（流体机械及工程专业论文）rh真空精炼环流管参数对循环流动影响的模拟研究.pdf

ll 一黟孑 -1jl ； at h e r t h e d b yz h a n gy u s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rx d w a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 i l i 帑klr|i iri ，l 毫 -l1，j_一i， 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 明并表示谢意。 学位论文作者签名：强寻 日 期：胛，7 旷， 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。 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囤 一 学位论文作者签名：弘壹 导师签名：乏辫 ：鬈一： 签字日期：娜鑫叩盯签字日期：矽仍。 7 9 兀 o ，。 r卜i| h r l l t 东北大学硕士学位论文摘要 r h 真空精炼环流管参数对循环流动影响的模拟研究 摘要 r h 真空精炼装置的环流管参数直接影响了r h 精炼过程钢液的流动和冶炼的 效率，因此对环流管参数的研究和分析具有很高的学术价值和实际意义。同时， 采用c f d 软件进行计算机模拟，与传统的数学模拟，物理模拟和水模型实验，具 有其自身的优势：省力，省时，省钱。 本文主要利用c f d 软件f l u e n t 对r h 水模型进行流场模拟，研究和分析环 流管参数( 直径、插入深度，插入位置和间距等) 对装置内水的流动状态和环流 量的影响。 利用f l u e n t 前处理软件g a m b i t 对r h 精炼装置( 真空室、钢包和上升管) 进行三维建模，并且进行网格划分。在此基础上，利用数学和物理模拟的相关知 识，确定计算的数学模型和边界条件，用f l n e n t 对流场形态进行模拟，然后用 得到的模拟结果与实验水模型相对照，并加以讨论。 模拟结果表明，对特定真空室，存在一个最优化环流管直径，在此环流管直 径下，流体流速明显增加，循环流量增大，这有利于r h 装置内的混合、脱碳和 脱气；环流管偏心插入钢包时，在真空室底部、真空室及钢包钢液表面的下降管 处发现较大的漩涡，但对循环流量影响较小；减小环流管间距，真空室左侧壁面 的回流增强，循环流量减小；减小环流管插入深度，循环流量增大。在r h 设备 设计中，在不发生钢渣卷混的前提下，尽量减小环流管插入深度或增大环流管间 距可提高钢液循环流量。 上述模拟结果，可以定性确定环流管参数对钢液流动形态和环流量的影响， 对实际生产操作中进一步提高冶炼效率具有一定参考价值。但同时我们还应看到， 本研究仅单独考虑环流管参数对循环流动的影响，并不能完全反映整个装置的循 环流动行为；再有，由于时间和条件的限制，本文只做了两根环流管的模拟，后 续的研究工作可以关注多根环流管的模拟。 关键词：f l u e n t 模拟；r h 真空精炼；环流管；流场分布 i i ，2 lkpli a s t u d y o nt h es i m u l a t i o nf o r t h ef l u i df l o wi nr h r e f i n i n gp r o c e s su n d e r d i f f e r e n tp a r a m e t e r so fi m m e r s i o nt u b e s a b s t r a c t t h cc f ds o f t w a r e - 一f l u e n tw a s u s e dt os i m u l a t ct h en u i d f l o wi n h o m o g e n e o u sw a t e rm o d e li no r d e rt os t i i d yt h cc i r c u l a t i n gn o wf a t ew i t hd i f & r e n t p a r a m e t e r so fi m m e r s i o nt u b e s ，s u c ha st h ed i a m e t e r ， t h ei m m e r s i o nd e p t h ， t h e i m m c f s i o nl o c a t i o n ， t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et u b e sa n ds oo n t h ep a r a m e t e r so ft h c i m m e f s