100t鋼包底吹氬攪拌鋼液去除夾雜物數值模擬研究

趙建鵬，唐國章，曾亞南，李俊國

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210)

在煉鋼的生產過程中，如果不能有效地去除鋼液中的夾雜物，大量非金屬夾雜物會嚴重影響鋼的品質，對鋼的性能造成很大影響[1]。隨著工業(yè)技術的進步，對鋼的品質要求不斷提高，為此，去除鋼中的夾雜物就顯得至關重要。鋼包內的二次精煉在高品質鋼的生產中發(fā)揮著越來越重要的作用，鋼包底吹氬就是其中重要的方式之一[2]。

相關研究發(fā)現[3]，向鋼包中吹入氬氣不僅可以快速混勻鋼液成分和溫度，還可以有效減少鋼液中的夾雜物。Lou[4]利用CFD-PBM耦合模型研究發(fā)現雙孔底吹方式和增大氣體流量都能夠明顯縮短混勻時間增大夾雜物去除率。Liu、Chen[5,6]基于VOF-DPM耦合模型進行模擬發(fā)現氣泡大小對鋼液流動變化影響不大，相反氣體流量對鋼液流動具有重要影響。Zhang[7]通過建立數學模型和水模實驗的方法分析了注入氣體來除去鋼水中夾雜物的技術，發(fā)現氣體流速對提高夾雜物去除率具有很大影響。Lou[8]模擬研究了氣體噴吹對攪拌鋼液產生的羽流和夾雜物去除現象的影響，最終得到在一定范圍內的氣體流量對夾雜物去除有促進作用。Geng[9]建立多孔結構鋼包模型，對夾雜物的去除影響進行描述，提取鋼包平面湍流動能、湍流能量耗散率、夾雜物數密度等數據，并通過數據分析得到結論，相對于單孔結構，多孔結構更有助于鋼包內夾雜物的去除，并最終得到頂渣去除夾雜物是去除夾雜物的主要方式。

綜上所述，為探究不同底吹流量對100 t鋼包鋼液攪拌去除夾雜物的影響，建立100 t雙孔底吹鋼包結構模型，采用VOF-DPM模擬研究鋼包內鋼液-空氣-氬氣流動情況，將鋼和空氣作為連續(xù)相，采用VOF模型進行模擬底吹氬氣，將鋼液中的顆粒視為離散相，應用DPM模型對其進行追蹤。設置不同底吹氬氣流量和不同尺寸夾雜物顆粒，考慮頂渣對夾雜物去除作用，進一步分析鋼液攪拌對夾雜物去除的影響，獲得鋼液攪拌去除夾雜物的最佳效率。

1模型建立和初始條件的設定

1.1 模型的建立

首先運用Fluent前處理軟件構建鋼包幾何模型，為有效地節(jié)省計算時間，更好地對鋼包底吹氬進行模擬，計算根據模型的對稱性，選取計算模型的二分之一作為計算區(qū)域，并對計算區(qū)域進行網格劃分，計算域如圖1所示。然后采用Fluent軟件模擬計算氬氣從鋼包底部進入到鋼液內部，研究鋼液的各項特性，計算結果利用CFD-Post軟件提取數據進行分析得出結論。

圖1 鋼包計算域

1.2 初始條件

選取100 t鋼包模型進行模擬，鋼包模型參數和流體物理性質見表1、表2，示意圖見圖2，為得到最佳底吹流量去除夾雜物方法，選擇5種底吹流量分別為60 NL/min、90 NL/min、120 NL/min、150 NL/min和180 NL/min，夾雜物顆粒尺寸分別選擇5 μm、20 μm、60 μm、100 μm和140 μm。

表1 模型參數/mm

表2 流體物理性質

圖2 模擬鋼包示意圖

1.2.1基本方程

鋼包內鋼液流動過程遵循的基本方程[10]有連續(xù)性方程、動量守恒方程、湍流模型動能耗散方程和湍動能方程如下：

連續(xù)性方程：

?(ρUi)/?xi=0

(1)

動量守恒方程：

(2)

式中：

ρ——流體密度(kg/m3)；Ui,Uj——流場時均速度(m/s)；xj,xj——以張量表示的方向；p——壓力(Pa)；μcff——有效粘度系數(N·m3)；Fj——體積力(N)。

