（冶金物理化学专业论文）40tlf钢包吹氩搅拌及出钢操作的数值模拟和实验研究.pdf

辽宁科技大学硕十学位论文 摘要 本论文针对4 0 t l f 钢包底吹氩精炼过程中钢液的流动和混合及出钢过 程进行了水模型实验和数值模拟研究。水模型实验以相似原理为基础，主 要考虑几何相似和动力相似。实验中用有机玻璃制成钢包，用水模拟铁水， 模型与原型尺寸比例为1 ：4 。在几何相似的前提下，同时保证模型与原型 的修正佛罗德准数相等，以保证它们的动力相似。水模型实验，一方面可 得到数值模拟中所需的一些参数，另一方面可验证数值模拟结果的准确性。 数值模拟中，对建立在正交网格上的4 0 t l f 钢包吹氩及出钢过程进行数值 模拟。研究中探讨了吹氩参数对熔池流场和混匀效果的影响，同时模拟了 钢包静置状态时的流场和钢包出钢过程的流场，以确定临界出钢高度，最 大限度地防止下渣量。通过研究确定了合理的操作参数，以优化现场操作。 水模型实验和数值模拟计算的结果表明：对于钢包偏心底吹体系， r e a l i z a b l e r s 湍流模型( r k e ) 和r e y n o l d s 应力方程模型( r s m ) 能给出较 好的预示结果，但是从计算过程方面考虑，r e a l i z a b l er 一譬湍流模型( r k e ) 比较适宜；底吹氩气搅拌时，会形成一大一小两个循环流，小循环流流动 比较剧烈，随着吹气量的增加，熔池搅拌会越来越剧烈，经研究发现存在 吹氩最佳吹气量和卷渣临界吹气量；吹氩最佳吹气量为1 4 0 1 6 0 l m i n ， 在这一吹气量下，熔池搅拌比较剧烈，死区较小，有利于反应的快速进行 和成分、温度的迅速混匀；卷渣i 临界吹气量为1 0 0 l m i n ，在此临界吹气量 下可以避免卷渣现象的发生，在精炼后期喷吹3 5 0 s 左右就可以达到混匀和 驱除夹杂的效果；钢包静置过程中，温度梯度会逐渐变大，钢液呈自上而 下的循环流，流速会逐渐变小，在出钢前可在卷渣临界吹气量下喷吹惰性 气体3 分钟以消除温度梯度；出钢过程中，钢液呈自下而上的循环流，根 据临界高度的模拟结果可拟合得到一条直线，这一线性关系对实际生产中 临界高度的确定具有重要的参考价值。研究中水模型实验和数值模拟结果 符合较好，研究结果对优化现场操作具有指导意义。 关键词：水模型，流场，搅拌，混匀，温度梯度，临界高度 辽宁科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t u s i n gw a t e rm o d e l i n ga n d m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ef l u i d d y n a m i c s ，m i x i n gc h a r a c t e r sa n dd r a i no p e r a t i o n so f4 0 tl fl a d l eh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h es t u d yo fw a t e re x p e r i m e n th a sb e e nb u i l to nt h e b a s e o f s i m i l a r l yt h e o r y t h eg e o m e t r y a n dd y n a m i cs i m i l a r l yn u m b e r sw e r e c o n s i d e r e dm a i n l y f o rw a t e rm o d e l i n gs y s t e m ，w a t e rh a sb e e nu s e di n s t e a do f s t e e la n dt h em o d e lw a sm a d eo fa c r y l i c s ，w h i c hw a si nt h ep r o p o r t i o no f1 ：4 f o rd y n a m i cs i m i l a r i t y ，t h e s i m i l a r l y n u m b e ro ffw a sc o n s i d e r e d t h e o b j e c t i v eo fw a t e rm o d e l i n ge x p e r i m e n tc o u l db el i s t e da sf o l l o w ：o nt h eo n e h a n d ，s o m ep a r a m e t e r sc o u l db ep r o v i d e df o rm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ；o nt h e o t h e rh a n d ，t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o u l da l s ob ee x a m i n e d f o r t h em a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ，ac o m m e r c i a ls o f t w