i o nt u b e sp l a yai m p o r t a n tp a r ti nt h ef l u i dn o w 柚d t h er e f i n i n ge f f e c ti nt h e p r o c e s s0 ft h er hv a c u u mr c f i n i n g ，s ot h es t u d yi sf u no fp r a c t i c a la n da c a d e m i cv a l u e a tt h es a m et i m e ， c o m p a r et ot h et r a d i t i o n a ls i m u l a t i o n s ，l i k et h eh o m o g e n e o u sw a t e r m o d e l ，t h ec f ds o f t w a r ei sa d v a n c e dw i t hl e s st i m e ，l e s sm o n e ya n d m o r ee f f i c i e n t l v t h es t u d ym a i n i yi n c l u d e ： c r e a t i n ga n dm e s h i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l0 f t h ev a c u u mr e f i n i n ge q u i p m e n tw i t ht h es o f t w a r c _ 一g a m b i t ； t h e nw i t ht h et h e o r vo f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dh o m o g e n e o u sw a t e rm o d e l ，s p e c i f y i n gt h cb o u n d a r y t y 西 a n dt h e nt 0s i m u l a t ew i t ht h cs o f t w a r e f l u e n t ； a tl a s t ，c o m p a r i n ga n d d i s c u s s i n g t h er e s u l t s0 ft h es i m u l a t i o nw i t ht h a t0 fh o m o g e n o u sw a t e rm o d e l t h er e s u l t s0 fs i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h e r em u s tb et h em o s to p t i m i z i n gd i a m e t e r o ft h ei m m e r s i o nt u b e si nw h i c hw i l li n c r e a s et h ec i r c u l a t i n gf l o wr a t ea n dt h er e f i n i n g e f f i c i e n t w h i l et h e ，i m m e r s i o nt u b e sa r el o c a t e de c c e n t r i c a l l y ， l a r g e re d d i e sa p p e a r n e a rt h ed o w n - l e gi m m e r s i o nt u b ea tt h eb o t t o m0 fv a c u u mc h a m b e r ， u n d e ff r e e s u r f a c e0 fv a c u u mc h a m b e ra n di nl a d l e ， b u tn 00 b v i o u se f ：f e c t0 nt h ec i r c u l a t i o nf 1 0 w f a t ew a so b s e r v e d w h i l et h ed i s t a n c eb e t w e e nt w 0t u b e si sd e c r e a s e d ， t h ec i r c u l a t i o n f l o wr a t ed e c r e a s e s ， a n dt h er e c i r c u l a t i o nn e a rt h el e f tw a l l0 ft h ev a c u u mc h a m b c ri s e n h a n c e