基于歐拉-歐拉多相流模型對氣幕擋墻中間包內(nèi)流場的數(shù)值模擬

趙小冬

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

為了滿足客戶對優(yōu)質(zhì)鋼材的需求，采用中間包冶煉是非常重要的。通過提高中間包對夾雜物的凈化率，可以滿足客戶的需求。國內(nèi)外許多技術(shù)人員做了大量的中間包流體凈化研究，其中采用中間包底吹氬方法效果明顯。

通過底部吹氬氣，可以帶動鋼水流動，使鋼水充分混合，實現(xiàn)溫度均勻，成分一致，通過底部吹氬氣，可以產(chǎn)生大量的細小氣泡，將夾雜物帶到鋼水表面去除，利用惰性氣泡實現(xiàn)鋼液的清洗和凈化。

采用多相流的歐拉—歐拉模型，模擬不同的吹氣量情況下的中間包內(nèi)部流場情況，研究出較為適宜的底吹氬氣風量，提高鋼水凈化效率，對底吹氬技術(shù)的實際應(yīng)用具有重要的意義。

1 數(shù)學模型

Fluent 軟件中的歐拉多相流模型可以模擬多相分離相和相互作用相，相可以是液體、氣體、固體及任意組合，均可以用歐拉方法處理。流體軟件中的歐拉多相流對相之間的體積分數(shù)沒有限制，并且對相數(shù)沒有限制，它能分析的最大相位數(shù)量只是受到內(nèi)存的限制，歐拉模型允許兩相之間發(fā)生化學反應(yīng)。

中間包內(nèi)的兩相流采用歐拉-歐拉兩相流體模型模擬，鋼水作為主相[1]，氣體作為離散相。每一相均認為是三維穩(wěn)定的湍流流動，分別建立各相連續(xù)性方程和動量方程。采用標準的k-ε雙方程模型求解有效粘度。氣液兩相通過曳力、升力虛擬質(zhì)量力進行傳遞。

（1）多相流模型采用歐拉模型，相數(shù)為2，即鋼水和氬氣，分別為主相和離散相。

（2）中間包內(nèi)鋼水設(shè)定為不可壓縮性流體，三維穩(wěn)態(tài)湍流流體。

（3）透氣磚內(nèi)氬氣流動視作在多孔介質(zhì)中的三維穩(wěn)態(tài)湍流流動，忽略氣泡的聚集和氣泡間的相互作用。

（4）氣幕擋墻磚的尺寸為100×834×60 mm，距離中間包中心位置940 mm，撤除擋壩，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)參見圖1所示。

圖1 氣幕擋墻中間包結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣幕擋墻

首先進行氣幕擋墻的阻力分析，流動阻力的大小用流動阻力表示，氬氣流經(jīng)透氣磚流動的阻力，根據(jù)公式：推導透氣磚的粘性阻力系數(shù)1/α和慣性阻力系數(shù)C2。式中ΔP指氣體的壓降，L是長度，μg是氣體的粘度，1/α是氣體粘性阻力系數(shù)，C2是慣性阻力系數(shù)，指氣體的表觀速度，ρg是氣體的密度，據(jù)吹氣量及透氣磚的入口斷面面積計算。

氬氣在多孔的透氣磚中流動時，由于氬氣本身粘性和孔隙分布的不規(guī)則性，存在阻力損失。根據(jù)氬氣的壓降檢測結(jié)果，應(yīng)用因次分析法，分析出影響阻力系數(shù)主要是氣體的粘性、密度、氣體表觀速度。即，氬氣的壓降主要是受氣體粘度引起的粘性阻力損失和氣孔形狀引起的慣性阻力損失影響。

3 邊界條件

將實體壁面視作為無滑移邊界，對近壁邊界層采用標準壁面函數(shù)。將入口處設(shè)定為鋼水入口，假設(shè)流速在整個斷面上均勻分布，并根據(jù)拉坯速度和坯料尺寸計算入口流速為1.4 m/s，入口湍動能kin和耗散率εin通過公式計算：

