（钢铁冶金专业论文）lf炉钢包流场优化模拟研究.pdf

、 t ； ， 气h j l at h e s i si nf e r r o u sm e t a l l u r g y l u l li iii l li l li l l l1 111 1 1 1 1 1 1 l y 1716 6 8 4 s t u d yo n f l o wf i e l do p t i m i z a t i o no f l a d l ef u r n a c e b y l i us h i w e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry uj i n g k u n n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 匹辱 一0，一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：匕 思0 学位论文作者签名：翻海敏 日 期：抄7 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 厂玎 0 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：叫强权 签字日期：却1 7 3 导师签名： 签字日期： 咖 呻7 - 多 | 一 吧 。j l f 炉钢包流场优化模拟研究 摘要 炉外精炼作为生产洁净钢的重要环节之一，近年来受到普遍重视。目前，炉外精 炼研究方法，主要是数学模拟和物理模拟。本文结合国内某钢厂1 5 0 t 椭圆形精炼钢包 的实际情况，利用水模型和数学模型模拟，系统研究了l f 底吹氩过程中钢液的流动行 为，确定了底吹氩钢包的最佳喷嘴位置和适宜的喷吹量，优化了钢液流动状态，从而 为连铸生产的顺利进行提供技术上的支持。 本文首先基于相似原理，通过水模实验，考察了供气量和供气位置对流场、混匀 时间以及卷渣的影响。在此基础上，数学模拟采用f l u e n t 商业软件进行数值计算，采 用修正后的n a v i e r s t o k e s 方程和1 c - 双方程建立数学模型，应用三维数值模拟研究了 l f 吹氩过程中钢液的流动行为，与水模实验相互验证，最终确定了钢包的最优配置。 实验结果表明： ( 1 ) 底吹氩流场满足全浮力模型。单孔喷吹的最佳位置是包底长轴o 6 r 处，双孔 喷吹的最优化喷嘴位置在包底径向o 6 r 处，夹角1 2 0 0 。双孔喷吹与单孔相比较而言， 搅拌速度较为均匀，混匀时间较短。考虑到生产的实际情况，认为原喷嘴即o 5 6 r 处 单孔喷吹布置比较合适； ( 2 ) 单喷嘴吹氩最佳吹气量为2 5 m 3 h ，双喷嘴最佳吹氩气量为3 0 m 3 h d 在该吹 气量下，熔池搅拌效果较好，弱流区所占比率较少，混匀时间较短； ( 3 ) 随底吹气量的增加，卷渣现象加剧，临界卷渣气量为3 0 m 3 h - 1 ； ( 4 ) 随着顶渣层厚度的增大，软吹气体流量需随之增大。软吹临界气体流量应控 制在4 m 3 h 。1 以下为宜； ( 5 ) 数学模拟与水模拟实验结果基本一致。 关键词：l f 精炼；钢包；底吹氩；水模型；数学模型 i i - 懈+ 一 吁i：。， 一 广 s t u d yo n f l o wf i e l do p t i m i z a t i o no fl a d l ef u r n a c e a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm e t a l l u r g i s t sp a i dc l o s ea t t e n t i o nt o s e c o n d a r yr e f i n i n g ，f o ri t ss i g n i f i c a n te f f e c to nt h ep r o d u c t i o no fp u r i t ys t e e l a tp r e s e n t ， m e t a l l u r g i s t sa l w a y su s et h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d st oi m p r o v et h e r e f i n i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h e 15 0 tl fo fad o m e s t i cs t e e lp l a n tw a su s e da st h e p r o t o t y p et oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e l t h ea r r a n g e m e n to fn o z z l e s w a so p t i m i z e da n dt h eb e s ti n je c t i o nr a t ew a sa c h i e v e db ys t u d y i n gt h ef l o wb e h a v i o ro f a r g o nb o t t o mb l o w i n gl a d l e t h eo p t i m i z a t i o ni se x p e c t e dt op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tt o c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o n t h ew a t e rm o d e lw a ss t u d i e do nt h eb a s eo fs i m i l a r i t y t h e o r y i nt h ew a t e rm o d e le x p e r i m e n t ，f l o wf i e l d ，m i x i n gt i m ea n ds l a ge n t r a p m e n tw e r e i n v e s t i g a t e di no r d e rt od e t e r m i n et h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n a d d i t i o n a l l y , t h ep r o p e r t i e so f t h ef l o wf i e l dw e r es t u d i e db yu s i n gam a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi sb a s e do nt h e n a v i e r - s t o k e se q u a t i o na n dk 一( 2 e q n ) c a l c u l a t e db yf l u e n t ，t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a sa p p l i e d a c c o r d i n gt ot h ew a t e rm o d e la n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ，t h e o p t i m i z e ds t r u c t u r eo ft h el a d l ew a sf i n a l l ya c h i e v e d t h ef l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ( 1 ) t h ef l o wf i e l df i tp l u m em o d e l f o rs i n g l en o z z l e ，t h eb e s ts t i r r i n ge f f e c tc o u l db e o b t a i n e db yt h eo p t i m i z e da r r a n g e m e n to f0 6 r ( 1 0 n g e ra x i s ) a w a yf r o ml a d l ec e n t e r f o r d o u b l en o z z l e s ，t h eb e s ts t i r r i n ge f f e c tc o u l db eo b t a i n e db yt h eo p t i m i z e da r r a n g e m e n to f 12 0 。