d t h ec i r c u l a t i o nn o wr a t ei n c r e a s e sw h i l et h e d e p t ho fi n l m e r s i o nt u b e si n l a d l ei sf e d u c e d i no r d e rt oi n c r e a s et h ec i r c u l a t i o nf l o wr a t e ， e i t h e rr e d u c i n gt h e i m m e r s i o nd e p t h0 fi m m e r s i o nt u b e s0 ri n c r e a s i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e ni m m e r s i o n i i i h ：_ 弋 千 j 目录 声明。i 中文摘要ii a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 r h 精炼技术发展概况：1 1 2r h 精炼的工艺原理2 1 3r h 精炼过程的工艺特点3 1 4r h 精炼功能的扩展。4 1 4 1r h - o 真空吹氧技术4 1 4 2r h o b 真空吹氧技术- 5 1 4 3r h - k t b 真空吹氧技术5 1 4 4 r h 多功能喷嘴( m f b ) 7 东她大学硕士学位论文璺立 2 2 1 相连续性方程1 2 2 2 2 动量守恒方程1 2 2 2 - 3 湍流模型。1 4 2 3 边界条件1 5 2 3 1 壁函数1 5 2 3 2 自由表面1 6 2 3 3 气体入口处一1 6 2 4 修正的气相模型：”1 6 2 5r h 钢包内钢液流动的数学模拟1 8 2 5 1r h 钢包内钢液流动的二维数学模拟2 0 2 5 2r h 钢包内钢液流动的三维数学模拟2 0 2 5 3r h 装置内钢液流动的三维数学模拟2 0 第3 章r h 精炼过程的物理模拟和水模型2 3 3 1r h 精炼过程的物理模拟原理2 3 3 2r h 精炼过程的流动特性参数及影响因素。2 5 3 2 1 环流量2 5 ， 3 2 2 混合时间2 7 3 2 3r h 钢包内流场的显示2 9 3 3 实验用水模型的建立和流动性能测定”2 9 3 3 1 模型装置2 9 3 3 2 流动性能测定3 1 查! ! 垄堂塑主兰堡笙查 目 录 一- ： 3 3 3 测定结果3 3 第4 章基于f l u e n t 的计算机模拟3 5 4 1 计算机模拟软件f l u e n t 简介3 5 4 1 1f l u e n t 程序的结构3 5 ， 4 1 2f l u e n t 程序的用途3 6 4 1 3f l u e n t 程序求解问题的步骤3 7 4 2 模型的建立及网格划分。3 8 4 2 1 建立模型j ：3 8 4 2 2 网格划分3 9 4 3 数值模拟。4 2 。 4 3 1f l u e n t 求解方法的选择。4 2 4 3 2 模拟采用的模型。4 2 - 4 4 模拟结果及讨论4 4 4 4 1 环流管直径对循环流动的影响4 7 4 4 2 环流管插入深度对循环流动的影响5 0 、4 4 3 环流管插入钢包位置对循坏流动的影响。5 2 4 4 4 环流管间距对循环流动的影响5 4 第5 章结论。5 7 参考文献5 9 致 谢6 3 ， 一馐 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着冶金科学和技术的发展，传统的炼钢方法发生了巨大的变化，已由一步 炼钢发展为炉内初炼和炉外精炼两步炼钢。炉外精炼也称二次精炼，就是按传统 炼钢工艺，将原在炼钢炉内完成的精炼任务，如去除杂质( 包括不需要的元素、 气体和夹杂) 、成分和温度的调整和均匀化等任务，部分或全部移到钢包( 或专 用容器) 中进行。通过炉外精炼处理，一方面可使钢的纯净度显著提高，另一方 面，炉外精炼可在初炼炉和连铸机之问起缓冲作用，为连铸机提供在某种程度上 接近理想状态的钢水，显著改善炼钢设备和连铸机的配合。从世界钢铁工业的发 展来看，炉外精炼技术不仅用于生产纯净钢，而且已成为现代化钢铁生产工艺中 必不可少的重要工序，发展极为迅速。世界各国已把对炉外精炼的研究放在战略 地位高度来考虑。在众多的炉外精炼方法中，作为大生产用的以脱气为主的真空 循环( r h ) 精炼技术，将钢液的真空脱气与循环流动结合起来，处理周期短、精 炼效果好、适应性强、处理能力大。铁水预处理一转炉复合吹炼一r h 精炼与连铸 可谓是现代炼钢厂的最佳工艺流程。 