a r ep a c k a g ew a su s e dt o s t u d yt h e4 0 tl fl a d l ew h i c hw a sp a r t i t i o n e do no r t h o g o n a lg r i d u s i n gt h e s o f t w a r ep a c k a g e ，t h ef l u i df i e l da n dm i x i n gh a v e b e e ns t u d i e da td i f f e r e n t b l o w i n gr a t ea n dt h ep r o c e s so fd r a i no p e r a t i o n sh a v eb e e nr e s e a r c h e da l s ot o m a k es u r et h ec r i t i c a ll e v e lw h e nd r a i n t h o u g ht h es t u d y ，r a t i o n a lo p e r a t i o n a l p a r a m e t e r sw i l lb ef o u n dt oo p t i m i z eo p e r a t i o n s w i t ht h ew a t e r m o d e l i n ge x p e r i m e n t a n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ， s o m e t h i n gv a l u a b l eh a v e b e e n f o u n d t h et u r b u l e n c em o d e lo fr e a l i z a b l e j r 一占a n dr e y n o l d sa s ma r et h eb e s ts u i t a b l er a t h e rt h a no t h e r sf o rt h el a d l e b o t t o mb l o w i n gs y s t e m b u t ，c o n s i d e r e dp r o c e s s ，r e a l i z a b l e r g m o d e li s t h eb e s t w h e nb o t t o mb l o w n ，t w oc y c l e df i e l dh a v eb e e nf o r m e d c o m p a r i n g w i t ht h e m ，o n ei sb i g g e ra n dt h eo t h e ri ss m a l l e r ，b u tt h es t r o n g e rf l o wi st h e l a t t e r i ti sa l s oc o u l db ec o n c l u d et h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fb l o w i n gr a t e ，t h e s t i r r i n gf l o ww i l lb e c o m em o r ea n dm o r es t r o n g e ra n dt h e r eh a v eb e e nap r i m e b l o w i n gr a t ea n dac r i t i c a lb l o w i n gr a t e u n d e rt h ep r i m eb l o w i n gr a t e ，t h e r e w i l lb eg o o ds t i r r i n gs t a t ea n ds m a l l e r d e a da r e a ”，w h i c ha l s oa c h i e v e sf a s t e r c h e m i c a lr e a c t i o na n de l i m i n a t e st h eg r a d i e n to fc o m p o s i t i o na n dt e m p e r a t u r e u n d e rt h ec r i t i c a lb l o w i n gr a t e ，t h el i q u i ds u r f a c ed o e s n tf l u c t u a t ef i e r c e l y ， w h i c hm a k e ss u r em o l t e ns t e e ln o tb ec o n t a m i n a t e db ys l a g ，a n d3 5 0 si sg o o d i i 辽宁科技大学硕士学位论文a b s t r a c t e n o u g hf o rm i x i n g f o rt h el a d l es i m u l a t i o no fs t a n d s t i l ls t a t e ，t h ef l u i di s c o m ei n t ob e i n gc y c l e df r o mu p w a r