LF吹氩模式优化

LF吹氩精炼过程计算机

模拟仿真朱苗勇myzhu@

LF吹氩过程夹杂物行为的模拟

●湍流流动●喷吹模式●夹杂物的性质

Schematicrepresentationofgas-stirredladles圆台型钢包内的计算流场与实测流场比较

(a)

钢包中某位置的浓度随时间的变化

示踪剂不同加入位置时，6种喷吹方式下钢包内混合时间的计算值和平均实测值

气泡流行为夹杂物行为钢包吹氩

气含率分布

钢液流动钢液湍流脉动

夹杂物传输夹杂物的碰撞聚合夹杂物的去除吹氩精炼钢包内夹杂物行为

夹杂物-夹杂物湍流随机碰撞夹杂物行为气泡流行为气泡分布

钢液流场钢液湍流脉动

夹杂物传输夹杂物碰撞聚合夹杂物去除气泡湍流扩散力夹杂物-夹杂物Stokes碰撞效率气泡尾涡捕捉渣圈影响气泡诱导湍流前人未考虑的现象和机理夹杂物-气泡湍流随机碰撞(1)气泡湍流扩散力(—)(a)湍流扩散力对熔池气含率分布的影响:a)不考虑

,b)考虑

.(b)(—)●钢包中气含率分布对气泡流行为和夹杂物去除行为有着重要的影响。●Euler–Euler模型中,由于气泡湍流扩散现象被忽略，前人预测的气泡群主要呈圆柱形态分布。湍流扩散力

是气泡滑移速度，表示液体湍流脉动对气泡扩散的影响。(2)气泡诱导湍流

气泡诱导湍流对熔池液体湍动能的影响(a)不考虑,(b)考虑(a)(b)(m2/s2)(m2/s2)●钢液湍流流动对夹杂物传输、碰撞聚合及去除有着显著的影响。●气泡上升过程中，气液两相之间的速度差会做功并产生液体湍动能，即气泡诱导湍流。可见，吹氩钢包中气泡诱导湍流是液体湍流产生的主导因素，模型描述过程中是不可或缺的。气泡诱导湍流

表示气泡诱导能量的湍流转化系数。(3)夹杂物-夹杂物Stokes碰撞效率

颗粒上浮碰撞过程中，大颗粒周围流场对小颗粒运动轨迹的影响没有被考虑。夹杂物-夹杂物Stokes碰撞

在冶金反应器中，夹杂物-夹杂物的Stokes碰撞是夹杂物碰撞聚合的重要因素之一。碰撞速率夹杂物颗粒间尺寸差别越大，夹杂物之间的Stokes

碰撞速率就越大。表示两个不同尺寸夹杂物在Stokes上浮过程中的实际碰撞概率。

(4)夹杂物湍流随机运动在湍流流场中，伴随着湍流能量产生与耗散，涡旋会不断的形成与分裂，其中，分解后最小的旋涡尺寸被称为柯尔莫哥洛夫微尺寸（Kolmogorovmicroscale）夹杂物被包含中最小涡旋中，并在粘性力作用下跟随液体一起运动。在流场中，夹杂物在液体湍流旋涡的碰撞下，呈现湍流随机运动。Eddiesingas-stirredladle湍流随机运动速度Kolmogorovmicroscale夹杂物-夹杂物湍流随机碰撞

夹杂物-气泡湍流随机碰撞夹杂物湍流随机上浮湍流随机运动的几种方式夹杂物湍流随机运动对夹杂物的碰撞聚合、去除有着重要影响，并主要体现以下几种方式：For

表示夹杂物湍流随机碰撞概率—湍流随机碰撞速率—夹杂物-气泡湍流随机碰撞速率For—夹杂物湍流随机运动的上浮概率气泡尾涡●气泡上升过程中，在气泡底部，一对尾涡会周期性地形成与脱离●在渣-金界面附近的夹杂物会被气泡尾涡捕捉，并被带入渣层而去除.(5)气泡尾涡捕捉—气泡尾涡捕捉夹杂物的去除速率