1 1r h 精炼技术发展概况 近三十年来，r h 精炼技术发展极快，其处理能力和钢种不断扩大，工艺及设 备不断完善，且已由原先的单一脱气功能发展成为一种能够脱除碳、硫、氧、磷 和夹杂以及升温和调整成分等的多功能炉外精炼技术【1 1 。由r h 引伸诞生的 r h k t b 、r h - p b 、r h - p t b 、r h u 、r h o b 等多功能炉外精炼技术，涉及真空 条件下的喷粉处理、吹氢搅拌、吹氧脱碳及电加热等精炼手段，与其他炉外精炼 技术如v o d 、a o d 、c a s o b 、l f 等相比，精炼功能及精炼手段更为全面，在炉 外精炼中最具代表性，占据了主导地位。 r h 精炼技术的整个发展过程，可大致分为三个阶段【2 1 。 1 ) 1 9 5 9 1 9 6 9 年应用初期 r h 精炼技术一诞生，即引起国际钢铁界的关注。日本于1 9 6 3 年由新日铁的 前身富士公司引进了第一台r h 装置，用以生产板材。以后，川崎公司也相继建 立了r h 装置。这段时期，作为该技术的应用初期，主要用于钢液的脱气。 - 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 2 ) 1 9 6 9 1 9 7 8 年发展期 这期间，r h 精炼技术从数个国家向世界范围辐射，被广泛采用。随着转炉的 大型化，r h 装置的容量也不断增大，单机处理能力由当初几十吨增大到几百吨。 1 9 7 5 年新日铁建造了至今世界上最大的r h 精炼设备( 3 4 0 t ) ，实现了大型化。 精炼功能也有所增加，从单一脱气向脱碳、去除非金属夹杂等多元化方向发展。 r h o b 、r h 轻处理等技术相继出现。相应地，r h 法处理的钢种范围也得到了很 大的拓展，包括了硅钢、不锈钢等特殊钢以及普通钢种。 3 ) 1 9 8 0 至今与连铸相配，技术上进一步发展和完善阶段 进入2 0 世纪八十年代以来，随着连铸技术的发展，r h 普遍与连铸相配，实 现了转炉一连铸的连续稳定生产，而r h 在技术上也获得了进_ 步发展和完善， 主要体现在以下几个方面： 1 ) 优化r h 的工艺、设备参数，扩大处理能力； 2 ) 开发多功能r h 精炼工艺和装备； 3 ) 开发r h 热补偿和升温技术； 4 ) 完善r h 轻处理工艺、设备，实现钢水全量r h 处理。 从r h 法的发展来看，有两个显著特点：一是处理功能和范围的充实和扩大； 二是从处理一些特殊钢种到大批量处理一般钢种。以日本新日铁为例，该公司采 用r h 处理的钢水量现已占总钢水量的5 0 左右。 1 2r h 精炼的工艺原理 钢液( r h ) 真空循环脱气法【3 】，是1 9 5 7 年西德鲁尔钢铁公司 ( r u h r s t a h ) 的亨利希斯钢铁厂和赫拉欧斯公司( h e r e a e u s ) 共同设计开发的一种钢液炉外精炼 方法，并于1 9 5 9 年建造了第一台r h 装置。r h 精炼装置主要由钢包、上升管、 真空室和下降管组成。图1 1 为r h 真空循环脱气原理的示意图。钢液循环脱气处 理时，把与真空室下部相通的两根环流管( 即上升管和下降管) 插入钢包的钢液， 靠真空室被抽真空后建立的压差使钢液由环流管进入真空室进行脱气，同时从两 根环流管之一( 上升管) 吹入驱动气体( 通常为氩气) ，利用气泡泵原理抽引钢 液流过真空室和下降管回入钢包，产生连续的循环流动，在这种循环运动中钢液 分批进入真空室并得以精炼。 2 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 跚真空精炼装置工作原理 f i g1 1p r i n c i p l em a po fr hv a c u u ms t e e lr e f i n i n gd e g a s f 与其他脱气方法相比，这种脱气方法有如下优点【4 】： 1 ) 脱气效果好。r h 处理过程中，进入真空室的钢液量相对较少，而且由于 吹入的驱动气体在上升管内生成大量气泡，进入真空室的部分钢液呈细小的液滴， 且处于沸腾状态，增大了钢液脱气表面积，有利于脱气的进行，可使【h 1 降至( 1 3 ) 1 0 4 m a s s ： 2 ) 适用于大量钢液的处理，生产能力大； 3 ) 处理周期短，处理过程温降小。处理过程中钢包内的钢液表面有炉渣覆盖， 保温效果好，一般处理后温降仅为3 0 5 0 ； 4 ) 适用范围较大。用同一设备能处理不同容量的钢液，也可以在电弧炉和感 应炉内进行。正由于r h 法具有上述优点，所以自其问世以来，备受各国冶金工 作者的重视，并迅速获得广泛应用和发展。 