dt od o w n w a r d ，t h el o n g e rs t a n d s t i l lt i m e s t h eb i g g e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，a n d3m i na r eg o o de n o u g hf o rc u t t i n gd o w n t h eg r a d i e n to ft e m p e r a t u r e f o rt h es i m u l a t i o no fd r a i n i n go p e r a t i o n s ，t h e p a t t e r no ff l u i di s a l s 0ac y c l e df l o w ，b u tf r o md o w n w a r dt o u p w a r da n d f i n a l l y ，af i t t e dl i n ew a sm a d et op r e d i c tt h ec r i t i c a ll e v e lo fl a d l eb a t h t h e r e s u l t so f p h y s i c a le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ei n g o o d a g r e e m e n ta n dt h ei n v e s t j g a t j o n sm a yh a v es o m eg u i d i n gv a l u e sf o r t h e p r o d u c t i o no p e r a t i o n s k e yw o r d s ：w a t e rm o d e l i n g ，f l o wf i e l d ，s t i r r i n g ，m i x i n g ，t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ，c r i t i c a ll e v e l i 辽宁科技大学硕士学位论文符号说明 符号说明 速度分量 坐标分量 时间 源项 化学组分的质量分数 化学组分f 的质量分数 焓 容积发热率 温度 压力 湍动能 声速 比热容 热流密度 加权因子 流体速度 界面面密度 气泡直径 垂直于壁面方向向量 密度 通用变量( 速度、温度 、浓度等) 湍流扩散系数 有效湍流扩散系数 切应力 壁面切应力 液体粘度 湍动粘度 热膨胀系数 i v 一 可t o o l 一 ， p d 腰z s - 2 m s l ，- m o l k w m - 2 m s 叫 m ，竹 k g m 。 v m 一2 n m 一2 p a j 尸口s 一5m s 扎|、，s r品r p后口“厂v 4玩p妒 、 、 ”f rrp肼 辽宁科技大学硕士学位论文 符号说明 r e 咖( ) g r a d ( ) 导热率 湍动能耗散率 界面张力 两网格点之间的距离 施密特数 湍流的施密特数 普兰特数 湍流的普兰特数 雷诺准数 湍动雷诺准数 散度 梯度 内含的所有量的最大值 加和 时均 脉动 转换符号 矽啪k m2 s 4 n m o ，竹 l l | 区 cp u | x m z l , 当i 、，、k 三个指标不同， 并符合正序排列时，e 。= i ； 当f 、- ，、k 三个指标不同， 并符合逆序排列时，e 。= 一l ； 当i 、，、七三个指标重复时， e m = 0 “k r o n e c h e rd e l t a ”符号 当f = j 时，民= 1 ； 当i ，时，磊= 0 一v 五f盯占融n啊& 独创性声明 本人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 及取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：建牡日期：! 螂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趣聋垭 导师签名： ：缝奎叁 日期：丑：主! 。7 辽宁科技火学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 炉外精炼技术的发展及现状 炉外精炼也叫“二次精炼”，即把传统的炼钢方法分为两步：初炼和精 炼。精炼就是在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下进行脱氧、脱硫、去 除杂质、调整成分( 合金化) 、夹杂物变性及控制钢水温度等的过程。炉外 精炼可以达到脱硫、脱碳、c o 还原、脱气( 包括氢、氧、氮) 、去除夹杂物、 合金化、控制夹杂物形态、调整钢水成分和温度及加热钢液等目的。 钢水的炉外精炼早在二十世纪3 0 、4 0 年代就显示了其在提高质量、扩 大品种方面的作用。早在3 0 年代就开始应用的合成渣洗精炼钢水技术，至 今仍被广泛应用；4 0 年代初就有了真空模铸的报道；5 0 年代中后期，由于 大功率的蒸汽喷射泵技术的突破，相继发明了钢包内钢水提升脱气法( d h ) 和循环脱气法( r h ) ；6 0 年代和7 0 年代是钢水炉外精炼多种方法发明的繁 荣时期，这与纯净钢生产概念的提出、各行业对钢材质量和性能提出的越 来越高的要求、各企业对连铸生产工艺的稳定和连铸品种扩大的强烈愿望 是密切相关的。 