a n g l ea n d0 6 ra w a yf r o ml a d l ec e n t e r u n d e rt h es a m eg a sb l o w i n gq u a n t i t y , b e t t e r m i x i n ge f f e c tc o u l db eo b t a i n e db yd o u b l en o z z l e s c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h eb e s ts t r u c t u r eo ft h el a d l ew a ss i n g l eb l o w i n ga to 5 6 r ( t h es a m e a st h ep r o t o t y p e ) ( 2 ) t h eb e s ts i n g l ei n j e c t i o nr a t ew a s2 5 m 3 h - 1 ，a n dt h eb e s td o u b l ei n j e c t i o nr a t ew a s 3 0 m 3 h ，i nt h a tc o n d i t i o n ，b e t t e rb a t hs t i r r i n g ，l e s sm i x i n gt i m ea n dl e s sl o ws p e e df l o w r a t ec o u l db eo b t a i n e d i i i j ( 3 ) t h es l a g e n t r a i n m e n tb e c a m ei n t e n s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fg a sf l o w r a t e c o n s i d e r i n gt h es l a ge n t r a p m e n t ，t h ec r i t i c a lg a sf l o w r a t ew a s3 0 m 3 h ( 4 ) t h eq u a n t i t yo fs o f tb l o wi n c r e a s e dw i t ht h et o ps l a gl a y e rt h i c k n e s s ，a n dt h e c r i t i c a lg a sf l o wr a t ef o rs o f tb l o wi s4 m 3 h - 1 ( 5 ) t h er e s u i t so fm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n a n dw a t e rm o d e l i n gw e r eb a s i c a l l y i d e n t i c a l k e yw o r d s ：l fr e f i n i n g ；l a d l e ；b o t t o ma r - b l o w i n g ；w a t e rm o d e l ；m a t h e m a t i c a l肆 s i m u l a t i o n i v t+。0厂 口三王 i = l 冰 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 前言1 1 2 研究目的和意义2 1 3 研究内容4 第2 章文献综述5 2 1 炉外精炼概况5 2 2 国内炉外精炼情况5 2 3 钢包底吹氩工艺简介7 2 3 1 吹氩精炼工艺的作用一7 2 3 2 吹氩精炼工艺的原理8 2 3 3 熔池搅拌功分析1 0 2 4l f 钢包底吹氩研究方法11 2 4 1 数学物理模拟方法简介1 1 2 4 2 数学模拟研究技术的现状1 2 第3 章钢包内流场混匀行为水模实验1 5 3 1 实验原理1 5 3 1 1 几何相似1 5 3 1 2 动力学相似1 7 3 2 实验装置1 8 3 3 实验方法18 3 4 实验方案1 9 3 5 实验结果分析与讨论。2 0 3 5 1 单喷嘴底吹气体流量、喷嘴位置对混匀时间的影响2 0 3 5 2 双喷嘴底吹气体流量、喷嘴位置对混匀时间的影响2 2 v 壅i 垦盘鲎塑鲎焦逾塞 旦垂 3 5 3 单喷嘴与双喷嘴对混匀时间影响对比2 4 3 6d 、结2 5 第4 章钢包内卷渣行为研究2 7 4 1 卷渣机理2 7 4 2 渣金界面相似条件的确定2 8 4 3 实验方法。2 9 4 4 底吹气量对卷渣的影响2 9 4 5 单、双喷嘴对卷渣的影响3 2 4 6 顶渣厚度对卷渣的影响3 2 4 7 小结3 4 第5 章底吹氩钢包流场的数学模拟3 5 5 1 数学模拟基本原理3 5 5 1 1 控制方程3 5 5 1 2 流场计算方法的选择3 7 5 2 数学模型的建立3 8 5 2 1 基本假设3 8 5 2 2 边界条件设定3 8 5 2 3 网格划分结果3 8 5 3 数学模拟结果与分析3 9 5 3 1 流场分析3 9 5 3 2 性质分析4 5 5 4 小结一5 0 第6 章结论5 1 参考文献5 3 致谢。