1 3r h 精炼过程的工艺特点 如前所述，r h 循环脱气法的主要功能己经由原来单一的脱气设备发展成为包 含真空脱气脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的一种多 功能炉外精炼设备，其主要精炼功能包括： ( 1 ) 真空脱碳：r h 过程具有较强的脱碳功能，在2 5 m i n 处理周期内生产【c 】 3 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 2 0 1 0 。4 m a s s 的超低碳钢【5 l ； ( 2 ) 真空脱气：可生产【h 】1 5 1 0 4 m a s s ，【n 】2 0 1 0 4 m a s s 的纯净 钢液【6 l ； ( 3 ) 脱硫：采用r h p b ，r h u ，r h k t b ，r h p t b 等处理后可以生产【s 】 1 0 1 0 。4 m a s s 的超低硫钢f 7 】； ( 4 ) 脱磷：经r h 喷粉处理后，可生产【p 】2 0 x1 0 4 m a s s 的超低磷钢1 8 】； ( 5 ) 升温：采用r h k t b 处理，可降低转炉出钢温度2 6 3 ；r h o b 法加 铝吹氧可使钢液提温，最大升温达8 l o m i n 【9 】； ( 6 ) 均匀钢液温度：可保证连铸中间包钢液温度波动不大于5 ； ( 7 ) 均匀钢液成分和去除夹杂物，可生产全氧含量【o 】1 5 1 0 q m a s s 超纯 净钢【1 0 】； ( 8 ) 进行合金微调：几乎可生产全部钢种，其中包括锻造用钢、高强钢、结 构钢、轴承钢、工具钢、不锈钢、电工钢、深冲钢等。 r h 精炼技术不仅用于处理一般钢种，而且己成为生产i f 钢、高级钢( 无取 向和取向硅钢) 及超低碳钢等的首选精炼工艺，并适合于大于5 0 吨的转炉或大型 电炉配套使用，其后多与连铸匹配。 1 4r h 精炼功能的扩展 r h 方法的吹氧脱碳功能的发展经历了r h o ， r h o b ，r h k t b ，m f b 等 四个主要阶段。 1 4 1r h o 真空吹氧技术【1 1 1 1 9 6 9 年德国蒂森钢铁公司亨利希钢厂开发了r h o 技术( 图1 2 ) ，首次用铜 质水冷氧枪从真空室顶部向真空室内循环着的钢水表面吹氧以强化脱碳冶炼低碳 不锈钢，既缩短了冶炼周期又降低了脱碳过程中铬的氧化损失。但在工业生产中 r h o 技术暴露出以下问题：氧枪结瘤严重，因氧枪动密封不良而使氧枪枪位无法 调整。这些问题一时无法解决，而当时v o d 精炼技术能较好地满足不锈钢生产的 要求，所以r h o 技术未能得到广泛应用。 4 、 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 2r h o 吹氧技术示意 f i g1 2s c h e m a t i co fr h - ob l o wo x y g e nt e c h n o l o g y 1 4 2r h o b 真空吹氧技术【1 2 1 日本新日铁室兰厂于1 9 7 2 年根据v o d 过程的原理开发了r h o b 技术( 图 1 3 ) 。r h o b 是一种可通过加铝吹氧强制脱碳并达到升温效果的精炼方法。通过 置于真空室下部侧壁水平设置的双层不锈钢浸入式喷嘴，将氧气吹入循环流动的 钢液，同时向真空室内加铝，使钢液温度升高，升温速度可达4 m i n ，最大可达 8 1 0 m i n 。 r h o b 技术八十年代得到了较快的发展，但也存在不足：吹氧喷嘴的寿命短， 降低了设备的作业率；喷溅严重，增加了真空室的结瘤，延长了清除结瘤及辅助 作业时间，要求增加r h 真空泵的能力。 1 4 3r h k r b 真空吹氧技术【1 3 1 在传统的r h 基础上，日本川崎公司于1 9 8 6 年成功地开发了r h 顶吹氧 ( r h k t b ) 技术( 图1 4 ) ，将r h 技术的发展推向一个新阶段。该法是从r h 真空室项部插入一可垂直升降的水冷氧枪( 1 6 0 t 装置的喷枪内径为2 5 m m ) ，通 过该氧枪向真空室内钢液吹定量氧气和惰性气体，强化脱碳，同时利用炉气中c o - 5 的二次燃烧提供附加热量，以此来补偿精炼过程中的温降。其综合效果可使转炉 出钢温度降低约2 6 。 图1 3r h 一0 b 吹氧技术示意 f i g1 3s c h e m a t i co fr h - o b b l o wo x y g e nt e c h n o l o g y 气一考 ， 一废气 斗 司 i l l + 一 ，丁一 n 茹妊j i 毫嗣qi ；| fj 忙? 了 图1 4r h k t b 吹氧技术示意 f i g1 4s c h e m a t i co fr h - k t bb l o w0 x y g e nt e c h n o l o g y 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 4r h 多功能喷嘴( m f b ) 【1 4 1 继日本j | l 崎公司开发r h k t b 精炼技术之后，日本新日铁公司广钿厂为降 低初炼炉的出钢温度以及脱碳的需要，于1 9 9 2 年开发了多功能喷嘴的r h 顶吹氧 技术( 图1 5 ) 。