °夾角的布置不盡合理，以致出現(xiàn)鋼液攪拌不均勻、包壁嚴(yán)重沖刷和噴濺等問(wèn)題。利用FLUENT軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，對(duì)原型和優(yōu)化后進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到鋼包底吹最優(yōu)參數(shù)為0.4 R，60 °夾角。

1　數(shù)值模擬

1.1模擬方案

方案一：原型鋼包(底雙孔吹磚布置0.7 R，120 °夾角)，底吹氣量500 L/min。

方案二：改進(jìn)鋼包(底雙孔吹磚布置0.4 R，60 °夾角)，底吹氣量500 L/min。

1.2控制方程及定解條件

研究利用Fluent模擬軟件采用1：1比例模型對(duì)不同底吹情況對(duì)鋼包流場(chǎng)的影響進(jìn)行模擬，利用VOF模型模擬多相流的相互影響，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、無(wú)滑移壁面和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計(jì)算過(guò)程中，壓力和速度采用PISO算法耦合，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。壓力采用Body force weighted方法進(jìn)行差分，體積分?jǐn)?shù)采用Ger-Reconstruct進(jìn)行差分，其余變量采用一階迎風(fēng)格式差分。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況給定邊界條件，入口邊界為氣體質(zhì)量入口，出口邊界為鋼包頂端氣體壓力出口，其他壁面為絕熱面。初始條件中設(shè)定合理的氣液兩相體積比例和初始速度。時(shí)間步長(zhǎng)為非穩(wěn)態(tài)步長(zhǎng)，迭代時(shí)間為10-5s，均方根殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4。

1.3模型建立

采用三維幾何模型，使用Gambit2.2.30軟件建立幾何模型并劃分網(wǎng)格，采用六面體網(wǎng)格形式，最小網(wǎng)格尺寸位于氣體入口處，計(jì)算域中最大網(wǎng)格尺寸為18 mm，網(wǎng)格數(shù)約為13萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量0.4以上，鋼包網(wǎng)格形式如圖1所示。

圖1　鋼包模型網(wǎng)格圖

2　模擬結(jié)果分析

原型鋼包和改進(jìn)后鋼包(底部吹氣量為500 L/min時(shí))的內(nèi)截面上速度矢量圖如圖2所示。

(a) 原型鋼包

(b) 改進(jìn)后鋼包

從圖2可以看出，氣泡不斷的從噴孔噴出，在鋼液浮力作用下上升，同時(shí)帶動(dòng)周圍鋼液向上運(yùn)動(dòng)，處于噴孔正上方的液體形成強(qiáng)烈的向上股流。當(dāng)氣液兩相區(qū)形成的上升流達(dá)到熔池液面后，氣體溢出熔池，而達(dá)到液面的鋼水被線面驅(qū)動(dòng)流向四周運(yùn)動(dòng)，遇到鋼包壁后向下流動(dòng)，從而形成循環(huán)流動(dòng)。

鋼包中各項(xiàng)分布示意圖如圖3所示(圖中，藍(lán)色部分未氬氣，紅色為鋼渣，綠色為鋼液)。

圖3鋼包內(nèi)各項(xiàng)分布示意圖

從圖3可以看出，鋼包內(nèi)氣泡分布狀態(tài)及大小，因氣體流量、鋼包內(nèi)鋼液壓力及溫度影響，氣泡大小形狀各不相同，經(jīng)測(cè)量原鋼包底吹分布(右側(cè))下氣泡直徑約為17.1 mm，改進(jìn)后鋼包底吹分布(左側(cè))下氣泡直徑約為16.8 mm。

原型鋼包底吹氣流量為500 L/min時(shí)，不同截面處湍流動(dòng)能云圖如圖4所示；改進(jìn)后鋼包底吹氣流量為500 L/min時(shí)，不同截面處湍流動(dòng)能云圖如圖5所示。測(cè)量原型與改進(jìn)后鋼包內(nèi)的湍流動(dòng)能分別為0.143 k和0.157 k，改進(jìn)后鋼包內(nèi)湍流動(dòng)能比原型提高9.7%，改進(jìn)后的底吹位置能夠加快鋼包中添加劑的均勻分布及鋼液溫度的均勻化。

(a) 湍流動(dòng)能云圖立體圖

(b) 湍流動(dòng)能云圖主視截面圖

(c) 湍流動(dòng)能云圖側(cè)視截面圖

(d) 湍流動(dòng)能云圖俯視截面圖

(a) 湍流動(dòng)能云圖立體圖

(b) 湍流動(dòng)能云圖主視截面圖

(c) 湍流動(dòng)能云圖側(cè)視截面圖

(d) 湍流動(dòng)能云圖俯視截面圖

設(shè)定湍流強(qiáng)度小于平均動(dòng)能5%的區(qū)域?yàn)樗绤^(qū)，根據(jù)數(shù)模結(jié)果進(jìn)行估算原型與改進(jìn)后鋼包內(nèi)的死區(qū)體積分別為鋼包體積9.5%和6.7%。

