攪拌器磨損對(duì)攪拌噴吹法脫硫流場(chǎng)影響的數(shù)值分析

蔣麒麟，但斌斌，牛清勇，龔昌運(yùn)，歐陽(yáng)德剛，都李平

（1.武漢科技大學(xué) 冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；3.武漢鋼鐵有限公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430080）

現(xiàn)代工業(yè)使用的特種設(shè)備鋼，由于使用環(huán)境惡劣，要求更加嚴(yán)格，鋼中的硫含量需小于0.005%。鐵水脫硫過程是指鐵水在轉(zhuǎn)爐冶煉前進(jìn)行的鐵水預(yù)處理工藝，它在優(yōu)化鋼鐵冶金工藝、提高鋼鐵質(zhì)量、開發(fā)優(yōu)質(zhì)鋼種和提高鋼鐵冶金綜合效益方面發(fā)揮著重要作用。其中KR法脫硫因其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)條件和高脫硫率，在改善鋼性能、擴(kuò)大轉(zhuǎn)爐冶煉鋼規(guī)模、確保連鑄和方坯質(zhì)量和降低預(yù)處理成本等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，鐵水脫硫攪拌器更是其重要的執(zhí)行組成部分。

劉鵬[1]改進(jìn)了一種噴吹型攪拌器，對(duì)KR機(jī)械攪拌法脫硫攪拌器內(nèi)流體流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。李文明[2]應(yīng)用數(shù)值方法研究KR機(jī)械攪拌和噴吹攪拌動(dòng)力學(xué)，分析鐵水罐內(nèi)KR機(jī)械攪拌法流場(chǎng)和自由液面下凹深度的變化規(guī)律及噴吹攪拌過程中氣泡對(duì)流場(chǎng)的攪拌影響。畢學(xué)工等[3]通過建立不同工況下的攪拌模型，運(yùn)用數(shù)值仿真得到影響攪拌效果的最佳工況條件。肖林偉等[4]通過模擬攪拌器中后期狀況，根據(jù)脫硫劑的運(yùn)動(dòng)及分布情況分析出攪拌器中后期需要的轉(zhuǎn)速。但上述研究均以無(wú)磨損攪拌器為研究對(duì)象，沒有考慮攪拌器的磨損對(duì)攪拌效果的影響。而實(shí)際生產(chǎn)過程中，即使按一定規(guī)程對(duì)攪拌器進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)，攪拌器磨損也是顯著存在和不斷發(fā)展的。因此有必要開展攪拌器發(fā)生不同程度磨損后的攪拌流場(chǎng)研究[5]。

本研究以四葉攪拌噴吹復(fù)合脫硫攪拌器為研究對(duì)象，采用Eulerian多流體模型、多重參考系法（MRF）及標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)罐內(nèi)的攪拌流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了攪拌器的不同磨損程度對(duì)KR法脫硫的流場(chǎng)特性影響，以期為鐵水預(yù)處理脫硫設(shè)備和工藝的改進(jìn)提供參考[6-9]。

1 流場(chǎng)的控制方程

由于實(shí)際生產(chǎn)過程中罐內(nèi)鐵水的流動(dòng)十分復(fù)雜，為了方便研究對(duì)模型做以下簡(jiǎn)化和假設(shè)：（1）罐內(nèi)鐵水黏度為常數(shù)；（2）忽略溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)對(duì)鐵水物理參數(shù)的影響；（3）考慮沿Z軸向下的重力加速度，大小為9.8 m/s2。

鐵水在罐內(nèi)的流動(dòng)是不可壓縮的，選擇Eulerian模型來(lái)模擬罐內(nèi)的流場(chǎng)。在非定常條件下，鐵水罐內(nèi)的基本方程包括質(zhì)量控制方程、動(dòng)量控制方程和湍動(dòng)能耗散率方程。

（1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）

式中：第2、3、4項(xiàng)是質(zhì)量流密度的散度，代表單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的流體質(zhì)量；ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為流場(chǎng)速度，m/s；ux、uy、uz分別為速度矢量u在x、y、z方向的分量，m/s。

（2）動(dòng)量守恒方程

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；τij為應(yīng)力張量；Fi為其他模型相關(guān)源項(xiàng)，如自定義源項(xiàng)。

（3）Eulerian模型動(dòng)量方程

（4）湍流模型k-ε方程

式中：Gk為湍流產(chǎn)生率；Gb為湍流黏度，Pa·s；Ym為即在可壓縮流中過度的擴(kuò)散所產(chǎn)生的波動(dòng)；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，目前普遍采用Launder和Spalding的推薦值，即C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.3，σε=1.0。

2 流場(chǎng)的仿真分析

2.1 模型與網(wǎng)格

為了衡量四葉噴吹攪拌器的磨損程度，假設(shè)攪拌器外側(cè)的前后軸向邊緣磨損后圓弧表面的半徑R1相同，磨損程度的特征在于攪拌器耐火外襯結(jié)構(gòu)邊緣的倒角半徑R。參考實(shí)際使用中已失效攪拌器的外形，磨損量R的分析范圍確定為0～10 mm，其中R=0 mm為新制的未磨損攪拌器。

