钢包底吹氩过程数学物理模拟

钢包底吹氩工艺中透气元件不同布置方式以及不同吹气量对钢液混匀时间的影响。同时用数值模拟的方 法 , 对钢包内流场进行计算, 探讨各种情况下钢包内流场变化 , 提出最佳底吹气搅拌位置及吹氩制度。 关键词 : 吹氩 ; 混匀时间 ; 搅拌 ; 数值模拟 中图分类号 : T F769 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 1043( 2005 ) 06 - 0033 -4
[ 参 考 文 献]
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 张 鉴 . 炉外精炼的理论与实践[ M ] . 北京 : 冶金工业出 版
3 3
喷嘴布置方式的不同, 搅拌效果也不相同。 比较 3 种喷咀位置布置钢包中湍动能可以发现, 喷嘴距离中心0 . 70R 布置时 , 低速弱流区范围小, 搅拌效果最佳, 如图 8 。产生以上结果原因在于, 当两喷嘴间距越近 , 搅拌过程中两气柱相邻流股 的干扰和抵消作用大, 流动能量损失越多 , 相反, 随着两喷嘴距离增大 , 流动能量损失越小, 死区也 越小。
实验方案
在钢包底部沿直径方向选择了 3 个不同位置
安装喷嘴 , 喷嘴到底部中心间距 L 分别为 0. 40R 、 0. 55 R 、 0. 70R 。实验中采用了 3 种方式进行吹气 搅拌 ( 如图 2 ) , 分别为单孔喷吹、 双孔喷吹两喷嘴 通过包底中心时夹角为 90 和 180 。改变送入气 量的大小 , 测出混匀时间 , 挑选最佳的喷嘴布置方 式及气量。
Water Model and Numerical Simulation on Argon Blowing from Bottom of Ladle
XIN G Wei, SH EN Qiao - zhen, WANG Xiao - ho ng , ZH U Bi lian, L U O Chun - sheng ( H ubei Ironmaking and St eelm aking Key L aborat ory ( Wuhan Universit y o f Science and T echnolo gy, Wuhan 430081, China) Abstract: A wat er model for 130t ladle has been established and t he mixing time of the molten steel in the ladle measured by conductivity method. The effects of different arrangement of permeable ele ments and different gas blowing rate on the mixing time of the molten steel in t he process of ladle bottom argon blowing have been discussed. In the meanwhile the flow field inside t he ladle is numer ically simulated and the changes of the flow field in the ladle in different conditions are investigat ed and t he optimal bottom argon blowing positions and argon bubbling patterns determined. Key words: arg on blow ing; mix ing t im e; stirr ing; num er ical simulat ion 钢包底吹氩搅拌技术是一种经济适用且简单 易行的精炼方法 , 能有效的均匀钢水温度和成分, 去除有害气体和夹杂物 , 改善钢液质量而得到广 泛的应用。 在应用钢包底吹氩技术进行精炼时 , 要涉及 到钢包底部喷嘴位置、喷嘴数目以及喷吹流量的 选取和设定。但在实际生产操作中, 往往存在因 供气量过小使搅拌不理想 , 供气量过大而造成钢 液表面覆盖的渣卷入钢液内部, 造成对钢液的污 染; 喷嘴位置不佳 , 钢液成分和温度不均匀等问 题。文中对国内某钢厂 130 t 钢包精炼的现有技 术条件进行了水力模型实验和数学模型计算, 针 对现场实际情况 , 确定合理的底吹氩制度
卷渣现象的测定1. 2 Nhomakorabea实验方法
通过优化吹气量以及喷嘴的布置, 达到提高钢
用混合油模拟顶渣, 通过吹入不同量搅拌气 体, 观察油层和水层的卷混情况, 用高速摄像仪记 录下来, 转入电脑中进行分析 , 找出卷渣出现的临 界条件, 确定合理的吹气量。
包搅拌能的功效。但实验中, 直接测量搅拌能较为 困难。据文献报道, 混匀时间与搅拌能力的关系[ 3] :
3
、l 为气体和液体
的密度, kg/ m ; H 为熔池深度 , m 。 特征速度 v 可由下式给出 : v= 4Q d2
