（钢铁冶金专业论文）包钢精炼炉lf钢液流动影响的数值物理模拟研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着炼钢技术的不断发展，对连铸钢的清洁度和铸坯质量的要求也越来越高。 对l f 精炼炉内钢液的流场进行研究和分析，以保证钢液流动状态的合理性具有相 当重要的理论依据和实际意义。 本文针对包钢新建1 5 0 tl f 精炼炉，利用数学模型和水模型模拟，系统研究了 l f 吹氩过程中不同喷吹位置以及不同吹氩量对钢液流动行为的影响，为新建钢包确 定最佳的喷吹位置以及适宜的吹氩量范围提供了理论依据；计算了不同条件下钢包 内部钢液温度的分布情况，为连铸工序提供具有理想温度的钢水奠定了技术基础。 本文采用自编程序利用连续性方程，n a v i e r - s t o k e s 方程和湍流模型，建立了描 述吹氩搅拌l f 炉内钢液三维流动的数学模型，利用s i m p l e 计算方法得出了描述 钢包内部钢液流动的流场程序。利用流场程序，分别模拟了双孔喷吹时不同位置以 及不同吹氩量下，钢包中速度场的分布。利用已经得到的速度场，求解三维非稳态 能量方程，模拟出钢液内部温度场的分布并得到了钢包单独吹氩和电极加热过程中 钢液温度变化曲线。 水模型实验以相似原理为基础，利用修正的弗鲁德准数相等，建立1 ：4 缩小比 例模型进行实验研究。本实验所使用的钢包由有机玻璃制成，底吹气体采用空压机 供给空气来模拟氩气，由流量计调节底吹气体流量。研究喷吹位置和吹氩量对混匀 时间的影响，确定合适的喷吹位置和吹氩量，验证数学模拟结果的可靠性。 在数学模拟的基础上，结合水模型实验得到的结论，提出对包钢新建15 0 tl f 精炼炉喷口位置以及吹氩量的优化设计。 关键词：l f 炉；数值物理模拟；流场；水力学模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi r o na n ds t e e lt e c h n o l o g y ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ec l e a n n e s so fc a s t i n ga n dt h eq u a l i t yo fb i l l e t t h e r e f o r e ，i th a s t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d ya n da n a l y z et h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r e f i e l do fm o l t e ns t e e li nl ff u r n a c ei no r d e rt oe n s u r et h er a t i o n a l i t yo fm o l t e ns t e e l f l o w i n g t h ep a p e rh a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h ee f f e c t so ff l u i db e h a v i o r si na r g o nb l o w i n g p r o c e s s i nd i f f e r e n tf l o w i n gp o s i t i o na n dq u a n t i t yb ym e a n so fw a t e rm o d e la n d m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n , a c c o r d i n gt ot h e15 0 tn e wl a d l ef u m a c eo fb a o t o uk o na n d s t e e lc o r p o r a t i o n ，a n dp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e t e r m i n i n gt h es u i t a b l ep o s i t i o na n d q u a n t i t yf o rb l o w i n ga r g o n i ts i m u l a t e st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm o l t e ns t e e li n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s s oi tp r o v i d e st h em o l t e ns t e e lw i m p e r f e c tt e m p e r a t u r ei nc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo f c i r c u l a t i o nf l o