在鋼水出口處，將鋼水看作是自由流動，設(shè)置為流出邊界。氬氣通過透氣磚時被加熱，并在接近鋼水的溫度下進入中間包。因此，計算中的氣體流量是指熱態(tài)下的氣體流量。氣體密度為0.32 kg/m3。假設(shè)入口氣流速度均勻分布，根據(jù)入口截面面積和流量用連續(xù)性方程計算，氣體體積分數(shù)設(shè)為1，鋼水體積分數(shù)設(shè)為0。

假設(shè)氣泡是球形的，氣泡大小不隨在中間包中的位置改變而改變，氣泡的初始直徑假設(shè)為2 mm。多孔介質(zhì)的孔隙率設(shè)定為0.32。

4 劃分網(wǎng)格

采用正交直角坐標系，對六面體網(wǎng)格進行了全區(qū)域劃分。為保證計算精度，節(jié)省計算時間，在入口區(qū)、出口區(qū)、多孔介質(zhì)區(qū)及以上區(qū)域采用密集網(wǎng)格，其余區(qū)域采用相對稀疏網(wǎng)格。

5 模擬試驗

選取10 L/min、20 L/min 和30 L/min 這3 種吹氬氣量模擬試驗，對中間包進行底吹氬氣進行數(shù)值模擬。通過截取中心截面，即z=0 m，擋墻磚中心縱向垂直截面，即x=0.94 m，分別顯示不同吹氣量時的速度分布。圖2 至圖4 顯示當不同底吹氬氣量時，鋼水沿著中間包的長度方向（Z=0）處予中心垂直截面上的分布流場情況。

圖2 吹氬氣量為10L/min時，z=0m截面處的流場

圖3 吹氬氣量為20 L/min時，z=0 m截面處的流場

圖4 吹氬氣量為30 L/min時，z=0 m截面處的流場

從圖2可以看出，當?shù)状档臍鍤饬枯^小時，想在中間包內(nèi)形成有效的氬氣氣幕是非常困難的，甚至無法形成氣幕，此時，對中間包內(nèi)鋼水流動產(chǎn)生的影響很?。划旓L量適當時，如圖3 時，氬氣氣幕區(qū)域的鋼水流速適中，氬氣氣幕右側(cè)形成了漩渦，并且和鋼水表面的距離也相應(yīng)增加，并且向中間包的底部轉(zhuǎn)移；隨著底吹氬氣風量逐步增加，如圖4 風量時，氬氣氣幕區(qū)域的鋼水上移的速度快色增大，在氬氣氣幕的右側(cè)劇烈循環(huán)，靠近液面時，鋼—渣界面處浮渣劇烈運動，甚至可能將成形的渣擠碎，再次進入鋼水產(chǎn)生卷渣，導致中間包內(nèi)鋼水的再次氧化，無法使中間包內(nèi)鋼水潔凈。

也可以看出，底吹氬氣形成幕墻的兩側(cè)回流區(qū)大小，以及中間包內(nèi)鋼水的混合程度，甚至氬氣幕墻右側(cè)可能會形成死區(qū)，都與吹入氬氣風量有關(guān)。當?shù)状禋鍤獾乃俣炔煌瑫r，中間包內(nèi)產(chǎn)生的氣泡大小以及氬氣氣泡的上浮速度，氬氣氣泡進入鋼水內(nèi)部的初始速度，氬氣氣泡在中間包內(nèi)的總體分布都有不同程度的差異，這些都會影響鋼水在中間包內(nèi)流動的形態(tài)，并且適宜的底吹風量直接會影響中間包內(nèi)鋼水去渣效果[2]。