从6 0 年代至今，随着生产纯净钢技术的要求和连铸技术的发展，炉外 精炼一直保持着增长的势头。一种新技术的出现并得以迅速发展，必然有 其技术和经济上的原因。炉外精炼技术发展的原因主要有以下几点： 用户对钢材质量日益苛刻的要求。主要表现在纯净度高、各向异性 小、合金成分范围窄等方面，如石油管线用钢 n 5 0x1 0 。，轴承钢中 o 10 1 0 一。如此低的杂质含量，无论如何仔细操作，传统炼钢方法所得产 品的杂质含量仍将比上述水平高出几倍，甚至几十倍1 2 。要达到如此高的 产品质量必须通过炉外精炼来实现。 炉外精炼与连铸生产的迅速发展紧密相关。它适应了连铸生产对优 质钢水的严格要求，还大大提高了铸坯的质量。同时在温度、成分及时间 节奏的匹配上都起到了重要的协调和完善作用，即定时、定温、定品质地 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 提供连铸钢水，成为稳定连铸生产的关键因素。以日本为例：1 9 7 3 年连铸 比为2 6 ，精炼比为4 4 ；1 9 8 3 年连铸比超过7 5 ，精炼比达到4 8 ： 1 9 8 5 年连铸比为9 0 ，精炼比迅速增至6 5 9 ；1 9 8 9 年连铸比达9 5 ， 精炼比为7 3 4 ，其中真空精炼比高达5 4 6 。 炉外精炼与调整产品结构、优化企业生产的专业化进程紧密结合。 超低碳、超深冲、超低磷、硫的优质钢材生产必须采用包括炉外处理技术 在内的优化工艺流程。这也是炉外处理技术发展迅速的另一个重要原因。 我国炉外精炼技术始于5 0 年代中后期，并将其应用在炼钢生产中，但 当时没有国产的精炼装备。6 0 年代炉外精炼技术的应用和开发在特钢、机 电、军工企业有了一定的发展，并引进了一批真空精炼设备，还消化吸收 及试制了一批国产的真空处理设备，钢水吹氩精炼也在首钢等企业首先投 入了生产应用。8 0 年代，国产的l f 钢包炉精炼、合金包芯线喂线、铁水 喷粉脱硫、喷射冶金等精炼技术得到了进一步的发展。9 0 年代初，与世界 发展趋势相同，我国炉外处理技术也随着连铸生产的增长和对钢铁产品质 量日益苛刻的要求，得到了迅速的发展3 1 。具体情况如表1 一l 所示。 表1 1中国炉外处理进展 t a b l e l 1 d e v e l o p m e n to fs e e o n d a r yr e f i n i n gi no u rc o u n t r y 目前世界上炉外精炼发展很快，据不完全统计【5 7 1 ，世界炉外精炼设 备的总数己超过1 0 0 0 多座，其中l f 钢包炉约2 2 0 多座，a o d 和v o d 炉近 2 0 0 座，d h 和r h ( 含r h 0 b 和r h p b ) 装置约1 5 0 多座，v d 真空脱气装置 1 3 0 多座，a s e a $ k f 和v a d 炉近1 0 0 座，其它精炼设备2 0 0 座。从炉外精 炼设备的发展情况看，具有加热功能、投资较少的l f 钢包炉发展最快，r h 循环脱气装置精炼的钢水质量最具保证。国内精炼设备统计【lj 如图1 1 所 示，从中可以看出l f 钢包炉数量远比其它精炼设备多，同时l f 钢包炉还 可与多种精炼手段配合使用。之所以会如此，是与l f 钢包炉的功能分不丌 一2 辽宁科技大学硕士学位论文第一章绪论 的。 枷 魁 蠖 蜒 嘛 + h 2 04 06 01 0 01 2 0 精炼设各数量台 图l ，l国内精炼设备统计 f i g 1 1 t h en u m b e r so fs e c o n d a r yr e f i n i n ge q u i p m e n t l f 钢包炉是1 9 7 1 年日本特殊钢厂开发并实际应用的精炼技术。l f 钢 包炉精炼法的发展是随着电炉生产率飞跃提高和用户对高质量、高可靠性 产品的要求而兴起的，满足了连铸生产的需要。l f 钢包炉具有四大独特的 精炼功能：炉内还原气氛、氩气搅拌、埋弧加热和白渣精炼。独特的功能 使其具有很多优点【8 】：功能比较全面，以电弧加热、氩气搅拌和白渣精炼 为核心再加上合金微调功能，使得l f 钢包炉具备脱硫、合金成分精确调整， 提高了合金收得率和钢水温度的调节能力等作用，为纯净钢的生产和生产 率提高创造了条件；l f 钢包炉为电弧加热，在电器上能够对电弧的电压和 电流进行较好的控制，控温准确度可达5 。c ，升温速度的控制精度强于化 学加热方法，保证了钢水温度能够很容易调节：l f 钢包炉能够对夹杂物进 行稳定的控制，且由于采用电弧加热，与化学加热精炼方法相比对钢水无 污染；l f 钢包炉适应性强，对钢种的处理范围广，有利于扩大品种，提高 市场竞争力；同时l f 钢包炉设备投资少，精炼成本低，适合生产超低硫钢、 超低氧钢。l f 钢包炉发展到现在，尤其是连铸生产得到普及以后，l f 钢包 炉己经成为转炉和电炉炼钢厂在炼钢一连铸流程中生产节奏调节的关键。 通过强化l f 钢包炉精炼，可以提高生产效率、保证产品质量、降低生产成 本，成为冶金行业的后起之秀，得到了广泛的应用。 3 麓噫穗嚣翟蚱 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，国内大多数l f 钢包炉精炼过程控制基本依靠现场操作工的经 验。