加入示蹤劑測(cè)定，原型與改進(jìn)后鋼包內(nèi)的混勻時(shí)間分別為258 s和233 s。

從圖4、圖5可以看出，改進(jìn)鋼包與原型鋼包比較兩噴孔距離更近，湍動(dòng)能越較大，攪拌效果較好。這是因?yàn)樵诘撞看禋饬坎淮蟮那闆r下，上升氣流帶動(dòng)的上升液體量小，在頂部周圍流動(dòng)時(shí)所能到達(dá)的距離也小，其運(yùn)動(dòng)對(duì)鋼包中下部的流體影響不大。而改進(jìn)后，噴吹流股之間形成循環(huán)區(qū)，湍流動(dòng)能較弱區(qū)域明顯較少。

改進(jìn)后底吹兩噴嘴間距及底吹流量情況下，流股干擾和抵消作用小更小，流動(dòng)能量損失少，平均湍動(dòng)能大，死區(qū)比例小，混勻時(shí)間短。

原型與改進(jìn)后鋼液裸露面積如圖6所示，分別為1.57 m2和2.10 m2，改進(jìn)后的裸露面積為原型的75%。因此,改進(jìn)后鋼包渣層相對(duì)原型能夠更有效的避免鋼液二次氧化，減少鋼中夾雜物。并且改進(jìn)后噴吹位置遠(yuǎn)離鋼包壁，可以降低對(duì)包壁侵蝕，提高鋼包壽命。

3　結(jié)論

通過(guò)100 t鋼包底吹磚布置改進(jìn)前后鋼包的數(shù)值模擬研究得出以下結(jié)論:

(a) 原型

(b) 改進(jìn)后

圖6鋼液裸露面積對(duì)比圖

1)原型與改進(jìn)后鋼包內(nèi)的湍流動(dòng)能分別為0.143 k和0.157 k，改進(jìn)后鋼包內(nèi)湍流動(dòng)能比原型提高9.7%，混勻時(shí)間分別為258 s和233 s，混勻時(shí)間降低25 s，改進(jìn)后能夠加快鋼包中添加劑的均勻分布及溫度均勻化。

2)原型與改進(jìn)后鋼包內(nèi)的死區(qū)體積分別為鋼包體積9.5%和6.7%，死區(qū)降低2.8%，改進(jìn)后的底吹位置降低了死區(qū)，攪拌作用強(qiáng)。

3)原型與改進(jìn)后鋼包鋼液裸露面積分別為1.57 m2和2.10 m2，改進(jìn)后的裸露面積為原型的75%。改進(jìn)后鋼包渣層相對(duì)原型能夠更有效的避免鋼液二次氧化，減少鋼中夾雜物。并且改進(jìn)后噴吹位置遠(yuǎn)離鋼包壁，可以降低對(duì)包壁侵蝕，提高鋼包壽命。

4)改進(jìn)后的底吹位置比原型有更好的循環(huán)流動(dòng)效果，較小的相對(duì)死區(qū)和裸露面積，有利于鋼水成分和溫度的均勻，減少二次氧化，并促進(jìn)夾雜物上浮。

[1]朱苗勇，蕭澤強(qiáng).鋼的精煉過(guò)程數(shù)學(xué)物理模擬[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998，56-64.

[2]韓建軍，李士琦，吳龍．鋼包底吹氬攪拌特性[J]．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，(5)：32-36.

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON BOTTOM BLOWING OF 100 t STEEL LADLE IN CHENG STEEL

Wang Qi1Wei Yuejun1Wang Lixin2

(1.Technology Center of Chengde Iron Steel Company, Hesteel Group;2.No.1 Long-Materials Business Department of Chengde Iron Steel Company,Hesteel Group)

Ladle bottom blowing process is an important means of ladle metallurgy, bottom blowing arrangement and bottom blowing parameters of process effect have great influence on the bearing steel. 100 t ladle bottom blowing process are studied, the field by using FLUENT software convection and three dimensional numerical simulations are performed to study and simulation results show that when the bottom blowing flow is 500 L/ min, circular flow effect of the improved bottom blowing location is better than that of the prototype, smaller relative dead zone and bare area is conducive to the composition and temperature of the molten steel of uniform, and reduce secondary oxidation and promote inclusion floatation.

numerical simulationsteel ladlebottom blowingimprove

聯(lián)系人：王琪，工程師，河北.承德(067002)，河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心；2016—4—11