wi nl fh a s b e e ne s t a b l i s h e db ya p p l y i n gc o n t i n u i t ye q u a t i o n ，n - se q u a t i o n 、k - e q u a t i o n st u r b u l e n c e m o d e l t h ef l o wf i e l di nt h el fh a sb e e nm o d i f i e dt h r o u g hs i m p l em e t h o d t h r o u g ht h e f l o wf i e l dm o d e l ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni n s t e e ld u r i n ga r g o nb l o w i n gw i t hd i f f e r e n t p o s i t i o na n dq u a n t i t yh a sb e e nm o d i f i e d w i t ht h e c a l c u l a t i o no fv e l o c i t yf i e l d ，t h e d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dh a sb e e nm o d i f i e dt h r o u g hs o l v i n gt h ee n e r g ye q u a t i o n ， a n di tp r o v i d e st h et h e o r e t i c a ls t u d i e sa b o u tt e m p e r a t u r ec h a n g i n gd u r i n ga r g o nb l o w i n g a n de l e c t r o d eh e a t i n gw e r ec a r d e do u t o nt h eb a s i so fs i m i l i t u d ec r i t e r i a , t h e0 2 5 一s c a l ew a t e rm o d e le x p e r i m e n th a sb e e n c a r r i e do u tb ye q u a lf r o u d en u m b e r t h el a d l ei sm a d eo fp l e x i g l a s s e si nt h ee x p e r i m e n t t h ea r g o ni sr e p l a c e db yt h ea i ra n dc o n t r o l l e db yt h ef l o w m e t e r t h ep a p e rh a ss t u d i e dt h e i n f l u e n c e so ft h ep o s i t i o na n dq u a n t i t yo fg a ss u p p l yo nf l u i dm i x e dt i m e a n di tt e l l st h e s u i t a b l ep o s i t i o na n dq u a n t i t yf o ra r g o nb l o w i n ga n dv a l i d a t e dt h ef i n a lo p t i m u mo u t c o m e s c a l c u l a t e db yc o m p u t e r o nt h eb a s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e la n dr e s u l to fw a t e rm o d e le x p e r i m e n t ，t h e o p t i m a ld e s i g no ff l o w i n gp o s i t i o na n dq u a n t i t yh a s b e e np r o v i d e df o rt h e15 0 tn e wl a d l e f u r n a c eo fb a o t o ui r o na n ds t e e lc o r p o r a t i o n k e yw o r d s ：l a d l ef i a m a c e ；m a t h - p h y ss i m u l a t i o n ；f l o wf i e l d ；w a t e rm o d e l - 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 繇妮嗍丝丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签l 牵 j 吖 日期： 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 ， 钢铁工业是国民经济的支柱产业，随着科学技术的不断发展，世界范围内钢的精 炼比日益提高，人们对炼钢生产率、钢的成本、钢的纯净度以及使用性能等方面， 都提出了越来越高的要求。