5 7 v i r 1 1 前言 第1 章绪论 由于世界各国国防、交通、石油和天然气等行业的发展和技术的进步，对钢材性能 的要求日益苛刻，为能适应高强度、长寿命、耐腐蚀、在恶劣环境下工作的需要，对纯 净钢( p u r i t ys t e e l ) 或洁净钢( c l e a ns t e e l ) 的需求越来越多，使炉外精炼手段受到关注【l 】。 l f ( 钢包精炼炉) 精炼法是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 炉因其设备投资少，精炼效果明显而发展很快【2 】。它的出现满足了电炉生产率的飞跃提 高和用户对钢铁产品高质量、高可靠性的要求，更为主要的是适应连铸工序的需要。它 的主要特点是精炼过程在钢包内保持非氧化性气氛，从钢包底部进行吹气搅拌，使钢液 连续循环流动，从而使钢包内钢液温度、成分偏差极小，有效控制产品质量特性的波动， 以达到精确控制成分的目的。精炼过程主要是利用氩气泡的上浮驱动钢液进行循环流 动来实现脱碳、脱气等主要冶金反应【3 】。因其具有脱气、均温、微调成分及合金化等 多种功能，近年来受到各国冶金企业的关注【4 】。 钢包底部吹氩搅拌是l f 钢包精炼炉的主要精炼功能之一。通过底吹氩，强化钢 包熔池的搅拌，增大钢渣之间的反应面积，造成钢渣乳化、夹杂物颗粒随气泡上浮、 碰撞、聚合，从而有利于钢渣之间的化学反应，加速钢渣之间的物质传递，有利于 钢液脱氧、脱硫反应的进行，以及钢液中非金属夹杂物，特别是对a 1 2 0 3 类型夹杂物 的上浮去除。此外，吹氩搅拌也可以加速钢液温度、成分的均匀，能精确地调整复杂 的化学组成，满足优质钢的冶炼要求。 由于实际精炼环境恶劣，不便于实验观测，目前对底吹氩流场的主要研究方法有 示踪法、物理模拟法和数值模拟法。2 0 世纪7 0 年代以来，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【5 】。近几十年来，冶金工业者对l f 许多方面( 如：气液两相区的处理、 钢液的循环流量、脱碳、脱氢、脱氮、脱硫的模型，以及钢包流场、温度场和浓度场 等) 通过多种方法( 如：理论分析、水模实验、现场测定、数学模型等) 进行了研究，取 得了大量的研究成果。 1 2 研究目的和意义 随着国内外市场的需求，工业上对钢材产品的质量要求越来越高，特别是对钢中 有害元素硫的含量限制更加严格。硫对钢的性能会造成负面影响，钢中硫含量过高， 会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性；硫还会明显降低钢的焊接性能， 引起高温龟裂，并在金属焊缝中产生许多气孔和疏松，从而降低焊缝的强度；此外， 硫化物在钢中的偏析是连铸坯产生裂纹的重要原因之一，也是影响连铸坯合格率的关 键因素【6 1 。实际应用中，如石油管、天然气输送管、海上采油平台用钢等，要求钢材 具有更好的均匀机械性能和更高韧性，因此限制钢中硫含量低于5 0 p p m 。解决钢水的 含硫问题已经成为保证钢材质量的关键环节之一。 据调查，氩气搅拌对促进脱硫有一定的影响。日本钢管公司为了稳定生产低硫钢， 在相同炉渣组成的条件下研究了氩气搅拌动能对脱硫速率的影响，当氩气流量由 1 0 2 m 3 h 1 提高到4 8 m 3 h 。1 时，脱硫反应大幅度提高( 从0 0 0 2 m s 1 提高到o 0 0 4 m s 。1 ) ， 在此基础上配合炉渣组成的控制脱硫率达到8 0 9 0 ，实现了 s 】5 5 1 0 q 的低硫钢的 批量生产。神户制钢在低硫钢的生产中也比较了不同氩气流量对脱硫率的影响，见 图1 1 。 图1 1 精炼氩气流量对脱硫的影响【7 1 f i g 1 1r e f i n i n ga rr a t e se f f e c to nt h es u l f u r 2 - 壅皇垦盘鲎亟鲎焦逢塞笠! 童缱迨 基于以上研究，现代冶金工艺多采用钢包底吹氩炉外精炼技术以实现对钢水的搅 拌除杂。为了获得较好的精炼效果，最大限度的净化钢液，提高钢液洁净度，国内外 冶金工作者就如何改善钢包内钢液流动特性，提高其精炼功能进行了诸多研究工作。 综合国内外研究结果可以看出，钢包吹气搅拌操作的关键是在最佳的气体流量条件下 达到最短的混合时间和最大的外加合金利用率。当前解决这一问题的主要措施集中在 合理的吹氩喷嘴布置方式及最佳吹气量的确定两个方面。 除此之外，在生产实践中，往往会发现在不正常的喷吹操作下，钢中因顶渣卷混 而出现等于或接近顶渣成分的大颗粒夹杂物，钢质反被污染。这是由于钢包喷吹的渣 金界面，属于不互混分层流，渣层覆盖在钢液上面，会防止钢液直接接触空气而发生 二次氧化，同时也起到保温作用。但当界面上钢液的流动速度超过一定值时，渣层就 会以液滴形式卷入钢液中，从而形成夹渣，造成钢液面的裸露，污染钢液。