与先进的操作水平相比，l f 钢包炉的电耗、电极消耗量、氩氧消耗以 及合金消耗等技术经济指标偏高，同时调节时间过长，控制精度差，不利 于产品质量的稳定和生产成本的降低。与国外先进水平相比，尚存在一些 差距。但国内大部分冶金企业都配备l f 钢包炉，因此对l f 钢包炉冶金过 程的研究具有很重要的意义。 在很长一段时间内冶金工艺和速率过程的研究主要依靠实验室研究和 现场观测，这在很大程度上要依赖于长期积累的经验。虽然这些方法至今 仍具有重要的实用意义，但是随着冶金工艺技术和相关科技的发展，随着 激烈市场竞争对工艺优化的要求，传统的研究方法已不能适应新形势发展 的需要。利用计算机和相关的服务性软件，依靠数学模拟已经成为今后冶 金过程研究的重要手段pj 。 所谓冶金过程数学模拟，就是基于计算流体力学、计算传热学、计算 燃烧学和冶金反应工程学原理，用数值计算方法通过计算机求解非线性联 立的质量、动量、能量及组分守恒偏微分方程组，然后通过数学分析，预 报出流动、传热过程的细节，即给出整个流场中各变量的时空分布，进而 分析冶金的速率和效果。 钢的连铸和炉外精炼比是衡量一个国家冶金水平的重要指标 1o l 。我国 近年来钢的连铸比增长很快，但炉外精炼发展满足不了连铸增长的要求， 直到目前，国内钢的平均炉外精炼比仍达不到5 0 ，而日本几乎达到了1 0 0 。为了实现我国由钢铁大国向钢铁强国的转变，发展炉外精炼技术具有 重要意义。 1 1 2 数值模拟技术在钢包炉研究中的发展与应用 随科学技术的进步，用户对钢材质量的要求越来越高。2 0 世纪8 0 年 代，国家标准中规定优质钢材中的w ( s ) 、w ( p ) 3 5 0 x 1 0 一，而现在对 某些钢材用户要求w ( s ) 、w ( p ) 为( 1 0 5 0 ) x 1 0 一，甚至对有些钢材要 求更低。为此，钢铁生产企业需不断更新装备，并深入研究以充分发挥设 备潜力。传统的研究方法主要采用实验研究和现场观测相结合的方式，但 由于冶金设备的特殊性，传统方法很难进行直接有效的研究，而数值模拟 作为一种新兴的方法，恰好弥补了这方面的不足。数值模拟过程是：首先 对实际过程建立一组偏微分方程( 其描述的准确性依赖于对动量、质量、 4 一 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 能量传输及其他现象的认识) ，然后对方程离散化，最后进行数值求解。由 于计算科学的不断发展和计算机速度的不断提高，逐步解决建立数学模型 并利用边界条件求解方程的困难，从而使更复杂的数学模型在较短时间内 获得更准确的数值解在不久的将来成为可能。本文仅对数值模拟技术在钢 包炉流场研究中的应用和发展状况作如下综述。 1 1 2 。1 气液多相数值模拟技术的发展 钢包炉底吹属于典型的多相流，其理论研究一直存在很多困难，但近 几十年来气液两相流模拟技术发展很快。 1 9 8 4 年，s t e w a r t 和w e n d r o f f 】研究表明，由于气泡运动的复杂性和 对这一具体现象认识的匮乏，要建立一系列方程来准确描述这一现象是不 可能的，因此须作一些假设，直到现在所有的研究者还要在这样一些假设 下建立模型，给出方程的解。g r e v e t 【12 】是首先正确描述气泡在液体中的学 者，他利用l a g r a n g e 方法建立一系列方程，并假设气泡在稳态、恒定的混 合密度和不变的上升速率条件下计算，所得结果与实验数据相符较好。同 年，c r o s s 【1 3 】试图用e u l e r 方法来研究同一问题，但没有成功。此后几十 年，很多学者对这一问题继续研究，结果不一。 总的来说，研究这个问题有3 种方法：一是瞬态e u l e r l a g r a n g e 方法； 二是瞬态e u l e r e u l e r 方法；三是稳态e u l e r e u l e r 方法。e u l e r l a g r a n g e 方法是把液体看作连续相，气泡看作分散相，计算时对每一气泡都要单独 列出平衡方程；e u l e r e u l e r 方法则把液体和气泡都看作连续的流体，相 间存在相互作用。l a p i n t l4 就是利用瞬态e u l e r l a g r a n g e 方法来描述气泡 在液体中运动的学者，他建立的数学模型假设：气泡很小，呈大小不变的 刚性球体，忽略气泡闻的相互作用，不计气泡的破碎或聚合。研究显示这 种方法仅在层流和较低气体流速的区域内，模拟结果才与实测结果相符较 好。e i g e n b e r g e r 和s 0 k o l ic h i n 【”】应用瞬态e u l e r e u l e r 方法，其基本假 设是：体系绝热，系统处于层流状态，气泡直径不变，不考虑气泡在上升 过程中的破碎或聚合，气泡升力和虚拟质量力忽略不计。其计算结果观察 到了与实际相符的循环流场，这一结果与l a p i n 的相近，但也仅局限于流 速较低的层流层。t o r v i k 、s v e n d e n 1 6 】、j a k o b s e n f 等都是应用稳态 e u l e r e u l e r 方法的学者，模型耦合曳力、升力和虚拟质量力，其研究结 果对湍流层有着较好的预示，同时表明曳力对这一过程最为重要，并分别 5 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 给出一系列曳力系数表达式。 