在初炼炉和连铸之间起到承前启后重要作用的l f 炉也 受到越来越多的冶金工作者的重视。 l f 作为炉外精炼的一种手段，它具有脱气、均温、微调成分及合金化等多种功 能。通过底部吹入惰性气体带动钢液流动，钢液的流动状态和速度分布对钢液成分 和温度的均匀性、夹杂物上浮与排除有着重要的影响。因此，掌握钢液的流动规律 就成为改善产品质量、提高冶炼效率的重要环节。 国内外许多研究者利用数值物理模拟的方法研究了l f 炉底部透气砖的安放位 置、吹入惰性气体量的范围对钢包内流场分布状况的影响，针对不同炉况确定最佳 喷吹位置以及喷吹范围，从而达到优化l f 炉生产工艺、充分发挥其多功能精炼的 作用。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1l f 炉概述 1 1 1l f 技术的历史与现状 l f ( 1 a d l ef u r n a c e ) 炉是7 0 年代初期在同本发展起来的钢包精炼型炉外精炼设备。 1 9 7 1 年，日本大同特殊钢公司大森厂在总结和消化a s e a s k f 、v a d 和v o d 等 精炼法的基础上，开发了l f 钢包炉精炼法。当时的炉容量仅2 0 t ，其目的是将电弧 炉熔炼的还原期转移到炉外的l f 炉中进行，以缩短电弧炉冶炼周期，提高电弧炉 生产率，充分发挥电弧炉熔化炉料的优判1 1 。l f 炉既有上述三种精炼设备的技术功 能，又可避免其中的技术难点。l f 炉采用吹氩搅拌，埋弧加热，白渣精炼( 或造高 碱度还原渣精炼) ，同时对气氛、温度和成分可进行良好精确的控制，并可与真空 系统组合形成真空精炼炉型。 l f 技术是一项非常重要的炉外精炼技术，该技术出现后，因其具有的诸多优越 性而得到了迅速的应用和推广，其技术和工艺r 趋完善和成熟。l f 炉首先在日本得 到了广泛的应用和发展，从1 9 7 1 年日本的第一台l f 炉开始，目前全世界己有2 0 0 多座l f 炉投入工业生产，产量逐年迅速增长1 2 1 。 我国l f 技术起步较晚，其研制工作开始于2 0 世纪7 0 年代后期。目前各种炉 外精炼设备超过1 5 0 座1 3 1 。近年来，通过消化、移植国外先进技术，国内l f 设计和 制造能力不断提高。新建的中小型l f 已经基本实现国产化，大型l f 的引进比例也 大幅度降低，但是目前国内l f 的电消耗、电极消耗、氩氧消耗以及合金消耗等技 术经济指标偏高 4 1 ，与国外先进水平尚存一定的差距。针对这一现状，今后应加速 发展l f 的冶金模型控制，开发先进适用的软件，以适应不断发展的市场需求。 1 1 2l f 炉精炼原理 ( 1 ) l f 设备示意图 1 一电极； 炉 2 一合金料斗； 3 一透气砖； 4 一滑动水口； 图1 , 1l f 设备示意图 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) l f 基本精炼工艺 图1 2l f 基本精炼工艺 转炉初炼完毕后，扒渣，将钢液盛于钢包之中。把钢包置于加热工位，开始吹 氩搅拌和准备电弧加热，加热时间为2 5 m i n 一- - 3 0 m i n ，钢液温度可升高到1 6 2 0 0 c 。 停止加热后迅速将钢包转入真空工位，快速抽真空到1 0 0 p a 左右。在此真空度下保 持2 0 m i n 左右。由于真空和氩气搅拌的作用，不仅可以充分去气，而且可以充分进 行钢渣间的反应( 脱氧、脱硫等) ，将钢中的硫脱到0 0 0 5 以下，所以这一段时间 是精炼的核心。然后微调成分，控制成分用的材料、控制晶粒度所用的铝也都在此 时加入，最后破真空，吊出钢包进行浇注。 l f 法设备简单，投资少。生产中可视质量控制的需要，采用多种不同的工艺操 作制度；设计中按产品需求进行不同配套组合，满足最终产品质量控制的要求【5 1 。 1 1 3l f 精炼功能 l f 炉精炼特点是：采用埋弧加热，热效率较高，可减轻弧光对炉衬的热辐射； 采用高碱度渣进行还原精炼，可在炉内造成弱还原性气氛；采用底吹心搅拌钢液， 可以加速钢一渣间的反应。l f 炉的精炼功能如下： 表1 1l f 炉的精炼功能 设各精炼功能 ( 1 ) 还原气氛营造；( 2 ) 惰性气体搅拌( 一般为a r ) ；( 3 ) 埋弧加热； l f ( 4 ) 白渣或造渣精炼；( 5 ) 温度和成分控制；( 6 ) 合金微调； 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 炉内还原气氛 l f 炉本身一般不具有真空系统。在不抽真空的大气压下进行精炼时，钢包上的 法兰盘和水冷炉盖可以起到隔离空气的密封作用。再加上还原性渣以及加热时石墨 电极与渣中的f e o 、m n o 、c r 0 3 等氧化物作用，使渣中不稳定氧化物减少，提高了 炉渣的还原性，而且还可以提高合金元素的回收率。