LF炉底吹氩时钢液流场的数值模拟

1、文章编号:1004-9762(200204-0313-04LF炉底吹氩时钢液流场的数值模拟任三兵1,陈义胜1,黄宗泽2,贺友多1(11包头钢铁学院冶金工程研究所,内蒙古包头014010;21上海宝山钢铁集团公司技术中心,上海201900关键词:LF炉;数学模型;循环流;吹氩中图分类号:TF76912文献标识码:A摘要:应用N2S方程、k2双方程模型及气泡率模型针对宝钢300t LF炉底吹氩时形成的钢液循环流动进行了数值模拟,对单孔喷吹时的最佳喷吹位置和最佳喷吹量进行了探讨1Mathem atical simulation of flow field of molten steel in lad

2、lefurnace with argon blowingRE N San2bing1,CHE N Y i2sheng1,H UANG Z ong2ze2,HE Y ou2duo1(1.Institute of Metallurgical Engineering,UIST Baotou,Baotou014010,China;2.T echnical Centre,Shanghai Baosteel G roup C orporation, Shanghai201900,ChinaK ey w ords:ladle furnace;mathematical m odel;recirculation

3、 flow;arg on blowingAbstract:Based on N2S equation,k2tw o equation turbulence m odel and bubble rate m odel,the recirculation flow of m olten steel in300t ladle furnace in Baosteel G roup C orporation during arg on blowing was simulated,and the best location of arg on blowing hole and flow rate of a

4、rg on blown were considered.1971年,日本大同钢公司大森厂在ASE A2SK F 炉、VAD及VOD等精炼装置的基础上,开发了LF 精炼法1,2,采用钢包底吹氩技术使钢液获得搅拌能,同时具有良好的脱硫、脱氧、去除夹杂物等能力130多年来,许多研究者对LF炉开展了大量的研究,通过理论分析、水模实验、现场测定和数学模型等手段对LF炉底吹氩的冶炼过程进行了探讨,对LF炉的工艺操作提出了指导1研究底吹氩问题的关键是如何处理吹气过程中的气液两相区,肖泽强3的全浮力模型成功地解决了驱动钢液循环流动的动力问题,在计算两相区含气率时,不同研究者根据实验结果提出了不同的方法411数

5、学模型的建立111基本假设(1气泡的浮力是钢液循环流动的主要驱动力;(2气液两相区采用均单相模型,含气率由经验关系式确定;(3忽略了气相与液相间的剪切力;(4表面忽略了渣层的影响1112流场数学模型的建立钢包底吹氩时,钢包内钢液的流动模拟需联立求解下述方程,其中包括三维稳定态的连续性方程、2002年12月第21卷第4期包头钢铁学院学报Journal of Baotou University of Iron and S teel T echnologyDecember,2002V ol.21,N o.4收稿日期:2002-09-02作者简介:任三兵(1978-,内蒙古临河人,包头钢铁学院硕士研究

6、生1动量方程以及湍流k2方程1连续性方程:5u i5x i=0;(1动量方程:5u i u j5x j=5 5x jeff5u i5x j+5u j5x i+F i-5p5x j,(2式中,F i为体积力,对吹气搅拌体系取l g i,为含气率1描述湍流运动的k2双方程模型:k方程:55x ju j k=55x jeffk5k5x j+G-;(3方程:55x ju j=55x jeff55x j+C1Gk-C22k,(4其中,G=t 5u i5x j5u j5x i+5u i5x j;有效粘度eff=l+t =l+Ck2/.模型中的常数采用S palding所推荐的如下数据:C1=1.43,C2

7、=1.92,C=0.09,k=1.0,=1.3.113含气率模型两相区的处理采用准单相模型:=gg+(1-gl,(5式中,g为两相区中的气泡分率;g为气体的密度(kg/m3;为综合密度(kg/m3;l为液相密度(kg/m3.由于气泡的浮力是钢液循环流动的驱动力,所以含气率是数模中的一个重要参数,本文采用了由Castillejos和Brimacombe5提出的实验关系式来确定气泡分率:max=exp-0.7rrmax/22.4.(62模拟计算条件计算中LF炉参数和工况参数见表11钢包中的炉衬的厚度为200mm,钢液表面的空度为300mm,氩气喷吹时考虑了喷吹压力对两相区的影响1表1计算中LF炉的