可见，研 究钢液的卷渣机理，选择正确的吹氩参数，是十分必要的。 目前关于钢包底吹氩的实验和计算都是以圆柱钢包或圆台钢包为模型。而实际应 用中存在着横截面为椭圆形的钢包。设计者之所以采用这种形状是因为耳轴的扁平部 分可以提高钢包的容积，并不需改变昂贵的现有吊车悬梁。同时，椭圆形钢包又适合 于熔炼车间和连铸机的建筑学结构【8 】。以实际应用的椭圆形钢包模型进行实验研究具 有客观的实际意义。 本研究以国内某公司1 5 0 t l f 椭圆形精炼钢包为原型，对其底吹喷嘴位置、底吹气 体流量等工艺操作参数进行优化研究，以提高其精炼效果。对钢包底吹氩进行研究， 用以指导制订钢液吹氩搅拌的工艺措施及操作标准，减少钢中有害物质和成分偏析， 均匀钢液温度，这对品种钢的开发，实现高效连铸和提高产品质量，具有十分重要的 意义。 目前的研究状态下，数模和水模存在各自的误差和局限性，单一的实验结果已经 不足以论证实际情况，为保证实验结果的真实性，数模和水模相结合的实验方式是十 分必要的。 通过本研究达到以下目的：优化设计后的钢包，包内的钢水要有较好的流态，在 保证尽可能少的混匀时间基础上，减小死区体积分率，以及促进夹杂物的上浮去除， 从而提高除杂效果；合理布置底吹喷嘴位置，确定最佳吹气量。确定顶渣厚度和吹氩 量对卷渣的影响。 3 盘i 垦盘堂亟鲎焦逾盘箜! 童缱迨 1 3 研究内容 本课题中l f 炉原型为椭圆形圆台，水模实验模型与原型比为1 ：4 5 。 本论文采用c f d 商业软件f l u e n t6 3 在p c 机上完成，p c 机为双核1 8 g h zc p u ， 内存为2 g 。 由于目前模拟计算的局限性，计算结果有可能失真，本论文中采用数学模拟和水 模实验相结合的方式研究底吹氩现象及性质。 论文主要研究内容有： 课题的实验流程：首先提出实验方案，建立物理模型和数学模型，通过水模实验 和f l u e n t 软件计算得到流场的直观状态，分析流场性质规律，获得混匀时间及流场状 况，分析钢包的流动特征，得到最佳方案。通过数模和水模的分析比较，证明实验方 案设计的合理性，并最终确定最佳喷嘴位置，喷吹量及临界卷渣气量。 具体研究内容包括： ( 1 ) 对于单、双喷嘴喷吹，确定不同喷嘴位置对流场性质及混匀时间的影响； ( 2 ) 对于单、双喷嘴喷吹，确定不同喷吹量对流场性质及混匀时问的影响； ( 3 ) 按照实验方案进行水模实验，并与数模结果对比分析； ( 4 ) 确定最佳喷嘴位置和喷吹量； ( 5 ) 确定临界卷渣气量。 4 2 1 炉外精炼概况 第2 章文献综述 随着炼钢技术的不断进步，炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位，传统 的生产流程( 高炉一炼钢炉( 电炉或转炉) 一铸锭) ，已逐步被新的流程( 高炉一铁水预处 理一炼钢炉一炉外精炼一连铸) 所代剖9 1 。 上世纪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，这个时期， 炉外精炼技术的发展发生了三方面的根本变化。 ( 1 ) 钢水精炼已成为大部分品种钢生产和质量全面提高的不可或缺的手段。 ( 2 ) 由于连铸生产的发展，钢水精炼技术不仅可以减少磷、硫等有害元素，氢、 氧、氮等有害气体以及由它们生成的夹杂物，使连铸坯生产工艺稳定，更重要的是能 够减少工艺与质量事故( 有的品种甚至不经过精炼，根本不能进行连铸) 。实际生产中， 精炼技术协调生产节奏，优化衔接炼钢、连铸的关键作用越来越显著，也就是说，炉 外精炼的迅速发展，在很大程度上是适应了连铸生产飞速发展的需要，并反过来确实 促进了连铸生产的优化。 ( 3 ) 炉外精炼正式形成了真空和非真空两大系列不同功能的系统技术。 进入8 0 年代以来，炉外精炼技术已成为现代钢铁生产流程水平与钢铁产品高质量 水平的标志之一，它的发展也朝着功能更全，效率更高，冶金效果更佳的方向迅速完 盖 1 0 l 口 。 目前，钢铁行业公认并被广泛应用的炉外精炼方法有l f 法、r h 法、v o d 法三 种。l f 炉外精炼技术具有以下工艺优点：一是电弧加热效率高，升温幅度大，控温准 确度可达4 - 5 。c ；二是具备搅拌和合金化的功能，吹氩搅拌易于实现小范围合金成分控 制，可提高产品的稳定性；三是设备投资少，精炼成本低，适合生产超低硫钢、超低 氧钢【l l 】。上述优点使得l f 炉外精炼技术成为目前应用最为广泛的炉外精炼技术。 2 2 国内炉外精炼情况 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， 5 壅宴垦太鲎塑鲎焦迨塞筮2 童塞然绫鲨 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 1 2 , 1 3 。 