其冶金功能与k t b 精炼技术相近，另外可喷吹铁矿石粉以加速 脱碳，还可在精炼过程中吹入一定量的天然气使之燃烧达到加热钢水的目的。 剂 图1 5 朋多功能喷嘴示意图 f i g1 5s c h e m a t i co fm u l t i f u n c t i o 蚰ln o z z l c 4 0 多年来，r h 精炼技术取得了巨大进展，由起初单一的脱气设备发展成为 包含真空脱气、脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的一 种多功能炉外精炼设备。各类r h 多功能处理方法的冶金功能比较见表1 1 。 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 4 5 6 7 r h 1 9 5 7 年前西真空脱气( h 2 ) ，特别适用于对含原为钢水脱氢开 德鲁尔钢铁减少杂质，均匀氢量要求严格的 发，短时间可使【h 】 公司和赫拉成分、温度 钢种，主要是低碳降到远低于白点敏 欧斯公司 钢、超低碳深冲钢感极限以下 等 r h o b 1 9 7 2 年新日同1 ，并能吹氧 同1 ，还可生产不为钢水升温而开发 铁公司名古脱碳、加热钢水锈钢，多用于超低 屋厂碳钢的处理 r h p b1 9 8 5 年新日同1 ，并可喷粉同l ，主要用于超喷枪插入钢包内上 ( u )铁公司大分脱硫、磷 低硫、磷钢的处理升管下面 厂 r h k t b1 9 8 6 年日本同1 ，并可加速同1 ，多用于超低快速脱碳至低碳范 川崎钢铁公脱碳，补偿热损碳钢、i f 钢、硅钢围，二次燃烧补偿 司失的处理处理过程热损失 r h p b1 9 8 7 年新日同1 ，并可喷粉同1 ，主要用于超从o b 孔喷入粉剂 ( 0 b ) 铁名古屋厂 脱硫、磷低硫、磷钢等的处 理 r h 多功能 1 9 9 2 年日本同1 ，既可喷粉同1 ，还可用于超喷嘴既可喷入粉剂 喷嘴 新日铁公司脱硫、磷又可吹低硫、磷钢的处理又可吹氧 ( m f b )广田厂氧加速脱碳 r h p t b1 9 9 4 年日本同1 ，并可喷粉同1 ，主要用于超从k t b 喷枪喷入粉 住友金属工脱硫、磷低硫、磷钢的处理剂 业公司和歌 山厂 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 本课题的目的意义和研究内容 1 5 1 本课题的目的意义 对于r h 系( r h o b p b ，r h k t b ) 这样的高温冶金反应器，其内过程相当 复杂，涉及流动、传热和复杂反应等过程，要充分发挥r h 的精炼功效，降低精 炼的成本，须对r h 精炼全过程有一个比较深刻全面的了解。目前，与国外的生 产和研究水平相比，我国还有不小的差距，而且基本上还没有形成属于自己的r h 精炼成套技术。因此，开展r h 精炼全过程的研究不仅具有很重要的现实意义和 应用价值，而且同样具有很重要的学术价值。在目前的条件下要直接获得：r h 精 炼过程的全部详细信息几乎是不可能的，因此结合物理模拟采用热力学、动力学 和传输理论的知识通过计算机模拟，特别是c f d 技术来研究r h 精炼全过程将成 为一种行之有效的方法。 c f d 具有数学模拟，物理模拟和实验技术无法比拟的优势： 第一，c f d 在速度上比试验快很多。试验涉及到模型的设计、模型的制造以 及试验平台的建设，试验数据的采集、分析、误差的剔除等一系列问题涉及到一 个复杂艰辛的过程。另外，还要投入大量资金用于试验设备的更新和维护；而一 个好的c f d 软件，可以利用计算机进行反复试验，不仅速度快，还能够节约资金。 第二，有些试验的条件难以达到，依靠软件技术却可以模拟出来。比如一些 破坏性试验，和一些极端环境下的试验，仿真分析就可以弥补试验的不足。 第三点，通过仿真分析和模拟，我们可以看到物理问题的全貌，而试验则不 然1 1 5 l 。 总之，采用c f d 计算机模拟可以减少试验的时间和次数，还可以得到试验结 果的全貌，这不仅可以了解r h 精炼过程特征和操作参数对过程的影响程度和规 律，解决国内外尚未解决的问题，还可以对过程实行优化，提供设计思想和方案， 形成模拟和预测r h 精炼全过程的软件包，以提高r h 的精炼效果和技术水平，为 形成我国自己的成套技术打下良好基础。 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 2 本课题的研究内容 迄今为止，有关r h 精炼过程的数学和物理模拟大多集中于单一功能r h 过程， 着重于r h 装置内的流动和传质现象，钢液的循环流速、环流量、搅拌强度、混匀 时间、流场、脱气速率、脱碳速率、传质系数等。