從圖5 至圖7 中可以看出，中間包內(nèi)的氣流并不是直線上升的，而是隨著底吹氬氣量的增加，氬氣氣幕擋墻越靠近兩側(cè)，偏流較小，越靠近中心，偏移越大。而且，越靠近底部，偏移越劇烈，越靠近頂部，便宜程度越低，這是因為中間包內(nèi)部上寬下窄。底部和中部的氣流集中，鋼水翻滾激烈，兩側(cè)以及上部，相對而言氣流較弱，因此就產(chǎn)生了中部區(qū)域鋼水上行，而兩側(cè)區(qū)域鋼水下行的循環(huán)現(xiàn)象。

圖5 吹氬氣量為10 L/min時，x=0.94 m截面處的流場

圖6 吹氬氣量為20 L/min時，x=0.94 m截面處的流場

圖7 吹氬氣量為30 L/min時，x=0.94 m截面處的流場

從圖5 到圖7 可以看出，氣流不是直線上升的。隨著吹風量的增加，氣幕中部偏大，兩側(cè)偏小。另一方面，由于中間包底部比頂部窄，氣流的中心效應(yīng)較強，說明氣流比較集中，中心部分使鋼水翻起更猛烈，而兩側(cè)越靠近頂部，氣流就越弱，因此形成鋼水在中間包內(nèi)呈現(xiàn)兩側(cè)向下、中部向上循環(huán)流動的形態(tài)。

6 結(jié)果分析

從圖2 到圖7 可以看出，由于從中間包底部透氣磚吹進的不同量的氬氣，在中間包內(nèi)形成了氣幕，也隨之將中間包內(nèi)鋼水的流向改變了，并且隨著底吹氬氣量的增加，在氣幕兩側(cè)形成了回流區(qū)域。因為中間包內(nèi)部空間影響以及與氣幕擋墻距離近的影響，流體中部顯示出類似“S”形的流場。隨著底吹氬氣流量的增加，氬氣與鋼水流速增加明顯，氬氣帶速上浮，帶動鋼水產(chǎn)生一定的速度上行，在中間包區(qū)域內(nèi)加速充分混合，也促使鋼水內(nèi)部形成眾多微小的氬氣泡，與鋼水充分混合，也增加了與鋼水中雜質(zhì)的混合幾率，氬氣泡與鋼水中夾雜物結(jié)合后上浮，在中間包上部形成浮渣，為后續(xù)去除雜質(zhì)創(chuàng)造有利條件。

7 結(jié)果驗證

在生產(chǎn)實際過程中，吹氬通過氣幕擋墻磚進入中間包，記錄數(shù)據(jù)表明，氣體速度差異造成的氣泡大小以及運行速度，對鋼水流動以及帶動鋼渣流動的影響巨大，影響著去夾雜的效果。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，控制吹氣流量在14～16 L/min 時，除渣效果最佳（根據(jù)工況實際，優(yōu)化調(diào)整）。

8 結(jié)論

通過對氣幕擋墻中間包內(nèi)流場模擬結(jié)果分析，得出結(jié)論如下：

（1）中間包底部吹氬在去除鋼水中的雜質(zhì)過程中可以起到較好的效果，但底部吹氬風速大小對中間包內(nèi)鋼水流動形態(tài)造成的影響，風速過小，起不到去渣效果，風速過大，造成表面卷渣，造成鋼水氧化。

（2）中間包底吹氬時，當氬氣流量在10 L/min時，只能形成微小的氬氣氣幕，去除雜質(zhì)效果不明顯；當氬氣流量在20 L/min 時，產(chǎn)生了明顯的氣幕，但在邊緣產(chǎn)生了S 形的渦旋；當氬氣流量在30 L/min 時，氬氣氣幕與鋼水劇烈循環(huán)，不利于浮渣的形成。

（3）中間包底吹氬模擬結(jié)果表明，氬氣流速量20 L/min 時已經(jīng)形成了邊緣渦旋，不利于去渣，因此氣體應(yīng)控制在20 L/min 以下，而氬氣流速10 L/min時，氣幕較弱，綜合來看，底吹氬氣控制在10～20 L/min 之間為宜。這樣浮渣不易再次被拉到鋼水中，去渣效果更好。