湍流模型

K方程：

(3)

ε方程：

(4)

其中

(5)

μcff=μ+μi=μ+ρCdk2/ε

(6)

式中：

k——流體湍動能(m2/s2)；G——湍動能產生率；ε——湍動能耗散率(m2/s3)；μt——湍流粘度系數(Pa·s)；μ——動力學粘度(N·m/s)；C1,C2,Cd,σk,σε——經驗常數，通常推薦值為：C1=1.44,C2=1.92,Cd=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

在VOF模型的基礎上又加入了離散相模型模擬夾雜物的分布和去除，模擬鋼液為連續(xù)相，鋼液中夾雜物粒子為離散相。

夾雜物在鋼液中的作用力方程為：

(7)

式中，FD(U-Up)為顆粒的單位質量曳力，且

(8)

式中：

Up——夾雜物速度(m/s)；t——時間(s)；U——鋼液速度(m/s)；g——重力加速度(m/s2)；ρ——鋼液密度(kg/m3)；ρp——夾雜物的密度(kg/m3)；Fx——虛擬質量力、壓力梯度力等(Pa)；Dp——夾雜物直徑(m)；CD——曳力系數；Re——相對雷諾系數。

1.2.2基本假設

(1)氣液兩相流體均認為是牛頓流體、粘性流體和不可壓縮粘性流體。

(2)氣泡為大小均勻的剛性球體，忽略氣泡間的碰撞破碎與合并等相互作用。

(3)系統(tǒng)中流體運動視為等溫過程，不考慮溫度場和濃度場對流場的影響。

(4)夾雜物顆粒為剛性小球，每個夾雜物顆粒在碰撞前都是獨立運動，忽略夾雜物運動對鋼液流場的影響。

1.2.3邊界條件

(1)吹氣入口設置為速度入口，氬氣流量按照底吹孔面積進行折算底吹速度。

(2)鋼包上部為氣體出口，設置為壓力出口，當粒子接觸到壓力出口時設置為逃逸。

(3)鋼包側面和底部以及底吹孔側面設置為壁面，當粒子接觸時設置為反彈。

2模擬結果與討論

2.1 底吹流量對鋼液流場的影響

鋼包中鋼水的流動主要來自底吹氬的驅動，為了更好地掌握鋼包中氬氣對鋼液的驅動，首先預測了底吹氬對鋼液流場的影響，進而針對底吹氬氣對顆粒去除效果進行探究。對鋼包進行雙孔底吹氬模擬計算并設置不同底吹流量。圖3是在底吹流量60 NL/min、90 NL/min、120 NL/min、150 NL/min、180 NL/min下鋼包x=0處縱截面速度等值云圖，由圖3可知，隨著底吹流量的增大，氣柱明顯增強，底吹氣對鋼液的影響越來越大，帶動鋼液速度不斷增強，隨著鋼液中的2個流股不斷變大，開始帶動中間區(qū)域的鋼液，使中間區(qū)域的鋼液速度不斷增大，當底吹流量從120 NL/min開始，鋼液中大部分區(qū)域速度大于0.01 m/s。底吹流量的增強使鋼液攪拌效果顯著增大，有利于鋼液的混勻和夾雜物的去除。

圖3 不同底吹流量下鋼包縱截面速度等值云圖

圖4為對不同流量下鋼包x=0平面中鋼液速度進行比較，統(tǒng)計出速度小于0.01 m/s的弱攪拌區(qū)域面積，當吹氬量為60 NL/min時弱攪拌區(qū)比例為49%，吹氬流量為90 NL/min時弱攪拌區(qū)比例為37%，吹氬流量為120 NL/min時弱攪拌區(qū)比例為25%，吹氬流量為150 NL/min時弱攪拌區(qū)比例為19%，吹氬流量為180 NL/min時弱攪拌區(qū)比例為17%。從圖中可以看出，隨著吹氬量的增加，弱攪拌區(qū)比例呈現出不斷減小的趨勢。吹氬量從60 NL/min增至120 NL/min時，弱攪拌區(qū)面積減小較快，當吹氬量從120 NL/min增至180 NL/min時，弱攪拌區(qū)面積下降緩慢，尤其當吹氬量從150 NL/min增至180 NL/min時，弱攪拌區(qū)面積相差不多。