h u g o 和j a k o b s e n1 1 8 】综合前人的研究指出，虽然数值模拟技术有了很 大的进步，但是对气泡低速区域的认识仍然较少。近来，人们逐渐认识到 研究气泡驱动液体流动只有采用瞬态三维模型才能获得准确的结果。稳态 模型的优点是占用较小的p c 资源，是研究流场的一个很好的工具，但是这 种方法不能给出流场的瞬态变化，只能获得长时间内的平均值。瞬态模型 的模拟结果与实际情况相符较好，缺点是在处理含气率低区域时效果不好。 在湍流模型上，大涡模型是最理想的模型，但需很大内存和较高c p u 。目 前较普遍使用的是七一占双方程模型和雷诺应力模型，但这两种模型都建立 在半经验的基础上。研究气液两相流中，瞬态e u le r l a g r a n g e 方法最为准 确，它记述了每个气泡的运动。但实际计算每个气泡的运动是不可能的， 原因是气泡数量很大且气泡间会发生聚合或破碎。稳态e u l e r e u l e l 方法 是瞬态e u l e r l a g r a n g e 方法的很好替代，因为稳态e u l e r e u l e r 方法研究 的是液体中的气泡群。这样计算量较前者会少很多，且工程中人们所关心 的往往不是单个气泡的行为，而用稳态e u l e r e u l e r 方法研究所得结论已 经可以满足人们的需要。 多相流模拟目前还处于发展阶段，在很多方面还不成熟，且大多建立 在空气一水体系之上，因此所得结论还不能直接应用于冶金过程中。目前 研究钢包炉底吹较常用的是均相流模型，该模型是多相流模型的简化，在 模型中相间传递项全部消失，方程本质上是一单相传输方程。 1 1 2 2 应用实例 s z e k e l y l l 9 】是首先模拟氩气喷吹钢包内钢液行为的学者，他使用 n a y i e r s t o k e s 方程和七一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，边界条件通过测定气液界面上的速度来确定。出 乎意料的是模拟结果与实际不符，原因是没有意识到气泡浮力是驱动钢液 流动的动力。后来经过研究，很多学者意识到了这一点。萧泽强1 2o j 提出“全 浮力模型”，对这一问题进行了更清楚的阐述。气泡浮力被确定为钢包底吹 精炼的力源后，正确描述喷嘴上方气液两相区的结构就成为数学模拟须首 先解决的问题，目前较流行的是实验关系式。朱苗勇1 9 】应用实验关系式的 模拟结果表明：圆台形钢包单喷嘴喷吹时，喷嘴布置( 1 3 1 2 ) r 范围 内，包内混合效果最好；多孔喷吹有利于包中金属熔池的均匀化，但同时 6 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 也削弱了流场的搅拌动能。 数值模拟除了研究流场外，还可模拟气泡和夹杂物的行为。浦项工科 大学的张键 2 1 】等人提出了一个数值模拟用于研究底吹气体搅拌条件下钢 液中夹杂物的长大和去除问题，其模型假设：气泡是呈球形和刚性的，忽 略气泡的聚合和气泡间的相互作用，并假定夹杂物上浮至钢渣界面时及时 被顶渣吸收。研究表明：在气体搅拌条件下，湍流碰撞是夹杂物增长的主 要方式，而随夹杂物大小差异的增大，斯托克斯聚合对夹杂物的影响越来 越大；剃度增长主要发生在边界层中，尽管它对夹杂物增长的贡献小于湍 流碰撞，但在较弱搅拌条件下其影响是很重要的；布朗碰撞则主要发生于 形核的初期。王立涛 2 2 】等也对吹气搅拌条件下夹杂物的长大和去除进行了 模拟研究，其假设与张键等人的相同，结果表明直径巾2m m 的气泡对夹杂 物的去除效果显著，而通常的钢包底吹氩产生的气泡处于1 0 2 0 f i l m 之间， 不能使小夹杂物有效去除。k u l k a r n i 2 3 1 研究表明：单喷嘴钢包底吹中，有 诸多影响气泡直径的因素，包括喷孔的直径及布置方式、喷吹速度、表面 张力、密度等；气泡在钢液内主要受浮力、曳力、表面张力、重力、升力 的影响，在实际生产过程中氩气泡最小直径为中8m m 。 在实际生产中出钢口处易形成旋涡最终会污染钢液，故出钢操作也是 影响钢液纯净度的重要因素。研究证实【24 1 ，形成旋涡时钢液液面距钢包底 部的高度随f 。j 。和p 。p 。l 比值的增大而增大。s a n k a n a r a y a n 【2 5 】 研究表明，出钢口直径和钢包直径比( 口) 是形成旋涡的关键因素，此比 值大小与形成旋涡时的高度成正比。d a v 儿a 1 26 j 利用v o f 多相流模型模拟了 出钢过程中钢液流场和旋涡的形成过程。结果显示：温度对旋涡形成时的 高度影响很大，旋涡形成时先形成很小的逆时针流动，而后转变成较大的 顺时针流动，在某一高度上存在着速度转折点。 以上学者都是利用数值模拟的方法来研究钢包内的冶金过程，从其研 究中可发现这些研究都建立在一些假设的基础之上，这必然与实际造成一 定的偏差，所以如何完善描述实际过程的数学模型是研究工作者必须解决 的关键问题。 1 1 2 3 发展方向 钢包炉数值模拟的发展方向：在模拟钢包喷吹体系中，均相流模型 虽取得较好的结果，但得到的只能是流场在长时间内的平均值，不能预示 7 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 流场的脉动，所以它代替不了多相流模型，用多相流模型来研究钢包底吹 将是今后的主流。