国内精炼设备统计【1 4 】如图2 1 所示。 o 2 0 l 1 2 0 主要精炼数量台 图2 1 国内精炼设备统计 f i g 2 1t 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 从上图中可以看出国内炉外精炼目前以l f 炉外精炼为主。2 0 0 0 年6 月，鞍钢第 一炼钢厂新建的连铸车间正式投产，精炼设备引进了两座l f 钢包精炼炉。2 0 0 8 年1 0 月1 6 日中冶赛迪签订宝钢1 5 0 t l f 炉设备成套项目合同。2 0 0 8 年1 2 月2 4 日，武钢股 份公司c s p 厂l f 炉试车成功。钢包精炼炉已成为各大钢厂必备的精炼设备。 l f 炉外精炼基本工艺如图2 2 所示： 图2 2l f 基本工艺示意图 f i g 2 2l a d l ef u m a c eb a s i ct e c h n o l o g y 6 焉纛兰 锥辎蝼舔州 i r ， 壅a 垦盘鲎亟鲎焦途耋箜2 主耋然绫姿 由图2 2 可知，吹氩工艺是l f 钢包精炼炉的主要精炼功能之一。 2 - 3 钢包底吹氩工艺简介 钢包吹氩精炼工艺可以说是最早的钢水炉外精炼工艺，也是使用最普遍和成本最 低且最具生命力的一项技术。钢包吹氩精炼最初由专门的吹氩站进行，采用瓶装氩气和 专用顶枪进行钢水吹氩搅拌，广泛应用于转炉、电炉、平炉等初炼炉的钢水炉外精炼， 基本能达到均匀钢水成分和温度、去除夹杂物的目的。随着精炼技术的发展和进步， 管道氩气的使用保证了吹氩气源的使用量和稳定性，钢包透气砖的发明及其在工业化 大生产中的运用，使得搅拌更均匀稳定，氩气消耗更低的钢包底吹氩工艺( 图2 3 所示) 很快代替了顶吹氩工艺。 钢包 图2 3 钢包底吹氩精炼示意图 f i g 2 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fl fe q u i p m e n t 2 3 1 吹氩精炼工艺的作用 ( 1 ) 减少钢中有害气体 氢、氮、氧是钢中的有害气体，当它们含量高时，会造成钢中气孔、白点、裂纹、 夹杂等缺陷，严重影响钢材的机械性能，甚至会造成产品的报废，因此必须严格控制 钢中有害气体含量。在吹氩过程中，每个氩气泡中氮、氢、氧的分压为零，相当于一 个小真空室，这样可促使溶解在钢中的这些气体析出并进入氩气泡内，随气泡上浮而 被带走。有资料显示，国外钢包吹氩脱氢可达1 8 2 2 ，脱氧3 2 3 3 ，脱氮1 6 。国 内有些工厂报道的去除率更高。 7 壅! 垦盘堂塑堂焦逾盘筮2 室塞然绽姿 ( 2 ) 减少央杂 钢中夹杂会降低钢的塑性、韧性和强度，还会使钢产生裂纹。 吹氩精炼工艺的主要作用之一就是去除钢液中的夹杂物。钢包吹氩处理钢水，氩 气泡具有类似浮选剂的作用，即通过钢液循环将非金属夹杂物带至表面。同时，吹氩 搅拌钢水，可促进细小氧化物质点、脱氧产物及其它非金属夹杂物之间的碰撞。小质 点聚集长大，被氩气泡吸附上浮，大质点被碰撞破碎，大部分随氩气泡排出，没有来 得及上浮的细小质点也均匀分布使钢质得以改善。 ( 3 ) 均匀钢包内的钢水温度，使各期钢水温度和工艺操作稳定 连续铸钢要做到高速优质，钢水温度是个很重要的参数。在未采用钢包吹氩时， 各炉钢水温度往往差异较大，而且每炉钢水温度也很不均匀。若不能有效地控制钢水 温度，不仅给连铸操作带来很大困难，而且会影响铸坯质量。还有可能造成水口堵塞 和拉漏等事故。在吹氩过程中，无数气泡因受热膨胀而快速上浮，带动钢水上下搅动， 使整个钢包内的钢水温度达到均匀。 吹氩对均匀钢水温度的效果是比较显著的，它基本上满足了连铸生产对钢水温度 的要求，为稳定操作，保证质量创造了有利条件。由于吹氩可消除浇注中期的温降峰 值，使钢液温度均匀，这为稳定连铸操作提供了条件。当出钢温度偏高( 在一定范围内) 时，可在吹氩时加入一定数量的清洁废钢降温，以调整到连铸所要求的温度范围。 ( 4 ) 均匀钢水成分，减少铸坯纵向成分波动 钢液成分的均匀性直接影响产品的质量，严重的成分不均匀还会造成产品的报废。 氧气转炉车间一般都采用包内沉淀脱氧和合金化的工艺，因而，包内合金的混合经常 是不均匀的，未吹氩时，经常发现钢液在包内存在很大的成分梯度。采用钢包吹氩后， 由于氩气泡在钢液中迅速上浮，并带动钢液一起运动，产生强烈的环流，搅拌钢液， 使加入包内的合金脱氧剂与钢液混合趋于均匀【l5 。 2 3 2 吹氩精炼工艺的原理 如图2 4 所示，吹氩精炼工艺的原理是将具有一定压力的氩气通过吹氩喷嘴输送 到钢液中，形成气泡，气泡因浮力作用上浮，上浮过程中将钢水抽引并使之在气液区 内产生由下向上的流动。