四葉噴吹攪拌器和鐵水罐的二維模型圖及其詳細(xì)幾何尺寸如圖1所示。無(wú)磨損四葉噴吹攪拌器和磨損四葉噴吹攪拌器（以R=10 mm為例）三維幾何模型如圖2所示。

圖1 攪拌器及鐵水罐模型圖

圖2 四葉噴吹攪拌器三維模型圖

其中，動(dòng)態(tài)區(qū)域有斜邊和倒角，幾何形狀不規(guī)則，使用結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，并采用Tet/Hybrid網(wǎng)格類型；靜態(tài)區(qū)域和空氣區(qū)域模型的幾何形狀規(guī)則，使用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格，并采用Hex/Wedge網(wǎng)格類型。劃分網(wǎng)格的總數(shù)為152 323，劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 攪拌器流場(chǎng)網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件及計(jì)算

求解模式為有限體積法，流體流動(dòng)為定常流動(dòng)，采用Eulerian模型對(duì)流場(chǎng)氣液兩相流進(jìn)行模擬，使用多重參考系法處理動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域的能量傳輸現(xiàn)象，兩相交面設(shè)定為交界面（interface），容器固體壁面為無(wú)滑移邊界條件（no slip）。攪拌器葉片為運(yùn)動(dòng)壁面，動(dòng)網(wǎng)格與攪拌器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為150 r/min，噴嘴通氣流量為4.4 m3/h；罐壁及下底面設(shè)置為壁面（wall）；噴嘴表面設(shè)置為速度入口（velocity-inlet），自由液面初始為靜止?fàn)顟B(tài)，液面初始高度設(shè)定為380 mm，攪拌器潛入液面深度為300 mm。速度壓力耦合問題方程采用Simple算法對(duì)壓力-速度耦合進(jìn)行求解，離散格式采用一階迎風(fēng)，所有項(xiàng)的殘差收斂范圍均為10-5。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.005 s，時(shí)間步設(shè)定為2 000步，共分析時(shí)長(zhǎng)10 s[10-15]。攪拌器邊界條件設(shè)置如圖4所示。

圖4 攪拌器邊界條件設(shè)置圖

3 結(jié)果與分析

3.1 葉片磨損對(duì)攪拌效果的影響

取攪拌器旋轉(zhuǎn)速度為150 r/min，噴嘴通氣流量為4.4 m3/h，插入深度為300 mm進(jìn)行數(shù)值模擬，無(wú)磨損與磨損程度為10 mm時(shí)的四葉噴吹攪拌器中鐵水罐氣液兩相分布如圖5所示，液體流動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

圖5 攪拌流場(chǎng)氣液兩相分布示意圖

圖6 攪拌流場(chǎng)流線分布示意圖

可以看出，未磨損與磨損的（R=10 mm）四葉噴吹攪拌器液面狀況相比存在明顯差異。未磨損的攪拌器所形成的中心漩渦大，攪拌漩渦的深度也大，而磨損后的攪拌器形成的中心漩渦小，攪拌深度也明顯減小。同時(shí)，結(jié)合圖6可知，在攪拌軸上部，鐵水在攪拌軸的帶動(dòng)下產(chǎn)生離心力，形成了渦漩狀區(qū)域，該區(qū)域常被稱為柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)。無(wú)磨損四葉噴吹攪拌器在回轉(zhuǎn)軸附近速度大，柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)區(qū)域小，而磨損后的四葉噴吹攪拌器回轉(zhuǎn)速度小，柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)域大[16-19]。

3.2 不同磨損程度下攪拌流場(chǎng)速度場(chǎng)的分布

以不同的攪拌器磨損程度為輸入量，分析了不同磨損程度對(duì)攪拌流場(chǎng)的影響。分別取磨損程度R=0 mm、R=3 mm、R=5 mm、R=7 mm及R=10 mm，在攪拌器的轉(zhuǎn)速為150 r/min，噴嘴通氣流量為4.4 m3/h的條件下，不同磨損程度的攪拌流場(chǎng)速度場(chǎng)分布情況如圖7所示。

圖7 垂直截面攪拌流場(chǎng)速度場(chǎng)分布圖

可以看出，四葉噴吹攪拌流場(chǎng)中，由于攪拌器在攪拌開始時(shí)沒有磨損，攪拌器結(jié)構(gòu)比較完整，鐵水罐內(nèi)攪拌流場(chǎng)呈“蝴蝶狀”對(duì)稱循環(huán)分布，而噴嘴噴出地氣體在旋轉(zhuǎn)條件下做螺旋上升運(yùn)動(dòng)，均勻地分散在攪拌軸附近，從而增強(qiáng)了流場(chǎng)的流動(dòng)，使得攪拌器底部流速達(dá)到0.5～0.9 m/s。此外，葉片的攪拌在脫硫氣體的幫助下產(chǎn)生了更大的流速，達(dá)到1.3 m/s，促進(jìn)脫硫劑與鐵水更好地混合反應(yīng)。隨著攪拌器的使用，攪拌器葉片磨損程度增加，從模擬結(jié)果可以看出，磨損攪拌器流場(chǎng)中，攪拌器底部流速逐漸變小，低速區(qū)域逐漸擴(kuò)大。當(dāng)磨損程度R=10 mm時(shí)，攪拌軸底部附近流速僅為0.1～0.3 m/s，攪拌葉片處的最大流速為0.4 m/s，鐵水整體流速較低。