生成的c o 气体，加上底吹氩 气等惰性气体，增加了炉气的还原性，若密封较好，可造成微正压，达到有效精炼 和保护钢液不受二次氧化的目的。除此之外，石墨电极还与钢桶中的氧气作用，生 成碳氧化物，从而可使l f 炉内气氛中的氧含量减至0 5 。阻止了炉气中的氧向金 属传递，保证了精炼时炉内的还原气氛。钢液在还原条件下精炼可进一步的脱氧、 脱硫及去除非金属夹杂物，有利于钢液质量的提高【6 】。 ( 2 ) 氩气搅拌 氩气搅拌有利于钢、渣之间的界面反应，它可以加速钢渣之间的物质传递，有 利于钢液的脱氧、脱硫反应的进行。吹氩搅拌还可以去除非金属夹杂物，特别是对 舢2 0 3 类型的夹杂物上浮去除更为有利。吹氩搅拌的另一作用是可以加速钢液中的温 度与成分均匀，能精确调整复杂的化学组成，而这对优质钢又是必不可少的要求。 此外吹氩搅拌可加速钢中氧化物的还原，对回收铬、钼、钨等有价值的合金元素有 利川。 ( 3 ) 埋弧加热 l f 精炼炉是采用三根石墨电极进行加热的。加热时电极插入渣层中采用埋弧加 热法，这种方法的辐射热小，对炉衬有保护作用，同时加热的热效率也比较高，热 利用率好。 侵入渣中的石墨电极与渣中氧化物反应，其结果不仅使渣中不稳定的氧化物减 少，提高了炉渣的还原性，而且还提高合金元素的回收率。如表1 2 所示，合金元 素的回收率都较电炉单独冶炼有了较大程度的提高。石墨电极与氧化物作用的另一 结果是生成c o 气体，c o 的生成使l f 炉内气氛具有还原性，钢液在还原气氛下冶 炼，可进一步提高质量。 表1 2 不同冶炼方法的合金回收率 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 白渣精炼 理想的l f 炉是利用白渣进行精炼的，是靠降低渣中f e o 进行扩散脱氧，它不 同于主要靠真空脱气的其它精炼方法。白渣在l f 炉内具有很强的还原性，这是l f 炉内良好的还原气氛和氩气搅拌互相作用的结剽踟。一般精炼渣量为金属量的2 8 ，通过白渣的精炼作用，可以降低钢中氧、硫及夹杂物含量。l f 炉冶炼时可以 不用添加脱氧合金，而是靠白渣对氧化物的吸附而达到脱氧的目的。但由于初炼炉 挡渣的原因，实际l f 炉较少达到白渣的要求。 ( 5 ) 合金微调与成分 l f 炉对钢液成分的控制，可达到高精度水平。并且l f 炉能在窄小的范围内准 确控制钢液成分。 1 1 4l f 精炼效果 经过l f 处理后的钢可达到很高的质量水平【9 】： ( 1 ) 脱硫率5 0 - - - - 7 0 ，可生产出硫含量郢0 1 的钢。如果处理时间充分，甚 至可达到硫含量郢0 0 5 的水平。 ( 2 ) 生产高纯度钢，钢中夹杂物总量可降低5 0 ，大颗粒夹杂物几乎全部能去 除。 ( 3 ) 钢水升温速度可达到4 m i n - - 一5 。c m i n 。 ( 4 ) 温度控制精度士3 - - 5 。 ( 5 ) 水成分控制精度高。 1 2l f 炉研究理论及方法 在各种炉外精炼设备中，具有多种功能、精炼效果明显、投资较少的l f 炉应 用最广，因此受到各国冶金企业的重视。近几十年来，冶金工作者通过多种方法( 如： 理论分析、水模实验、现场测定、数学模型等) 对l f 炉进行了研究，取得了大量 研究成果【1 0 1 。 1 2 1l f 炉精炼理论基础 ( 1 ) 脱氧反应 在炼钢温度下，与被氧所饱和的钢水相平衡的氧分压是很小的，大约是1 0 8 个 大气压。在真空中的脱氧包括两部分：碳的氧化反应及合金的脱氧1 1 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 在脱碳末期，加入脱氧剂( 如铝合金等) 降低钢水中的氧，其反应产物a 1 2 0 j 进入渣中。 ( 2 ) 脱硫反应 一般使钢中硫在0 0 2 以下已较容易到达，而纯净钢对硫的要求已达到5 p p m 以 下，深度脱硫已成为广大冶金工作者关注的问趔1 2 】。脱硫是l f 炉非常重要的精炼 效果之一。目前，对脱硫反应机理普遍认为是一种电化学反应。脱硫反应是硫在钢 渣间的交换，在精炼中由于钢水含硫量较低，所以扩散传质是脱硫的限制性环节。 1 2 2l f 炉气体行为 ( 1 ) l f 炉气体行为对钢液中氢的影响： 在理想操作和工艺条件下，l f 炉精炼时一般要求密封良好，炉内是还原性气氛， 气中c o 含量很高而且微显正压状态。所以在精炼过程中，气相中的水气或氢含量 基本上不会通过炉渣向钢液传递【1 3 1 。l f 炉内的氢主要来自于各种炉料，特别是渣料 必须保持干燥以避免增氢。 l f 炉与真空脱气装置相配合可将钢中的氢含量降到标准以下。当l f 炉生产大 型件时，又不能真空浇注时，为防止产生白点，就必须降低出钢时钢水的氢含量。 其措施为：控制渣料及注意渣的烘烤和采用多段脱气法，如此可使钢中的氢进一步 降低。 ( 2 ) l f 炉气体行为对钢液中氮的影响： 在理想操作和工艺条件下，由于l f 炉精炼是在还原性气氛下进行的，炉气中 氮气含量很低，因此l f 炉具备冶炼低氮钢的条件。吹氩搅拌时，控制好流量和压 力，加渣层及炉内还原气氛的保护，可避免增氮。 ( 3 ) l f 炉气体行为对钢液中夹杂的影响： 氩气通过底吹透气砖吹入钢水形成很多小气泡，水气泡对钢水中的气体来说相 当于小真空室，气泡在上浮过程中钢水中的气体不断向气泡中扩散，最后排出钢水。 