底吹氬對110 t雙透氣磚鋼包流場影響的數(shù)值模擬

劉西峰，李大亮，韓建林，戰(zhàn)東平，鄒 濤，張慧書

(1.山西建龍實(shí)業(yè)有限公司，山西 運(yùn)城 043801; 2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.遼寧科技學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

潔凈鋼生產(chǎn)是鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1-4]，隨著用戶對鋼質(zhì)量要求的越來越高，前人對各種提高鋼的潔凈度的措施開展了廣泛研究[5-7]。其中，鋼包底吹氬是均勻鋼水成分、溫度、促進(jìn)渣鋼反應(yīng)以及加速鋼中夾雜物去除的最有效的手段之一，前人采用水模、數(shù)值模擬等方法對鋼包底吹氬過程流場、溫度場、卷渣及合金化等進(jìn)行了研究[8-12]。本文以某鋼廠110 t LF 精煉爐用鋼包為原型，在前期物理模擬的基礎(chǔ)上[13]，利用 Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究雙透氣磚布置形式對鋼包流場的影響，為企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 鋼包底吹氬數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型

1.1 數(shù)值模擬的基本假設(shè)

氣泡上浮過程中，對鋼水所做的功是鋼包內(nèi)流體循環(huán)流動(dòng)的唯一動(dòng)力，氣液兩相區(qū)的形狀是錐形區(qū)域；氣液兩相區(qū)按變密度單相來處理，吹氣過程中，兩相區(qū)的含氣率由實(shí)驗(yàn)關(guān)系式確定；忽略溫度和表面渣層的影響。

1.2 控制方程

描述鋼液在鋼包底吹氣的方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程，能量方程以及確定紊流黏性系數(shù)的k-ε雙方程模型[14]。

1)連續(xù)性方程

(1)

2)動(dòng)量方程

(2)

3)湍流模型方程(標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

4)能量守恒方程

(5)

式中：Γeff為有效熱擴(kuò)散系數(shù)；ui,uj為湍流流動(dòng)的時(shí)均速度，m/s；ρ為流體(鋼液)的密度，kg/m3；k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率，m2/s3；P為壓力，N/m2；μeff為有效黏性系數(shù)，kg·s·m-2；μt為湍流黏性系數(shù)，kg·s·m-2；gi為i方向上的體積力，m/s2；σt為層流Prandtl數(shù)；σt,T為湍流Prandtl數(shù)；μl為層流黏度系數(shù)；μt為湍流黏度系數(shù)；μ為 流體(鋼液)的動(dòng)力黏度，kg/m·s。C1=1.44，C2=192，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.3 計(jì)算步驟

在Fluent的前處理軟件Gambit中建立鋼包模型，并劃分網(wǎng)格，鋼包及計(jì)算用網(wǎng)格如圖1所示。將得到的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中，進(jìn)行流場、均混時(shí)間以及溫度場的計(jì)算。計(jì)算步驟為：選擇非耦合求解，求解方程選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程，鋼液表面設(shè)置為滑移邊界，材料物性參數(shù)密度的變化通過UDF實(shí)現(xiàn)，采用SIMPLE算法，然后迭代計(jì)算流場，當(dāng)流場計(jì)算收斂后，運(yùn)用能量守恒方程計(jì)算溫度場，最后加入傳質(zhì)方程計(jì)算均混時(shí)間。

圖1 鋼包及網(wǎng)格劃分

1.4 模擬方案

數(shù)值模擬根據(jù)鋼廠雙透氣磚的生產(chǎn)使用情況，分別計(jì)算了鋼包原布置方案A(0.5r-0.5r)以及2種新布置方案B(0.4r-0.5r)和方案C(0.4r-0.4r)的條件，同時(shí)分別模擬這3種布置方案在100 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，軟吹)、200 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，中吹)、450 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，硬吹)條件下流場的變化情況。