圖4 不同底吹流量下弱攪拌區(qū)比例圖

圖5為底吹流量60 NL/min、90 NL/min、120 NL/min、150 NL/min、180 NL/min下在鋼包y=2.5 m處速度等值云圖。圖6是鋼包y=2.5 m處橫截面平均速度對不同底吹流量的變化趨勢，在當吹氬量為60 NL/min時平面平均速度為0.12 m/s，吹氬流量為90 NL/min時平均速度為0.13 m/s，吹氬流量為120 NL/min時平均速度為0.15 m/s，吹氬流量為150 NL/min時平均速度為0.18 m/s，吹氬流量為180 NL/min時平均速度為0.23 m/s。

圖5 不同底吹流量下鋼包橫截面速度等值云圖

由圖5和圖6可以看出，隨著底吹流量增大鋼液面速度隨之增大，從60 NL/min增至180 NL/min鋼液截面平均速度不斷增大，弱攪拌區(qū)面積也在縮小，可以有效減小死區(qū)比例有利于鋼液混勻。但是當吹氬量增大到150 NL/min時，弱攪拌區(qū)面積未見明顯減小，繼續(xù)增大流量使鋼液速度在渣眼位置增大，會導致攪拌效率降低和鋼液面裸露，因此吹氬量應控制在一定的范圍內。

圖6 不同底吹流量對平面平均速度影響圖

2.2 底吹流量對夾雜物去除的影響

當鋼包內初始顆粒數一定時，底吹氬促進了鋼液的攪拌混勻，夾雜物顆粒被底吹產生的氬氣泡攜帶上浮去除。鋼液內顆粒尺寸為20 μm，對底吹流量為60 NL/min、90 NL/min、120 NL/min、150 NL/min、180 NL/min，顆粒底吹時間180 s中數量變化情況進行統(tǒng)計，對不同底吹流量下的顆粒數量隨時間變化進行統(tǒng)計，得到5個底吹流量對顆粒去除率隨時間變化情況，見圖7。由圖7可以看出，伴隨著底吹流量的增大，鋼包內顆粒夾雜物的去除率也不斷提高。當底吹流量由60 NL/min增大到180 NL/min時，去除率從24.1%增加到34.9%，充分表現了底吹流量的增加能夠更有效地去除鋼液中的夾雜物顆粒。因為底吹流量的增加使得鋼液的攪拌能力增強，這也說明了攪拌鋼液能力越強對夾雜物的去除效果越好。

圖7 顆粒尺寸5μm在不同底吹流量下顆粒去除率隨時間變化圖

2.3 夾雜物顆粒尺寸對去除率的影響

圖8為在底吹流量120 NL/min情況下4種不同尺寸夾雜物顆粒數量隨時間變化圖，可以看出，各尺寸夾雜物的數量隨著底吹時間的變化而減少，小尺寸夾雜物顆粒數量較大尺寸顆粒數量下降明顯，說明在相同底吹流量形成的流場中，攪拌鋼液更有利于帶動小尺寸夾雜物向鋼液表面移動，使得小尺寸夾雜物更容易被去除。

圖8 不同尺寸顆粒數量隨時間變化圖

3結論

(1)鋼液攪拌能力隨著底吹流量的增大而增強，底吹流量增大使弱攪拌區(qū)面積一直減小，鋼液平均速度增大，促進鋼液攪拌混勻，在150 NL/min后弱攪拌區(qū)面積無明顯增大并使渣眼處速度增大，繼續(xù)增大可能導致卷渣現象。

(2)鋼包底吹氬能夠有效地去除鋼液中夾雜物顆粒，在鋼包底吹過程中顆粒去除率隨著時間變化不斷增大，增大底吹流量對夾雜物去除有明顯的促進作用，去除率隨底吹流量的增大而增大。

(3)4種不同尺寸夾雜物顆粒數量變化的結果表明，在鋼包底吹過程中不同尺寸夾雜物數量隨時間變化不同，小尺寸夾雜物更容易受底吹攪拌鋼液的影響，故其去除效果最好。