气泡在上浮过程中加速了非金属夹杂物颗粒的相互碰撞长大的几率，大颗粒夹杂物 受到钢液的浮力作用较大，因此提高了非金属夹杂物的上浮速度【1 4 j 。 1 2 3l f 炉钢液流动行为 表面水平流：在钢包液面，由两相区流出的钢水在液面形成的流向包壁的流层， 其流层厚度在一定范围内波动。 内蒙古科技大学硕士学位论文 循环流：在采用底吹氩的钢包内，当气液两相区形成的上升流到达熔池液面后， 气体溢出熔池，而到达液面的钢水将被驱动流向包壁，并在靠近包壁处向下流动， 最后又被上升流抽引，从而形成一种以两相区轴线为基础的循环澍1 5 】。 钢包下部流层流动：在钢包的底部，由包壁回流的钢液流向气液两相区，与变 面水平流相似。 1 2 4l f 炉温度场的研究 l f 精炼炉己成为炼钢流程的重要设备。它除了具有加热功能，满足后续真空处 理和浇注要求外，还可以作为初炼炉与浇注设备间的缓冲，钢包内钢液温度控制在 l f 精炼过程中占有重要地位【l6 j 。钢包传热问题的研究是研究钢包热平衡，达到对精 炼炉生产过程中温度的控制及钢包运转过程中钢液温度预报的目的。 吹氩搅拌去气、去夹杂，加脱硫剂或石灰脱硫，喂铝线脱氧，加合金进行钢水 成分微调，加热升温是精炼炉生产的特点，这些操作都会对精炼炉的热平衡产生影 响。 在吹氩过程中，室温下的氩气由透气砖吹入钢液中，在溢出之前是一个吸热升 温过程，可造成钢液的温度损失。 假定吹入钢液的氩气排除的温度与钢液温度相同，则氩气吸热理论计算公式为： q = 4 1 8 0c ，v 加( l t 。) 由此造成的钢液温降为： 丁：旦，_ c ，g ( 式1 1 ) 式中， 翻，：氩气吸收的物理热j ；g ：氩气的比热j k g c ； ：钢液温度；死：氩气初始温度； o ：钢液的比热j k g * c ； g ：钢液的重量蚝。 假定钢液温度为1 6 0 0 ，氩气初始温度为2 5 ，吹氩量为1 0 0 n l m i n ，代入 上式计算可得： 对6 0 t 钢液引起的钢液温降为0 0 0 5 m i r a 内蒙古科技大学硕士学位论文 对8 0 t 钢液引起的钢液温降为0 0 0 3 7 m i n i 对1 5 0 t 钢液引起的钢液温降为0 0 0 1 8 。c m i n ； 由此可见，氩气吸热对于钢液的温降完全可以忽略不训1 7 1 。 出钢过程中，耐火材料蓄热引起的温降占8 7 ，钢流辐射、对流占1 0 ，渣的 表面辐射占不足3 ；静置过程中，渣的表面热损失占不足5 。在浇注过程中，有 5 5 - - - 6 0 热量损失于包壁，1 5 2 0 损失于包底，2 5 3 0 损失于渣中。此 外，由于钢包的使用次数不同，包衬耐火材料的厚度也不同，从而引起包衬蓄热变 化。 s z e k e l y 与e v a n s 合作，研究了钢液在钢包静置时的表面辐射，通过计算钢液裸 露面的热损失和钢液与包壁的热传导产生的热损失相当l l i t l 。t o m a z i n 等在此研究的 基础上，加上了钢液面渣层的影响，假定渣辐射方向的温度均匀，包壁仅径向传热， 包底仅轴向传热，通过计算表明薄包壁温降大，钢包的使用次数及钢包的循环周期 是决定钢包热损失极为重要的因素。 计算钢包钢液上表面的热损失，假定钢包内钢液温度均匀，渣面及渣面以上内 衬表面、锥型罩和包盖内表面为四个等温面，分析钢包带锥形罩和带钢包盖时的传 热情况，建立他们之间的自辐射和反射的关系式。采用柱坐标，按非稳态导热方程 计算包壁和锥形罩的传热，包盖的传热用一维不稳态热传导方程计算，钢液经渣层 的传热采用j s z e k e l y 的研究成果，用计算得出的热流作为包壁、锥形罩和包盖的边 界条件，对不同锥度的包罩和无包盖时钢液温度的损失进行了计算。 钢包材质也是决定钢液热损失的重要因素。研究表明：耐材密度越大，包衬的 蓄热量越大；热传导率越高，通过钢壳损失于大气的热量越多；低比热、低密度、 低热传导率有助于减少钢液的热损失。低比热和低密度在减少热损失方面与低热传 导占有同等重要的地位。李顶= 白= 【1 9 l 根据国内现状，在对不同包衬结构热工特性计算 机仿真理论研究结果的基础上，结合现场试验，分析了钢包的散热及平均钢液温降。 由于钢包材质对钢液热损失及钢包寿命有影响，所以冶金工作者在这方面做了大量 研究。m o h a n t y 和s a t a y a n y u 开发出了钢包预热模型，指出由于钢包包衬厚度及耐火 材料不同，钢包内各面的温度也有所不n t 2 0 j 。 钢包加盖可减少钢液的热损失。在无盖时，钢液热损失大，它的值与时间和高 径比没有明显的关系，这是因为高度较小时热量直接散失于大气中，包壁几乎没有 吸收热量；而高度较大时，包壁吸收了部分热量，而不是全部损失于大气中。有盖 时，钢液热损失小，时间和高径比是决定钢水热损失的主要因素。高度小，从表面 散出的热量，用来加热包壁，使小面积的包壁温度迅速上升，达到回射的程度。高 内蒙古科技大学硕士学位论文 度大，表面散出的热量多，加热包壁的面积大，耗散的热能多。以上研究计算是基 于已知钢包内表面的热流或传热系数。 