2 鋼包流場數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

2.1 100 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，軟吹)條件下的鋼包流場特征

圖2～圖4分別為三種方案在100 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，軟吹)氣量下的流場分布圖。從圖2和圖4中可以看出，當(dāng)透氣磚對稱分布時(shí)底吹氣形成的氣柱也成對稱分布，兩股氣體對各自存在的半個(gè)熔池都可以起到攪拌作用；如圖3所示的即為底吹透氣磚不對稱布置時(shí)的流場分布。從圖3中可以看出，由于透氣磚的不對稱分布，使得靠近鋼包底部中心的一邊氣流受到遠(yuǎn)離中心氣流的影響，向遠(yuǎn)離中心的一股氣流處發(fā)生偏移，從自由液面的速度分布圖也可以看出，兩股氣流的攪拌并不均勻，這種情況是底吹透氣磚布置所不希望看到的情況，因此不建議采用諸如方案B的底吹透氣磚不對稱布置方式。

圖2 100 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下方案A透氣磚布置時(shí)的流場圖

圖3 100 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下方案B透氣磚布置時(shí)的流場圖

圖4 100 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下方案C透氣磚布置時(shí)的流場圖

另外，分別觀察圖2和圖4自由液面的速度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，對于方案A來說由于透氣磚布置的位置相對于方案C來說更靠近鋼包壁面，因此氣柱向上運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)對鋼包內(nèi)壁產(chǎn)生沖刷，導(dǎo)致氣柱所攜帶的動(dòng)能有所損失，從而直接導(dǎo)致從自由液面看上去明顯發(fā)現(xiàn)原方案A氣柱所影響的范圍相對于方案C小很多，因此原方案A的攪拌效果也會(huì)較方案C下降很多；再從圖2與圖4的雙透氣磚所在縱截面上可以看出，由于方案C相對于原方案受到包壁影響較小，因此可以發(fā)現(xiàn)方案C的氣流中心的速度要大于原方案的氣流速度，這也加快了夾雜物的上浮，提高了攪拌效率。

2.2 200 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，中吹)條件下的鋼包流場特征

圖5～圖7分別為三種方案在200 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，中吹)氣量下的流場圖。從圖5和圖7可以看出，底吹透氣磚處于對稱布置的流場來說，自由液面處兩股氣流分別對各自存在的半個(gè)熔池的影響是相同的；而對于如圖6所示的方案B這種不對稱分布的流場來說，靠近鋼包底部中心的氣流會(huì)偏向遠(yuǎn)離中心一側(cè)的氣流，這樣就會(huì)使得氣流對于熔池的攪拌不均勻。

圖5 200 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下原方案A透氣磚布置時(shí)的流場圖

選擇底吹透氣磚對稱分布時(shí)，如圖5和圖7所示原方案A和方案C的流場分布圖，首先觀察兩種方案的自由液面，可以發(fā)現(xiàn)，同樣原方案A由于對鋼包內(nèi)壁的沖刷作用，使得氣柱的動(dòng)能有所損失，從而導(dǎo)致原方案的氣柱所影響的熔池范圍會(huì)小于方案C氣柱所影響的熔池范圍，尤其是過雙透氣磚圓心連線的角平分線所在縱截面，越靠近包壁處，原方案所產(chǎn)生的影響就越小，然而方案C所產(chǎn)的影響卻要大于原方案A所產(chǎn)生的影響；同樣在雙透氣磚所在縱截面也可以看出，方案C氣柱中心的速度要大于原方案氣柱中心的速度。