在多相流模型中，瞬态e u l e r l a g r a n g e 模型是最理想 的模型，但受计算能力的限制，很少应用此法研究钢包喷吹系统。稳态 e u l e r e u l e r 是替代瞬态e u l e r l a g r a n g e 的很好方法，特别是在工程上对 某些结果要求不是很严格的情况下，应用稳态e u le r e u l e r 方法往往可满 足需要。随着计算机技术的发展，用瞬态e u l e r l a g r a n g e 方法研究流场瞬 时变化是今后的发展趋势。气泡的形成机理很复杂，有很多学者用不同 的方法来模拟这一过程，k u l k a r n i l 2 3 1 在其论文中进行过详细讨论。这些方 法在一定程度上都与实测结果相符，但是这些模型不能直接应用于钢包喷 吹体系中，因为这些模型建立在空气一水的体系之上。二者之间存在差异， 如钢液一氩气体系的表面张力是空气一水的1 6 倍，钢液密度是水的7 倍，这 些性质上的差异会导致模拟结果的失真。研究表明1 2 7 1 ，在相同的吹气量 条件下，钢液中的氩气泡直径比水中的气泡要大得多。所以如何建立适合 于钢液一氩气体系的气泡形成模型还有待进步研究。在气泡和夹杂物行 为的描述上，很多模型忽略了气泡或夹杂物在传输过程中的分裂或聚合， 把其看成是刚性的球体，并忽略气泡或夹杂物在渣钢界面上一系列复杂变 化。v i n c e n t ”】把气泡和夹杂物行为分为传输到钢渣界面、界面形成金属 液膜、液膜破裂和渣层吸收4 个阶段，这些微观上的变化目前还没有有效 的数学模型来描述，这也将是今后要深入研究的课题。 数值模拟作为一门理论分析技术虽然有着不完善的地方，但它表现出 来的潜力正越来越受重视。随着数值计算科学的不断发展，数值模拟技术 会逐渐趋于完善，从而在真正意义上变为一种具有可实现性且真实可信的 研究方法。 1 。2l f 钢包炉数值模拟研究现状 朱苗勇【2 “”】等人在吹氩钢包中，应用针对冶金反应器自主开发的三维 适体t p s - 3 d 计算软件来研究吹氩搅拌的冶金效果。模拟中：在自由表面 上，平行于该表面的速度分量及所有标量的梯度设为零；在固体壁面，对 于平行壁面的速度分量、压力和浓度采用无滑移边界条件；近壁区采用壁 面函数。计算结果表明：单喷嘴喷吹时，当喷嘴布置在距包内1 2 r 处时， 混合效率最高，其混匀时间比其它偏心方式布置要短；多喷嘴操作中，以 双喷嘴居多，而且布置在两相互垂直直径线上1 2 r 处( 夹角9 0 。) 混合效 一8 一 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 果最好，因为可形成较大区域的循环回流，这与单喷嘴相似。 任三兵、陈义胜】等人，应用n s 方程和k 一占双方程模型以及含气 泡率模型对宝钢3 0 0 t l f 钢包炉底吹氩时钢液的循环流动进行了模拟。在模 拟中假设：气泡浮力是钢液循环流动的主要驱动力；气液两相区采用均单 相模型，含气率由经验关系式确定：忽略了气相与液相间的剪切力；忽略 表面渣层的影响。研究表明：偏心喷吹比中心喷吹混合时间短，混合效果 好；偏心喷吹时，喷嘴布置在i 3 r 到1 2 r 之问为最佳；在喷吹过程中存 在一临界吹气量，在这一吹气量下，熔池“死区”( 钢液速率很小的区域) 比率为最小。 郭长庆【3 2 】根据相似原理，应用物理模拟与数学模型相结合的方法研究 了4 0 t l f 钢包炉水模型有顶渣时熔池的流场。计算结果表明：有顶渣时熔 池流场与无顶渣时熔池流场一样具有循环流动特点，流场的分布方式与无 顶渣时流场基本相同；增加吹气流量、降低熔池深度、减小渣层厚度等增 加循环流量的因素会使流场的稳定性增加，“死区”减小：熔渣以波动方式 运动，波动的幅度随径向距离的增加而减弱。 张东力等人【3 列针对l f 钢包炉中影响熔池混合行为的电弧现象进行了 理论分析和物理模拟试验。结果表明，电弧对l f 钢包混合行为的作用主要 表现在其对底吹气体搅拌的影响程度。底吹气体量越大，电弧的阻碍作用 越明显。中心底吹的情况下，电弧造成的阻碍正好处于钢液面隆起区的边 缘附近，延缓了钢液由中心隆起区向四周扩散的速度，宏观表现为延长了 混匀时间。偏心底吹时，液面隆起区与电弧形成的凹坑之间的相交部分比 中心底吹时要小，所以偏心底吹时，电弧对搅拌的影响较弱。 成国光 3 4 1 等人采用f r 和w e 准数相似，在水模型基础上，研究了钢包 内卷渣现象的过程和机理。经研究认为，熔渣破碎进入钢液相是受到三种 力作用的结果，它们分别是流体流动产生的惯性力、渣一钢界面张力和两 相密度差，这个观点被很多学者认同。j o n s s o n ”】应用w e = 1 2 3 作为描述 卷混过程的决定性准数，对渣金界面流动状态进行了仿真计算，定量分析 了卷混现象。计算结果表明，在喷吹过程中存在一临界吹气量，在这一吹 气量附近w e = 1 2 3 ，一旦超过临界吹气量就会发生卷渣现象。 此外，还有很多学者采用不同的方法从不同的角度对l f 钢包炉进行模 拟研究，其结论与以上学者基本相同，在此不一一赘述。 9 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3f l u e n t 软件简介 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它是继 p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一 6 2 1 。 