3.3 不同磨損程度下攪拌流場(chǎng)湍動(dòng)能的分布

經(jīng)過分析不同磨損程度下攪拌流場(chǎng)的速度場(chǎng)分布，可知當(dāng)磨損程度R=10 mm時(shí)，攪拌流場(chǎng)中低流速區(qū)域范圍變大，鐵水罐內(nèi)鐵水整體流速降低，使得脫硫劑與鐵水不能更好地混勻反應(yīng)。在攪拌器轉(zhuǎn)速為150 r/min，噴嘴通氣流量為4.4 m3/h的條件下，不同磨損程度下攪拌流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布如圖8所示[20-21]。

在攪拌過程中，攪拌器底部會(huì)呈渦漩狀，漩渦中心處會(huì)出現(xiàn)低流速真空區(qū)域，此區(qū)域常被稱為“死區(qū)”或者強(qiáng)制渦流區(qū)。從圖8中可以看出，四葉噴吹攪拌流場(chǎng)中，攪拌器底部“死區(qū)”內(nèi)湍動(dòng)能在0.024～0.048 m2/s2之間波動(dòng)。攪拌軸周圍柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)和鐵水罐壁面處湍動(dòng)能值較小，湍動(dòng)能在0.008～0.01 m2/s2之間波動(dòng)。靠近攪拌器葉片和噴嘴區(qū)域的湍動(dòng)能值較高，最大湍動(dòng)能約為0.048 m2/s2。隨著攪拌器不斷磨損，攪拌器底部“死區(qū)”區(qū)域湍動(dòng)能逐漸減小，攪拌軸附近湍動(dòng)能也逐漸減小。當(dāng)磨損程度為10 mm時(shí)，“死區(qū)”湍動(dòng)能僅在0.008～0.02 m2/s2之間波動(dòng)，攪拌軸附近湍動(dòng)能僅在0.008～0.031 m2/s2之間波動(dòng)。隨著攪拌器磨損程度的增大，整個(gè)鐵水罐內(nèi)的湍動(dòng)能值普遍減小。

圖8 垂直截面攪拌流場(chǎng)湍動(dòng)能分布圖

3.4 不同磨損程度下攪拌流場(chǎng)平均湍動(dòng)能與平均速度分布

四葉噴吹攪拌器攪拌流場(chǎng)中，未磨損攪拌頭結(jié)構(gòu)完整，對(duì)鐵水?dāng)嚢枳饔脧?qiáng)，漩渦深度大，鐵水罐內(nèi)的平均湍動(dòng)能與平均速度均達(dá)到最大，最大平均湍動(dòng)能約為0.033 1 m2/s2，最大平均速度約為0.508 8 m/s。隨著攪拌器的磨損越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)鐵水的攪拌作用逐漸下降，攪拌漩渦深度逐漸減小，鐵水罐內(nèi)的平均湍動(dòng)能與平均速度也逐漸減?。划?dāng)攪拌器磨損程度達(dá)到10 mm時(shí)，鐵水罐內(nèi)的平均湍動(dòng)能與平均速度最小，最小平均湍動(dòng)能約為0.012 1 m2/s2，最小平均速度約為0.394 5 m/s。不同磨損程度四葉噴吹攪拌流場(chǎng)的平均湍動(dòng)能和平均速度如圖9所示。

圖9 不同磨損程度四葉噴吹攪拌流場(chǎng)的平均湍動(dòng)能和平均速度圖

4 結(jié)論

（1）攪拌器的磨損對(duì)流場(chǎng)攪拌特性有很大的影響，但隨著磨損程度的增加，影響會(huì)逐漸減小，當(dāng)磨損程度R≤3 mm，攪拌器磨損對(duì)攪拌流場(chǎng)影響較大；當(dāng)磨損程度R>3 mm，攪拌器磨損對(duì)攪拌流場(chǎng)影響較小。

（2）當(dāng)磨損程度小于3 mm時(shí)，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)攪拌器的耐火外襯材料，以減少磨損對(duì)攪拌特性的影響，維持?jǐn)嚢杵髟跀嚢柽^程中結(jié)構(gòu)的完整性。當(dāng)磨損程度在3～7 mm時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高攪拌速度，使鐵水罐內(nèi)的整體流速得以提高，脫硫劑能夠以較高的速度和鐵水均勻反應(yīng)；當(dāng)磨損程度在R=7～10 mm時(shí)，攪拌器應(yīng)及時(shí)更換。

（3）隨著攪拌器磨損程度的增加，鐵水罐內(nèi)的鐵水流速逐漸減小。與無(wú)磨損（磨損程度R=0 mm）攪拌器相比，磨損程度R=10 mm時(shí)，鐵水平均速度降低22.4%，平均湍動(dòng)能降低63.4%。