圖6 200 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下方案B透氣磚布置時(shí)的流場圖

圖7 200 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下方案C透氣磚布置時(shí)的流場圖

2.3 4 500 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)吹)條件下的鋼包流場特征

圖8～圖10分別為三種方案在450 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)吹)氣量下的流場圖。當(dāng)流量處于硬吹區(qū)時(shí)，由于氣體的動(dòng)能較大、流速較快，如圖9所示的方案B底吹透氣磚不對稱分布時(shí)，兩股氣柱之間的相互影響也減弱得很多，但是依然由于氣柱上升過程中需要克服兩股氣流之間的相互作用力，導(dǎo)致氣流的動(dòng)能有所損失；而對于圖8和圖10所示的原方案和方案C來說，由于底吹透氣磚是對稱分布的，因此兩股氣流之間的相互作用力相互平衡，因此氣柱在上升過程中無需過多的克服氣流之間的相互作用力，因此如圖8和圖10所示的原方案和方案C在雙透氣磚所在縱截面上的氣流中心速度都要較方案B氣流中心速度大且均勻。

圖8 450 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下原方案A透氣磚布置時(shí)的流場圖

圖9 450 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下方案B透氣磚布置時(shí)的流場圖

圖10 450 L/min(標(biāo)準(zhǔn))氣量下方案C透氣磚布置時(shí)的流場圖

綜上所述，在對所設(shè)定的原方案A(0.5r-0.5r)、方案B(0.4r-0.5r)和方案C(0.4r-0.4r)的流場比較中，方案C(0.4r-0.4r)的流場更為合理，更有利于夾雜物的快速上浮以及鋼包內(nèi)成分的均勻化。

2.4 最佳鋼包底吹位置的確定

通過所得出的數(shù)模結(jié)果可以很好反映實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況的結(jié)論，下面對于數(shù)模結(jié)果分析探究最佳鋼包底吹位置。圖11為數(shù)模條件下不同位置均混時(shí)間的比較結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)方案B透氣磚布置在0.4r-0.5r這種不對稱位置分布時(shí)，在不同的氣體流量區(qū)，均混時(shí)間變化較大，隨著氣體流量的增大均混時(shí)間呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律；而對于方案C(0.4r-0.4r)和方案A(0.5r-0.5r)對稱分布時(shí)，均混時(shí)間是隨著氣體流量的增加而減少的。因此，同樣在對底吹氣透氣磚布置時(shí)不建議采用非對稱布置。

圖11 數(shù)模不同位置均混時(shí)間比較

再對方案C(0.4r-0.4r)和方案A(0.5r-0.5r)的布置進(jìn)行比較可以看出，盡管在軟吹區(qū)方案C(0.4r-0.4r)布置所得到的均混時(shí)間要大于方案A(0.5r-0.5r)布置得均混時(shí)間，但是在軟吹區(qū)的末端以及進(jìn)入中吹區(qū)開始時(shí)，均混時(shí)間開始大幅度降低，從此開始隨著氣體流量的增加方案A(0.5r-0.5r)和方案C(0.4r-0.4r)布置所得到的均混時(shí)間均發(fā)生均勻下降，但是對于方案C(0.4r-0.4r)的布置所得到的均混時(shí)間始終小于方案A(0.5r-0.5r)布置所得到的均混時(shí)間。

3 結(jié) 論

(1)雙透氣磚非對稱布置的方案B(0.4r-0.5r)，靠近鋼包底部中心的一邊氣流受到遠(yuǎn)離中心氣流的影響，向遠(yuǎn)離中心的一股氣流處發(fā)生偏移，兩股氣流的攪拌不均勻，因此不建議采用方案B的非對稱布置方式。

(2)雙透氣磚對稱布置時(shí)，隨著吹氣量從軟吹模式增加到強(qiáng)吹模式，均混時(shí)間縮短，且方案C(0.4r-0.4r)的布置所得到的均混時(shí)間始終小于方案A(0.5r-0.5r)的均混時(shí)間。

因此，在對200 L/min(標(biāo)準(zhǔn)，中吹)氣量下的流場圖的比較中，方案C(0.4r-0.4r)的流場效果更佳。

(3)方案C(0.4r-0.4r)的流場更為合理，更有利于夾雜物的快速上浮以及鋼包內(nèi)成分的均勻化。