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包 括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形 的流动，甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根据解的具体情况对 网格进行修改。f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可读入多种c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可用于二维平面、 二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定 常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分 析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、 多孔介质分析等。它的湍流模型包括k 一占模型、r e y n 0 1 d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函数、双层近壁模型等。f l u e n t 可让用户定义多种边界条 件，如流动入口及出口边界条件、壁面边界条件等，可采用多种局部的笛 卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随空间和时间变化，包 括轴对称和周期变化等。f l u e n t 提供的用户自定义程序功能，可让用户自 行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源项，自 定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程和多孔介质模 型等。f l u e n t 是用c 语言写成，可实现动态内存分配及高效数据结构，具 有很大的灵活性与很强的处理能力。此外，f l u e n t 使用c 1 i e n t s e r v e r 结 构，它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。 f l u e n t 可以在w i n d o w s 2 0 0 0 x p 、l i n u x u n i x 操作系统下运行，支持并行 处理。 f l u e n t 广泛用于航空、汽车、透平机械、水利、电子、发电、建筑设 计、材料加工、加工设备、环境保护等领域，以f l u e n t 6 为例，其主要的 模拟能力包括： 用非结构自适应网格求解2 d 或3 d 区域内的流动； 不可压或可压流动； 稳态分析或瞬态分析； 无粘、层流和湍流； 1 0 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 牛顿流体或非牛顿流体； 热、质量、动量、湍流和化学组分的体积源项模型； 各种形式的热交换，如自然对流、强迫对流、混合对流、辐射热传 导等； 惯性( 静止) 坐标系非惯性( 旋转) 坐标系模型： 多重运动参考系，包括滑动网格界面、转子与定子相互作用的动静 结合模型； 化学组分的混合与反应模型，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型； 粒子、水滴、气泡等离散相的运动轨迹计算，与连续相的耦合计算； 相变模型( 如熔化或凝固) ； 多相流； 空化流； 多孔介质中的流动； 用于风扇、泵及热交换器的集总参数模型； 复杂外形的自由表面流动。 1 4 本论文的研究内容 冶金工业中，钢液的流动状态对产品的质量有着重要的影响，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。利用 实验测量的方法所得到的实验结果虽然很真实，但是实验往往受到环境扰 动、人身安全和测量精度的限制，因此很难通过实验方法得到可靠的结果。 此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困 难。随着计算机和数值计算技术的不断发展，利用数值模拟来研究冶金过 程的方法逐渐发展、兴盛起来。该方法可以得到及其复杂问题的流场内各 个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这 些物理量随时间的变化情况。但是数值模拟也有一定的局限性，因为数值 解法是一种离散近似的计算方法，存在一定的计算误差，而且它不像物理 模型实验一样，一开始就能给出流动现象并定性地描述，还由于程序编制 上的限制，这样可能导致计算结果的不真实。所以在研究中，应该将数值 模拟和实验研究相结合。 本论文对国内某钢铁厂4 0 t l f 钢包冶金过程进行研究。该企业生产实践 中，吹氩操作存在盲目的现象，导致钢水成分、温度均匀性较差，操作过 辽宁科技大学硕士学位论文 第一章绪论 程不稳定，生产效率很低；在出钢时，因钢包中钢液温差较大，