当气泡到达顶部时就转入水平方向并流向包壁，之后在包壁 附近向下回流，下部钢液被抽引至气液区内，如此循环流动形成环流。 一8 图2 4 底吹氩流场不恿图 f i g 2 4f l o wd i a g r a mo fb o t t o ma r - b l o w i n gl a d l ef u r n a c e 其中气液两相区和包内循环流场遵循全浮力模型。全浮力模型认为，钢包中主要 驱动力为气泡浮力；分散气泡的上浮呈自由随机分布，气液两相区内上升速度沿径向 变化遵守高斯分配定律；气体到达液面时与液体分离而进入大气，液体则在压力及惯 性作用下隆起；同时，上表面的压力不均引起液体的水平流动，形成熔池表面水平流。 以全浮力模型为理论基础，当气体喷吹进入钢液后，随气体量的不同出现如图2 5 所示情况：当气体吹入量很少的时候，对周围液体基本无影响；随气体流量不断增大， 气体以大量气泡形式离丌喷嘴，其初始动量影响不大，可忽略不计；气体流量增加到 一定程度后，形成一段气体射流，气体动量需要考虑；气体流量过大时，将形成喷溅。 尉倒倒 丑 b c d 图2 5 不同喷吹量时的流场示意图 f i g 2 5f l o wf i e l dw i t hd i f f e r e n ta m o u n to fb l o w i n g 9 盘i 垦盘堂亟堂焦逢童箜! 主塞哒绽姿 考虑到喷吹量对流场的影响，冶金生产中，钢包底吹氩吹炼过程要求喷吹的惰性 气体流量一般不超过6 0 m 3 h 一，即图2 5 中b 所示。 2 3 3 熔池搅拌功分析 吹氩的主要功能( 促进熔池中温度和成分的均匀) 是通过吹气搅拌完成的。熔池中 搅拌功的计算方法不一，本文主要采用文献中推导所得计算结果： 浮力做功除单纯的 浮力功被分为两部 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 。6 ， 一 涨脒人丫 、一一 阱 o ，o 壅皇垦盘堂塑堂垡迨塞箜! 童塞然绫姿 式中：匕一熔池上方压力( 帕p a ) ； q 广一熔池温度下p 。压力下气体的流量( m 3s 。1 ) ： 粤，熔池中液体密度( 埏m 。) 。 = f - h e a t = n r ( 瓦训学耘 q 4 ) 式中：瓦和瓦气体出1 2 温度和液体温度( k ) ； 玎单位时间内吹入气体的物质的量； r 气体常数，8 31 4 j m o l 4 k 。 除以上两种功外文献中还提到另外两种功： ( 3 ) 喷吹气体动能做功 ，哥：= 或。：j 1pg，。“。2；之，。：!：!：；：(：掣 c 2 5 ， 式中p g ，o ，皱，。为喷嘴处气体的密度( k g m 。3 ) 、速度( m s 。1 ) 和体积流量( m 3 s 一) 。 ( 4 ) 静压力膨胀作功 当喷吹气体的出口压力p o 大于出口钢水的静压力p l 时，将发生膨胀，若不考虑 温度影响，则 形：忘。：胛尺t bi n f f p l o1 ( 2 6 ) 耻钏尺l 丽j q 石 综上所述，钢包底吹氩的搅拌功可分为以上四部分考虑，但各部分对总的搅拌功 作用的大小随实际情况有所不同，实际计算时要乘以对应的系数。对于底吹氩钢包来 说，其气泡动能很大一部分消耗在喷嘴，并不是影响熔池搅拌的主要动力。影响熔池 搅拌的主要动力是气泡上升时所做的功，即w l 。 2 4l f 钢包底吹氩研究方法 由于l f 钢包底吹氩工艺现场情况复杂，不便于条件的改变和数据的测量，现今 对钢包底吹氩的研究多采用物理模拟与数值模拟相结合的方法替代现场的实际测量。 2 4 1 数学物理模拟方法简介 数学模拟因其操作简便，设计灵活，费用较少等特点，近年来成为冶金等工业研 壅a 曼盘鲎亟鲎焦迨塞笠! 童塞丛绫姿 究的重要手段。为保证数学模拟研究的正确性，数学模拟研究往往结合物理模拟进行， 学术界简称之为数学物理模拟研究，或数理模拟。 数学模拟是以计算流体动力学、计算传热学、计算燃烧学和冶金反应工程学的原 理为指导，用计算机直接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，通过数学分析，预报出流动、传热及燃烧过程细节的数值分析方法。 物理模拟则是通过物理模型和借助必要的测试手段，对所研究体系进行观察和显 示。通常根据相似原理建立物理模型，以本文所研究的钢包底吹氩模型为例，物理模 拟多应用以自来水代替钢水，以空气代替氩气而进行的水模拟，简称水模。 物理模拟的主要方法有： ( 1 ) 用电导率仪、测速仪、波高仪等仪器对流场进行定量测定 1 7 - 2 2 】； ( 2 ) 用染色体、示踪剂，采用摄影等方法对流场进行定性的测量 2 3 。2 6 1 。 