其所有功能都与钢液的流动和 混合特性密切相关。作为r h 精炼过程最关键的工艺参数，冶金工作者己对钢液的 环流量和混合时间作了广泛的研究，然而有关环流管的直径、插入深度，插入位 置和间距等参数对环流量的影响，报道甚少。因此，本研究在前人对钢液的循环 流速、环流量等已做的工作上，着重研究环流管的直径、插入深度，插入位置和 间距等参数对环流量的影响。 主要研究内容为： ( 1 ) 在对r h 精炼系统数学模拟和物理模拟深刻理解的基础上，利用f l u e n t 前处理软件g a m b i t 建立r h 精炼的3 d 模型，并对其进行网格划分。 ( 2 ) 由f l u e n t 导入g a m b i t 建立的模型，然后进行边界条件设定和介质材 料设定，选择计算模型和湍流模型，对r h 精炼过程的内部流动进行模拟。改变 所要研究的一些基本参数的设置( 是在保证其它参数不变的情况下，单一控制一 个参数的变化，如环流管的直径、插入深度，插入位置和间距等参数) ，以得到 这一参数的变化对钢液循环流动的影响。 ( 3 ) 比较、对照模拟结果和已有的实验结果，分析、检验数学模型以及模拟 过程的准确性和精度，并对它们进行改进和修改。 1 0 l ：， 东北大学硕士学位论文第2 章r h 精炼过程中的数学模拟 第2 章r h 精炼过程中的数学模型 在r h 精炼过程中，由于上浮气泡提升作用，使钢液在钢包和真空室之间循 环流动。实际上，气液两相区是由气泡弥散于液相中形成的。为表征这种行为特 性，将体系看作气液两相混合物。基于双流体模型，认为气液两相分别为存在明 显边界的不同连续相，通过有限的相间界面彼此相互穿插、相互作用，但并不互 溶。 2 1 基本假设 对r h 精炼过程中整个装置内流体的流动作如下基本假设： ( 1 ) 同一计算单元内气液两相承受的压力相同； ( 2 ) 液体自由表面是平滑的，气泡可通过该面与液相分离： ( 3 ) 气泡尺寸均匀； ( 4 ) 把湍流限定为液相的性能，且可采用修正的七e 双方程模型描述之，相 应的经验常数可取为单相流下的值： ( 5 ) 可通过对液相湍动能和湍动能耗散率的传输方程的修正来考虑气泡的 弥散和气相对液相湍流的促进作用： ( 6 ) 可以界面曳力，即界面摩擦力表征气液两相间的动量传输； ( 7 ) 忽略气液两相流的体积变化，在壁面处均无滑移； ( 8 ) 体系处于稳态湍流。 应当指出，气泡具有均匀的尺寸和平滑的液体自由表面是这类研究中常作的 假设。但是，这些假设显然是相当粗糙的简化，与实际情况相去甚远。为考察双 流体模型对钢液r h 精炼过程的适用性和便于与以往的结果相比较，本工作仍保 留这两个假设。另外，对上升管区段而言，忽略气液两相流的体积变化也不尽合 理，在不考虑化学反应的情况下，这意味着上升管内各水平截面上的气含率基本 不变，但这尚不会改变所得结果的基本特征，并便于将考察的重点置于双流体模 型对钢液r h 精炼过程的适用性。 - 1 1 东北大学硕士学位论文第2 章r h 精炼过程中的数学模拟 2 2 控制方程 对上升管内的流动，需考虑气液两相。由于两相占据整个计算域，两相的体 积分数之和为l ，即有：，j + ，2 = l ，j 和，2 分别表示液体和气体的体积分数。由上述 假设，该体系的控制方程表述如下： 2 2 1 相连续性方程 除包含相体积分数外，与单相连续性方程对应的相连续性方程为， 兰( z p ；) + 兰( 石肛u ) + 兰( z n m ) 批卯 犯 一去c r ，+ 专c r ，+ 丢c r ， ( 2 1 ， 式中下标f = 1 时，表示液相；当i - 2 时，表示气相。历表示f 相的密度，啦， v f ，w f 分别表示i 相x ，y ，z 方向的速度。+ 式( 2 1 ) 左边为气液界面随机运动所产生的湍流扩散质量源。其中g 表示与 湍流粘度相关的有效相扩散系数： x ? ip 噔| 0 t 对于当前流体，弥散相尸，口刀刎数s d 的值可取为1 。 2 2 2 动量守恒方程 工方向 兰( 五肛心2 ) + 兰( 五肛“；u ) + 兰( z 肛吩m ) 批d v叱 一五罢+ 去( 正誓) + 号( 正詈) + 昙( 五畅誓) + 去 r ，+ 丢 ，r ，争+ 鲁 r ，+ 易。，一 1 2 ( 2 2 ) 一 查! ! 查兰壁圭堂堡垒查第2 章r h 精炼过程中的数学模拟 _ 二一二_ 二二： = ：= ：至= ： y 方向 丢( z 胖；屹) + 号( 五肛u 2 ) + 丢( 五肛m ) - - 五号+ 丢( z 物+ 专( 五物+ 昙( 正 z 方向 + 丢“r ，争+ 昙“r ，争+ 昙“r ，+ 乓o ，一屹) 丢( 五胖r m ) + 号( 正肛k 嵋) + 丢( 正肛m 2 ) 正警+ 丢( 正吻+ 号( 正吻争+ 昙( 五 ( 2 3 ) + 丢0 。