1 2 5 对流换热系数的计算 钢包壁表面及钢包底面的散热包括热辐射和对流换热两部分。从对流换热的动 力来看，它属于自然对流换热。 大空间自然对流换热的试验关联式口1 】： n u = c ( g r ，p r ) ” ( 式1 2 ) 其中，努赛尔特准则：_ h l 格拉晓夫准则研：一g f l a t p v 。 普朗特准则p r ：兰 口 办一对流换热系数w ( m 2 ) ；卜一特性尺寸m ； a 一流体导热系数w ( m 2 ) ； g 一重力加速度m s 2 ； 口一流体的容积膨胀力l k ；厶，一特性温度差； ，一运动粘度m 2 s ；仅一热扩散率1 2 s ； c 、刀为对应不同情况的系数。 通过准则关系可知，如果知道西，厅，即可知道n u ，那么对流换热系数就可 以求出。 1 3 数值模拟技术在钢包炉中的发展与应用 1 3 1 数值模拟在钢包炉中的发展 j s z e k e l y t 2 2 1 - 早在1 9 7 5 年就开始用数学模型和物理实验方法对吹气钢包内的流 动现象加以模拟，他们使用时均n a v i e r - s t o k e s 方程和k - s 双方程湍流模型计算流场， 并假定气泡是包含在给定直径的柱形筒内，边界条件是通过测定气液界面上的速度 来确定。1 9 8 0 年，萧泽强等对实际钢包和水模型中的流体的流动速度和混合现象进 行了测定，进而提出气泡浮力驱动理论和倒锥形气液两相区形状团】。d e b r o y 和 内蒙古科技大学硕士学位论文 m a j u m d a r 【2 4 l 及g r e v e t 等首先接受了浮力是驱动钢液流动的动力，为此，他们建立了 均相流动模型。 c r o s s 和m a r k a t o s 2 5 j 则是首先采用两相流体模型研究钢包内流动现象的学者，但 他们预测的结果与水模型的实测结果相差甚远。原因是不清楚气泡的直径分布、分 裂与合并行为以及气泡与钢液的相互作用等参数。两流体模型需要更多的过程知识， 而这些过程知识的获得比了解我们最后要求的流场特性还要难。此后，t u r k o g l u 和 f a r o u k 2 6 发展了两相流体模型，他们引进弥散普朗特数描述气液两相间的质量交换 行为，通过调整弥散普朗特数可以找到气相分率的计算值与实测值相符合的结果， 同时他们又将计算区域拓展到超出钢液面的一定高度上，进而预测出自由表面形状， 该模型同样含有大量的假设，而且推广到三维情况时，计算量大幅度增加。 不论是均相流体模型还是两相流体模型，目前都难以考虑钢包内钢液上部渣层 的影响，尽管曲英等【2 7 j 研究熔渣下的钢包流场，但他们是利用水模型内测量的油水 界面的速度作为流场计算的边界条件，显然，这样的处理无法应用到实际中去。 当前，生产中的许多钢包吹气搅拌，如偏心喷吹、多喷嘴喷吹等，具有明显的 三维特点，故对吹气钢包流动体系进行三维数学描述和仿真越来越受到重视。由于 圆柱体系三维流场计算将面临边界条件处理和坐标系选择带来的困难，吹气钢包内 的流场计算程序开发和计算工作呈现出多种多样的方式【2 8 j 。 1 3 2 描述流动的三种数学模型 钢包内流体流动的数学模拟从基础数学方法上来看有以下三种： 1 ) 假设流体为准单相或变密度单相的模型； 2 ) 采用l a g r a n g i a n 坐标的两相模型； 3 ) 用e u l e r 坐标的两相模型； ( 1 ) 准单相模型 准单相模型实质是将气柱区内气液两相区视为单一连续相。该连续相的密度取 气液两相区的加权平均值，如( 式l - 3 ) 所示， p = 口g p g + ( 1 - 口g ) p l 式中，q 厂两相区中的气泡分率；p 厂气体的密度k g m 3 ； p - - - 综合密度k g m 3p t 一液相密度k g m 3 。 ( 2 ) 欧拉模型 ( 式1 3 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 欧拉模型又称两相流体模型。其处理方法是将气体和液体看成是微元体内共存 的两种连续流体，用描述方程分别描述气体和液体在欧拉参考系下的行为。 ( 3 ) 拉格朗同模型 拉格朗日模型是指对气泡运动的描述是在拉格朗r 参考系下导出的，但液相运 动尚需用欧拉方法处理。拉格朗日方法是通过解时间全导数微分方程来跟踪气泡轨 迹的。 相对拉格朗日模型和欧拉两相模型，准单相模型在计算复杂性方面要简单的多， 故而被许多研究者采用。本论文的数学模型以及所涉及的其它有关工作都以准单相 模型为基本方法。 1 3 3 数值模拟在钢包中的应用 钢水吹氩具有均匀成分、均匀温度、加速传质、加强传热、改善钢水浇注性、 排除夹杂及气体、改善精炼炉内气氛的作用1 2 9 1 。因此可以看出l f 炉内的流场对精 炼质量至关重要，改善l f 炉内的流场可以极大的提高其精练效果，因而许多的冶 金研究者通过数值模拟方法研究不同条件下( 如喷嘴所处位置的不同、多喷嘴进行 喷吹) 吹氩过程中流场的分布状况，并取得了大量的研究成果。 朱苗要j 3 0 1 对模拟结果认为： ( 1 ) 采用中心喷吹，将形成一种对称于中心轴的二维循环流。