2 4 2 数学模拟研究技术的现状 以计算流体力学为基础的数学模拟研究是与计算机的辅助软件技术发展密切相关 的。计算流体力学的应用软件，简称为c f d 2 7 1 ，目前已应用于航空、海洋、交通、环 保、气象、化工、冶金等工程领域。现今可应用于化工冶金过程分析的c f d 软件主要 有：p h o e n i c s 、s t a r c d 、f i d a p 、c f d s c f x 、f l u e n t 等。p h o e n i c s 是应用 抛物线、双曲线和椭圆性微分方程数值求解的应用程序。它的网格系统包括：直角、 圆柱、曲面、多重网格、精密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩 流进行模拟( 包括非牛顿流、多孔介质中的流动) ，并且可以考虑粘度、密度、温度变化 的影响。s t a r c d 主要应用非结构化网格的有限容积法计算，单元体可为六面体，四 面体，三角形界面的棱柱，金字塔形的锥体以及六种形状的多面体，在适应复杂区域 方面有特别优势。f i d a p 拥有良好的人机界面，是世界上第一套使用有限元的c f d 商业软件。c f d s c f x 于1 9 9 1 年进入市场，主要采用有限容积法，自动时间步长控 制，应用s i m p l e 算法，i c c g 、l i n e 、s t o n e 和b l o c k s t o n e 解法。使用了多块网格系 统，构建网格较快，具有滑移网格的功能，求解器内物理模型较多，通用性较好。 f l u e n t 软件目前在冶金工业应用最为普遍，是于1 9 8 3 年推出，使用结构化网格和 有限容积数值方法进行数值计算的软件，也是本文所应用的软件。 目前，对于冶金过程的数学模拟研究，大多数学者已经转向依赖商业软件进行模 拟计算。如何正确应用冶金过程本身复杂机理，如何正确描述源项和边界条件，如何 更好的提高体系仿真的程度和精度已成为当前研究的重点。钢包底吹氩的模拟由于其 1 2 壅皇垦盘鲎亟鲎焦迨塞笠2 童盎然绫堡 广泛的应用价值成为科学家研究的主要课题之一。 s z e k e l y 2 8 - 3 1 1 是首先模拟氩气喷吹钢包内钢液行为的学者，他提出气体与钢液之间 存在一种粘性力，是气液之间的摩擦作用促使钢液向上运动而引起循环流动。他使用 n a v i e r s t o k e s 方程和1 c 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，两相中气泡为球形，气泡从底部喷嘴不断向上运动，其作用相当于一个不 断向上运动的圆棒托动熔池流动进入循环，边界条件则是通过测定气液界面上的速度 来确定。然而由于模型的设定与实际相差太远，他的理论没有得到广泛的应用。这是 在计算中首次将流体力学的研究方法引入钢的精炼过程，其模型的假设和方程的应用 也为后来的研究奠定了基础。 d e b r o y 3 2 1 和m a j u m d a r 及g r e v e t 3 3 】等则是首先认识到气泡在钢液中所受的浮力是 驱动钢液流动的动力，为此，他们建立了均相流动模型。 前文中提到的全浮力模型是萧泽强等【3 4 】在1 9 8 0 年通过研究实际钢包和物理模型 中的流体流动现象总结提出的。在s z e k e l y 模型的基础上，提出了主要驱动力并非摩 擦力( 粘性力) 而是气泡浮力，并根据实际将气液两相区域定义为倒圆锥形，该模型认 为包内气泡上浮运动时，呈自由和随机分布，大气泡靠近流股中央，小气泡被推向外 围，周围液相介质从包底开始不断被吸卷进入流股形成全包范围内的循环流。其假设 成为目前模拟实验的基本原理之一。 在此基础上，s a h a i 和g u t h r i e 3 5 】发展了一个代数关系式，该关系式将操作条件与 气泡域参数及周围钢液流动参数关联起来。j o o 和g u t h r i e 3 6 】及李宝宽等将均相流动模 型推广到三维。c r o s s 和m a r k a t o s 了7 】则是首先采用两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验结果相差甚远。原因是事先不清楚气泡的直 径分布、分裂与合并行为及气泡与钢液的相互作用系数等参数。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 l 3 8 】发展了两流体模型，他们引进弥散普朗特数描述气液 两相问的质量交换行为，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。曲英等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