+ 丢r ，专+ 丢( 暇r ，善) + ( 一m ) ( 2 4 ) 式中p l - i 相的密度；咿一湍流有效粘度：下标j 表示与f 取相反的相；驴 相1 和2 之间的曳力系数： o 7 岛，2i i 以 ( 2 5 ) a 卜气泡直径。 这里是无因次曳力系数，根据k u oa n dw a l l s i 【1 6 】的所谓“d i n y w a t e r 模型， o 与基于气泡尺寸及气液两相滑移( 相对) 速度l l 的r e y n 。l d s 数r e 和w e b e r ( 2 6 ) ( 2 7 ) ， j c j 、 卜 东北大学硕士学位论文 第2 章r h 精炼过程中的数学模拟 湍流粘度和有效粘度分别为： 雎一乞雕2 朋 ( 2 1 3 ) 物。肫+ 一 ( 2 1 4 ) g k 是由剪切力所引起的足的体积生成率，与七一e 模型有相同的形式，g k b 为 气泡穿过连续相时曳力作功所致的七的生成率【1 8 ，1 9 1 ， 瓯- o 7 5 c 6 q n 五厶i 1 3 以 ( 2 1 5 ) 由试算结果，本工作取经验常数c 。= 0 0 5 。各有关的常数列于表2 1 2 3 边界条件 2 3 1 壁函数 在固体壁面处，速度分量满足无滑移边界条件，相应的法向分量取为零。对 壁面附近的区域采用壁函数法处理之。设y 为垂直于固体壁面的方向，则点坳 ( 3 0 9 0 5 0 0 ) 处的平均速度满足如下对数律： 旦。三l n ( 母+ p ) ( 2 1 6 ) “， j r 七。丢 ( 2 1 7 ) 、l c 。 一一。 s 。生 ( 2 1 8 ) x y u 表示点场处的平均速度；q 为常数；蜥是剪力速度；v o nk a 恤a n 常数黔0 4 1 和光滑壁面的壁面粗糙度参数e = 9 8 。所谓的摩擦速度和无量纲距离分别表示为： h ，。( 耐7 2 ( 2 1 9 ) y + 。型( 2 2 0 ) 此处f 。，是壁面剪切力。 - 1 5 东北大学硕士学位论文 第2 章r h 精炼过程中的数学模拟 2 3 2 自由表面 假设自由表面为光滑的水平面，气体以达到表面的速度离开自由表面，其边 界条件为； 盟。盟。盟；监；堕。塑。o a z钯a z a z瑟瑟 p 一厶 式( 2 2 2 ) 中p 删，为环境压力 2 3 3 气体入口处 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 在气体入口处，不考虑液体的体积，且气体只是在水平方向存在速度： 五= o ，尼= 1 。 “厅= q 阴( 2 2 3 ) 其中q 为喷吹气体体积流量，么为喷嘴出口面积，为气体入口处的速度。 根据i l g e b u s i 等f 2 0 】的结果，气体入口湍动能及其耗散率为： 七- 0 0 1 鲫抽2( 2 2 4 ) 9 诎1 j d ( 2 2 5 ) 2 4 修正的气相模型 通常的均相流模型气含率a 的守恒方程描述如下： 型w 型+ ( w + m ) 螋 缸 却 、” a z 。昙( 当要) + 兰( 丝争+ 兰( 丝警) ( 2 2 6 ) 缸、吼缸7 砂、吼砂7 越、吒a z 7 式中，湍流s c h m i d t 数s 。取1 。w 。为最终速度是气泡在静止液体中的上升速度， 也称之为气相竖直滑移速度，通过以下经验式得【2 1 l ： 嵋一e x p ( 口o ) e x p ( 口1 l l l d g ) e x p 【口2 ( i i l d 譬) 2 】 ( 2 2 7 ) 式中，口d = 一8 3 7 3 ，口j = - 2 6 3 0 6 ，口2 = 0 2 5 ，d 2 = 0 0 0 3 m 以上均相流模型不能直接用来模拟r h 真空精炼系统中的两相流动，因为它 东北大学硕士学位论文第2 章r h 精炼过程中的数学模拟 无法将水平侧吹的气体引入计算流体区域。这里，在喷嘴区域引入气相水平滑移 速度( “。坳和坳) 的概念，可以理解为气体在喷嘴内以较高速度、较大压力水平 喷入上升管时，由于惯性仍将保持一定的向前流速。这一阶段气体以水平方向运 动为主。而随着气体对周围液体的卷吸，初动能逐渐减小，直到耗尽后仅受浮力 上升，这时气体的运动方向就以竖直向上为主。在喷嘴附近，气体相对液体的水 平流速较大，就称这个相对速度为“气相水平滑移速度”。这一物理量起到了把气 体从外界导入液相区域的作用。从数学上分析，加入“。助和y 。f i p 不改变含气率守 恒方程的性质，而只改变值的分布。因此，在喷嘴区域内的气含率守恒方程可修 正为： 帅却) 掣小) 掣小州挈 一去c 尝詈，+ 专c 尝詈，+ 丢譬警， ( 2 翻， 喷嘴 上升首 喷射区域