若采用偏心喷吹； 同样将形成一种以两相区轴线为基础的循环流，但流场要比二维复杂的多； ( 2 ) 在钢包液面，由两相区流出的钢水在液面形成流向包壁的流层； ( 3 ) 在钢包下部，存在着层流的活动和运动。 赫冀成等的研究是一个很好的发展，他们在钢包吹氩的三维描述中发现熔池内 有周向环流，并且其速度和径向速度在数量级上是相近的，这自然更有力地解释了 为什么偏心喷吹优于中心喷吹。 对于钢包用多喷嘴进行喷吹的情形，前人也对它们做了很多的研究。李宝宽对 喷嘴分别位于钢包底面中心、1 3 r 、1 2 r 和2 3 r 处的流场进行了计算。结论认为： 喷嘴位置的变化对钢包内的流动影响非常显著，随着喷嘴偏离中心，流体流动的角 向速度逐渐增大，中心截面上两相区两侧的旋涡一个逐渐减小至消失，一个逐渐增 大至充满全场。李连福【3 l 】针对不同的搅拌部位实验后得出：底吹气量增大，搅拌功 率增大，混匀时间缩短，熔池下部中心获得搅拌功率密度增大，表面远离中心混匀 时间长。张立峰【3 2 l 在实验的基础上，利用增大湍流粘度法计算了喷嘴之间的距离对 内蒙古科技大学硕士学位论文 流动行为的影响，结果表明，当用双喷嘴喷吹钢包时，将喷嘴放置在1 2 r 处，将会 产生比单一喷嘴喷吹时更好的效果 3 3 】。 1 4 物理实验的模拟研究 由于钢水精炼是在高温的条件下作业，反应过程不可见，就使得用物理实验模 拟钢包冶金过程的研究大量开展。物理模拟的研究方法不仅可以克服由于冶金过程 的复杂性、高温及测试手段限制而难以进行研究的困难，而且消耗低，很重要的一 点是它可以为数学模拟研究提供指导，在验证和完善数学模型结果方面发挥重要的 作用。 1 4 1 气液两相区的研究 ( 1 ) 两相区形成的机理 在l f 精炼的过程中，由于吹氩而形成一个倒锥形的气液两相区，促使钢液循 环流动。七十年代，j s z e k e l y 等 3 4 3 5 1 提出了气沟与钢液之间存在着一种粘性力，是 摩擦作用促使钢液向上运动而引起循环流动；萧泽强在1 9 8 0 年提出了浮力驱动观 点，认为钢液运动的力源是气泡浮力，吹氩钢包中存在一个气泡在其内随机分布的 气液两相区，由于这一区域内气泡驱动钢液向上流动而形成了全包范围内的循环流， 所有精炼的效果、循环参数变化均取决于气液两相区的气泡行为。此后的大部分研 究者都接受了气泡浮力模型的观点。 ( 2 ) 气液两相区的结构处理 在水模实验中，当以中等吹气量吹入水模时，水中的气液两相区分成了四部分： 原始气泡区、自由气泡区、气泡浮羽区和气泡喷射区。在气泡浮羽区，气泡形成了 球冠形，占据了两相区中的大部分，其它区域则是很小的一部分。研究表明，通常 气相体积分率和气泡分率是呈高斯分布的，气液两相区的分布可以仅用两个参数表 示，这两个参数是轴线上的含气率和含气率半值半径： 一5 。1 0 2 0 z ) 0 3 0 - ， ，。，：lq g ：7 2 = ：。4 2 。2 。( 砉) j ；匕。3 。 ( 式1 4 ) ( 式1 5 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 一些研究表明，指数和y 是气液密度分数的函数。因此，气柱区的尺寸和气 相体积分数也是与气液物性相关的。 k m i s h n a m u r t h y 曾应用摄像技术对圆柱形容器的两相气柱区的尺寸进行观测 后，提出了一个关于气柱区尺寸的关系式： 面o c = 0 9 1 5 - 矿吨“饼m 1 ( 式1 6 ) 蔡志鹏、魏伟胜【3 6 1 在实验中定义9 5 的气体量所通过的区域为喷射区，得到另 一种关系式： 喷射区的锥体半径： ，= 1 9 1 2 ( f r y 僻s ( 鲁) n 5 ( z + o 2 h ) ( 式1 7 ) 喷射区锥角： c r = = 2 t g 一1 ，9 - 2 c - ；，。8 5 ( 鲁) 。5 ) c j i t 8 ， 1 4 2 气相体积分率的获得 描述两相区的另一个重要参数是气相体积分率仅。，采用准单相模型处理方法时， 一般首先根据经验给出气柱区的尺寸，并由此气柱区的尺寸值求出气柱内气相分数 口。的分布。前人已归纳出了一些经验和半经验公式，下面将其中的几个比较典型的 加以简要叙述： ( 1 ) c a s t i l l e j o s 和b r i m a c o m b e 【3 刀发表的结果 旦：。0 e x p ( 0 7 ( 上) z 4 ) = 一( 厂j 口。k ， 口一= 2 9 3 7 7 n 一1 ( n 4 ) ； 口。= 1 0 0 n m 2 2 烈 4 ) ( 式1 9 ) ，：。，：。；：，g 。：，1 , 15 ：= 。2 z 3 j s t ! ! - ! ；掣 。1 。4 ( 云) 。4 。) c j a ：- ，c ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 式中，a ，a 。，矿一两相区和中心线上含气率； r 册棚两相区径向尺寸和含气率半值半径m ： p l ，服旷一两相区液体密度和喷嘴处气体密度k g m 3 ； 疡，9 一喷嘴直径和喷嘴出1 ：3 处的气体流量m ，m 3 s ； g ，卜重力加速度和轴向尺寸m s 2 ，m ； 特性参数，表达式为 产d 船l q 。p g u j l 。 ( 2 ) 蔡志鹏、魏伟胜用实验方法得出了另一种表达式 铲等m h 。 2 万莉高蒜广名2 s a , = 1 , z - ；h g = ，8 7 - ；，。2 3 6 c 軎，。6 4 f ， 以如，说明喷嘴出口处无气柱区出现 h 9 2 日，说明气柱区穿透液层 吁唧( _ 寿 式中，= o 6 1 鲁胪1 7 ( z + o 2 研 n = u ：pg i ( g h p , ) 式中，( 7 以体出口名义速度m m肛掖面高度m 5 a 。广中轴线上的含气率；办喷嘴直径m 。 ( 式1 1 1 ) ( 式1 1 2 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 3 混合时间的数理研究方法 在炼钢炉中进行的许多化学反应其反应效果都与钢液搅拌有关，通过聚合反应 物和分离反应产物而促进化学反应的进行，它还影响着钢包中的热过程、化学反应 过程以及颗粒同一化过程，而搅拌的功能之一就是促进熔池均匀化，而趋于均匀化 的变量则常用钢水的均匀混合时间来表示。 中西等提出的如下关系式已得到了广泛的应用【3 8 】： f 。= 8 0 0s o 4 ( 式1 1 3 ) 和乙都是一种“宏观”指标，因此很难用以说明熔池中死区的尺度和作用。另 外，若底吹元件不是一个而是n b 个，流股之间发生的干扰也很难用上述方法进行深 入的讨论。这种情况下，上式应改为： f 。= 8 0 0 e 。0 4 n b 。3 3 ( 式1 1 4 ) 朱苗勇等【3 9 】在考虑了搅拌强度和几何尺寸外，又考虑了喷嘴数目、布置方式和 示踪剂的加入位置以及钢包锥度的影响后，提出喷吹钢包混合时间的表达式： ( 1 ) 对于单喷嘴喷吹 f 。= 4 3 。( 等 “3 ( 告) 。2 门 ( 云) 2 一。5 9 c 云，+ 。3 3 ，c 。i r 。5 ，c 式5 ， 乙一混合时i b js ；d ，h 熔池的直径和深度m ： 厶搅拌能密度w t ； i r 一喷嘴布置在钢包半径上的位置。 ( 2 ) 对于多喷嘴喷吹 r 。= 8 5 2 占。删n 。3 3 式中， f ，一混合时间s ；g 。一搅拌能密度w t ； 一喷嘴数。 ( 式1 1 6 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 以上两式中的毛按下列方法计算 = 毛+ r e k( r = 0 1 ) ( 式1 1 7 ) 占。= 弓 三三者粤三尹 2 三刀( 1 + 0 0 9 7h ) 一志 ( 水模型，c 式8 ， 铲等等阳+ 0 6 7h ) 一击 c 实物， c 虮 3 2p 。q 3 气2 万而 式中，9 供气量m 3 s ：乃夜体温度： p l ，p r 一液体和气体密度k g m 3 。 1 4 4 水力模型的研究方法相似原理 ( 式1 2 0 ) ( 1 ) 几何相似： 几何相似主要指的是h d ( 熔池深度钢包内径) 相等t 4 0 l 。用几何相似原理模拟 钢包及底吹氩透气砖，按一定比例制作模型，钢包模型可采用有机玻璃制作，做到 外形和内部位置均相似。 ( 2 ) 物理相似： 用物理相似原理模拟钢液和渣液等介质。用水来模拟钢液，用油来模拟渣液。 用压缩空气模拟氩气。 ( 3 ) 动力相似： 对钢包吹氩来说，引起体系内流动的动力主要是气泡浮力而不是湍流的粘性力， 因此保证模型与原型的决定性准数修正弗鲁德准数相等，就可以保证动力相似， 即： f r = f r( 式1 2 1 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 修正的弗鲁德准数定义为： ：且 劝。p ， 式中的气体出口速度可由下式计算得出： 4 d v = 二每 e r d 2 式中，呲体体积流量m 3 s ；扛喷口值径m 。 将( 公式1 2 3 ) 代入( 公式1 2 2 ) 可得： 厅：1 6 2 p g q 2 p l g m m r ) 脚= 七可得： q ：p g , p p l , ml _ h n m ) 5 】“2 o 尸 p g ，m p t ，ph n ，p 由上式可确定模型中的吹气量。 ( 式1 2 2 ) ( 式1 2 3 ) ( 式1 2 4 ) ( 式1 2 5 ) 1 4 5 流场显示及流速测量的实验技术 建立了合适的物理模型后，还必须有合适的实验技术才能得到良好的实验结果。 流场显示及流速测量技术1 4 1 1 是研究各种复杂流动的既可靠又有效的办法。钢包中的 许多流动现象都可以通过流动显示进行研究。 示踪法：示踪粒子一般在流动的上游即钢包上方加入。对加入示踪剂的一般要 求是跟随性好，示踪粒子要能和流体同步流动，此外要有强的反射性能，便于观察 和摄影。 高速摄影法：这种方法是把高速运动变化过程的空间信息和时间紧密联系在一 起进行图像记录的一种摄影方法。它是研究高速流动的有效手段，不仅能将瞬变、 高速过程连续记录下来，给人们以直观形象和生动可靠的结果，并且能对研究对象 内蒙古科技大学硕士学位论文 的瞬时状态、流场变化、运动轨迹等进行记录，并运用图像分析仪等设备进行定量 计算。此方法可用来研究钢包中流场的流动状态。 激光多普勒测速：是测量流体速度的一种新方