8、参数和工况参数T able1The p arameters of ladle furnace and operationLF炉参数工况参数钢包内径/mm4000钢液密度/(kgm-37000钢包外径/mm4400钢液粘度/(Pas 5.0×10-3钢包高度/mm4200气体密度/(kgm-3 1.25液面高度/mm3900吹氩量/(Lmin-1501000喷孔直径/mm160气体压力/(MPa0.133计算方法311网格的划分网格的划分采用直角坐标系,在空间划分为53×53×23个网格,在计算中,对于圆形钢包边界进行修正1312边界条件钢包底部和侧壁都是固体边界,

9、u j=0,对固体边界应用壁面函数进行修正6;钢包上部钢水自由表面5u jx j=0.313模拟计算方法应用有限差分法对建立的数学模型微分方程组在定义的网格空间上进行积分处理,把微分方程组转化为各个网络控制单元上的代数方程组,应用SI MP LE法进行求解,最终得到速度场的解14计算结果及讨论411单嘴喷吹的流场应用所开发的三维流场计算软件对LF炉的吹氩过程进行了计算机模拟,各个截面上的流动场分布如图1,2所示1413包头钢铁学院学报2002年12月第21卷第4期 图1钢包中心吹氩时各个截面的速度分布图Fig.1The velocity distribution of each field i

10、n ladle during center argon blowing图2钢包偏心(r/R =2/3喷吹时各个截面的速度分布图Fig.2The velocity distribution of flow field during off center argon blowing从图1可以清楚地发现,钢包中心吹氩时,气液两相区在轴向呈中心对称分布,两相区直径由底至表面逐渐拓展,氩气喷吹形成的流场以中轴对称分布,在钢包底部,气泡带动钢液通过两相区上浮,形成上升流,周围钢液补充到两相区,形成底部的补充流,在钢液表面,气泡溢出,钢液形成由513任三兵等:LF 炉底吹氩时钢液流场的数值模拟中心至四周的均

11、匀水平流,这样,中心吹氩时的钢液形成了对称的循环流,旋涡中心出现在距表面约1/5R ,距中心2/3R 处;而在钢包偏心喷吹时,流动不再相同,如图2所示,两相区向钢包壁面靠近,对称循环流不复存在,包中除局部区域存在较小范围的循环流外,整个熔池发展了许多股侧向回流,计算还发现,随着喷孔向壁面的靠近,钢包一侧的循环流减小至消失,另一侧的循环流则充满至整个速度场,可见,偏心对于减小死区,加速混匀有更好的作用1412喷吹位置对于混匀的影响为求300t LF 炉单孔布置的最佳位置,本文模拟计算了从011R 1R 10个位置的死区相对比率,如图3所示 1图3不同位置对于钢包中弱流区域的影响Fig.3The

12、effect of flow field in the LF duringdifferent location of argon blowing可以看出,偏心喷吹比中心喷吹有优越性,但随着喷孔向壁面的靠近,一方面弱流区增大,另一方面气体对于耐火材料的冲刷严重,在1/3R 1/2R 之间,弱流区域最小,此时设置喷孔是合适的,而在1/2R 1R 之间,设置单孔喷吹对于混匀是不利的1413喷吹量对于混匀的影响计算了不同吹氩量条件下流场中死区与全速度区域的比率(图4,可以看出,随着吹氩量的增加,死区体积比迅速减小,但在吹氩量较大时,再增加吹氩量,死区体积比减小的量很小,由此可见,在某一临界喷吹量以后,

13、再增大喷吹量,其搅拌效率降低,由图4可以看出,吹氩量在150400L/min 之间效率最高,对于实际操作,吹氩制度可选定在250L/min 左右 1图4不同吹氩量对于钢液死区的影响Fig.4The effect of distribution of slow velocityfield during different rate of argon blow n5结论(1模拟了同一吹气量下,中心喷吹和偏心喷吹对钢液循环流的影响,偏心喷吹有利于混匀,促进渣-金反应,缩短混匀时间;(2偏心喷吹时,喷孔位置布置在1/3R 1/2R 之间能够达到最佳的混匀效果;(3在实际操作中,对于300t LF 炉,吹氩制度选在250L/min 较合适1参考文献:1徐国兴1我国钢包精炼炉的现状及发展趋势J 1上海金属,2000,22(6:1121412刘川汉1我国钢包炉(LF 的发展现状J 1特殊钢,2001,22(2:3123313朱苗勇,萧泽强1钢的精炼过程数学物理模拟M1北京:冶金工业出版社,199814蔡志鹏,魏伟胜1底吹过程喷射区含气率分布及气液上升速度模型J 1钢铁,1988,23(7:1922415Castillejos A H ,Brimacombe J K.Measurement of physicalcharac