3
。 有效直径 , m;
( 2)
1 物理模型实验 1. 1 实验原理
根据相似理论 , 除保证模型与原型几何相似
作者简介 : 幸
式中 , Q 为气体流量 , m / h; d 为底吹透气砖 Fr 式中, Fr
采用方式 3, 180 对称分布, 考虑到双喷嘴之 间距离的影响因素, 取 3 个不同位置 , 分别为两 喷嘴离中心0. 40R 、 0. 55 R 、 0. 70 R 处, 建立数学模 型进行计算。
2. 2
图5 双喷嘴夹角 180 供气量与混匀时间关系
数学模型的建立及求解
钢包吹气搅拌过程是 1 个气液两相流 , 本模
2. 3
计算结果及分析
由计算结果液体的流动特征可以看出, 如图 7, 采用底吹氩的钢包内, 气体由底部的喷孔喷出, 在钢包中产生气泡, 气泡受到液体的浮力而上浮, 带动液体也产生向上的流动, 处于喷嘴正上方的 液体形成强烈的向上流股。当气液两相区形成的 上升流达到熔池液面后, 气体溢出熔池 , 而到达液 面的钢水将被驱动流向四周, 然后向下流动 , 最后 又被中心上升流抽引 , 从而形成循环流动。 由于喷嘴布置方式的差异, 液体流动的基本 特征相似 , 但钢包内形成的循环流动的回流有较 大的差别。因为随着 2 个喷嘴之间距离的改变, 引起流体的 对撞 大小不同。 ( 1) 当喷嘴位置为 0 . 40 R 时, 液体的两个强 流股因距离较近, 产生对撞较大, 撞击到包壁后改 变方向, 而在垂直方向形成在包壁与喷嘴之间向 下的回流区。 ( 2) 喷嘴位置为0. 55R 时 , 2 个强流股间距增 大, 形成在包壁与喷嘴之间向下及喷嘴 之间的 2 个回流区。 ( 3) 当喷嘴位置为 0. 70 R 时, 2 个强流股间距 最大 , 对撞最小 , 回流区介于两喷嘴之间。
0. 40R 0. 55R 0. 70R
图7
双喷嘴模式下液体流动特征
以用来预测不同工艺条件下钢包流场。 ( 2) 随着底吹气体流量增大, 液体混匀时间缩 短, 搅拌功率增大。实际生产中供气量应控制在 50m / h( 对应模型量为 0. 7m / h) 以内 , 以免出现 卷渣。 ( 3) 对于该厂实际条件 , 相同吹气量下 , 双透 气砖吹氩要比单透气砖吹氩效果好。 ( 4) 采用双喷嘴喷吹时, 混匀时间随双喷嘴距 离逐渐增 大而减 小, 双喷嘴 通过中 心的 夹角为 180 , 0. 70R 布置时为最佳方案。
- 0. 4
= / 800
3
( 5)
1. 5 1. 5. 1
实验结果分析 供气量对混匀时间的影响
选择如图 2 所示的 3 种不同喷吹方式 , 喷嘴
式中 , 为平均单位搅拌能 , W/ m ; 为混均 时间 , s。 因此 , 可用混匀时间来判定钢液的搅拌能力, 混匀时间越短 , 钢液搅拌能力越强。实验中以水 模拟钢液, 压缩空气模拟氩气 , 油模拟渣, 用电导 法测量钢液的混匀时间。实验装置如图 1 。
[ 1]
外, 对于钢包底吹氩系统来说 , 引起体系内流动的 动力主要是气泡浮力而不是湍流的粘性力 , 因此 保证模型与原形的修正弗鲁德准数相等 , 就能保 证它们的动力相似, 根据这一原则 , 可以确定模型 中吹气量的范围 。 Fr =
g l [ 2]
v
2
g H
g
( 1)
式中 , Fr 为修正弗鲁德准数 ; v 为特征速度, m/ s; g 为重力加速度, m/ s2 ;
拟采用欧拉两相模型 , 将两相区内气体和钢液都 处理为连续相 , 在柱坐标系下 , 建立模型并解析两 相各自的连续方程和动量守恒方程。湍流方程采 用k - 双方程模型。两相 流模型, 采用 Spalding 提出的 IPSA ( Int er - Phase - Slip Alg orit hm ) 法[ 4] , 用英国 CH AM 公司的商业软件 P H OEN ICS 软 件进行计算, 显示实验条件下的流场特性。
图3 单喷嘴供气量与混匀 时间关系
图2
喷嘴的不同布置方式
1. 4 1. 4. 1
测量方法 混匀时间的测定
图4 双喷嘴夹角 90 供气量与混匀时间关系
实验中, 将模型中注入水 , 达到要求的液面高 度。打开空压机 , 通过调整流量计来控制吹气量。
第6期
幸
伟 , 等: 钢包底吹氩过程数学物理模拟研究
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水界面在吹气部位出现向上突起, 气体通过油层 进入大气。当吹气量增大时 , 气体会将油层吹成 近似圆形的裸露区。如果吹气量进一步增大 , 就 会出现油层破碎 , 油滴卷入水中的现象。对于本 实验 , 当底吹流量达到 0. 7 m / h 时, 吹气部位上 方开始出现卷渣。
3
2 数值模拟 2. 1 模拟计算条件
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炼
钢
第 21 卷
待模型中流动稳定后 , 将定量的 KCl 溶液加至模 型中。用电导率仪测量模型中水的电导率变化, ( 4) 并用函数记录仪记录其变化曲线, 计算混匀时间, 找出最佳的供气位置。