—尾涡与气泡的体积比(6)渣圈的影响●在渣圈中，粘附在气泡上的夹杂物会随着气泡的破裂而重新返回进入钢液。渣圈渣圈尺寸渣圈面积钢液高度渣层厚度气体流量数学模型CFD-PBM耦合模型的求解方案钢包顶部直径3115mm钢包底部直径2578mm钢包高度3200mm底吹氩气流量10-200NL/min钢液密度7100kg/m3气液表面张力1.4N/m氩气密度0.865kg/m3夹杂物密度3900kg/m3钢液的黏度0.0055Pas●钢包底部和边壁被设置为无滑移固体壁面，并采用标准壁面函数来描述近壁面处的湍流流动。●钢包吹氩喷嘴设置为气体速度入口，气体速度根据气体流量计算。●

钢包顶部为自由液面，气体可逸出。●钢包中4—200μm的夹杂物尺寸被考虑计算与边界条件在低气流量下，夹杂物聚合长大主要是依靠湍流剪切碰撞和Stokes碰撞共同作用，其中Stokes碰撞是主导作用，而湍流随机碰撞基本可以忽略。夹杂物碰撞聚合机理10NL/min50NL/min

随着气流量的增加，湍流剪切碰撞作用增强，并变成夹杂物聚合长大的主导作用。另外，湍流随机碰撞作用逐渐增强，而

Stokes上浮碰撞作用逐渐减弱。夹杂物碰撞聚合机理100NL/min200NL/min200NL/min●吹气搅拌初期，夹杂物去除主要是由气泡尾涡捕捉和气泡-夹杂物浮力碰撞起主导作用●吹气搅拌中期和后期，随着夹杂物聚合长大，气泡-夹杂物湍流随机碰撞作用逐渐增强，并逐渐成为夹杂物去除的主要方式。夹杂物去除机理中心单吹、偏心单吹、双嘴吹的影响●喷嘴由中心移到偏心，气泡群向壁面弯曲，增大气泡停留时间，气泡-夹杂物浮力碰撞和气泡尾涡捕捉夹杂物作用有所增强。但由于气泡柱中湍动能的降低，气泡-夹杂物湍流碰撞作用明显降低。●双孔喷吹时，气泡在钢包中的分散性更好，气泡-夹杂物浮力碰撞和气泡尾涡扑捉作用明显增加。总的来说，在相同吹气条件下，双孔喷吹去夹杂物效果最好，单孔偏心去夹杂物效果最差。

中心偏心双孔●当45deg被采用时，两个气泡柱流股距离很近，并相互吸引重叠，气泡利用率较低，且气泡柱中心的湍动能也相对较低。因而夹杂物总去除率最低。●随着角度的增加，两个气泡流逐渐分离，且流股中心湍动能也逐渐增大，因而夹杂物总的去除速率增加。●角度超过135deg时，夹杂物去除效果相差不大。喷嘴布置角度的影响45deg90deg135deg喷嘴径向距离的影响0.3R0.5R0.7R●当0.3R被采用时，气泡流股相互重叠，且流股中心湍动能最弱，因而夹杂物的去除率最低。●随着径向距离的增加，气泡流股逐渐分散，且流股中心湍动能逐渐增强，夹杂物去除率逐渐增强。●当径向距离超过0.7R时，气泡流股受到壁面阻挡，气泡分散性较差，夹杂物去除率降低。气流量的影响随着气流量的增加，夹杂物去除率逐渐增加，但当气流量超过300NL/min时，夹杂物去除率变化较小。

较低吹气流量下,夹杂物-夹杂物湍流剪切碰撞和Stokes碰撞是夹杂物聚合长大的主导因素。随吹气流量的增加，湍流剪切碰撞作用逐渐增强并成为夹杂物聚合长大的主导机理，当气流量超过100NL/min时，湍流随机碰撞聚合变得更重要。

采用CFD-PBM

耦合模型描述了底吹氩钢包中的气泡湍流行为、夹杂物传输、碰撞聚合及去除行为，揭示了不同条件下各个机理和现象在夹杂物聚合、去除行为的作用规律。

吹气搅拌初期，夹杂物去除主要是由气泡尾涡扑捉和气泡-夹杂物浮力碰撞起主导作用。吹气搅拌中期和后期，随着夹杂物的聚合长大，气泡