插入深度與載氣流量對鐵水顆粒鎂脫硫影響的數值模擬

楊小光，楊世山，李志杰，張海濤，李福高

（1北京科技大學　冶金與生態工程學院，北京100083；2青島鋼鐵有限公司　煉鋼廠，山東　青島260043）

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試驗研究

插入深度與載氣流量對鐵水顆粒鎂脫硫影響的數值模擬

楊小光1，楊世山1，李志杰1，張海濤2，李福高2

（1北京科技大學冶金與生態工程學院，北京100083；2青島鋼鐵有限公司煉鋼廠，山東青島260043）

摘要：在CFD軟件平臺上進行噴吹顆粒鎂鐵水脫硫數值模擬，通過改變噴槍插入深度、載氣流量等參數，探究其對脫硫過程中鐵水罐內流場以及混勻死區的影響。結果表明，在一定條件下，增大噴槍插入深度、適當降低載氣流量均可改善噴吹顆粒鎂的動力學條件，增強脫硫效果。

關鍵詞：鐵水脫硫；噴吹顆粒鎂；插入深度；載氣流量；CFD數值模擬

1　前　言

鐵水預處理脫硫工藝是現代鋼鐵企業生產高附加值鋼種、降低生產成本、提高鋼鐵企業競爭力的重要工藝技術，是一種經濟高效的脫硫方法，其中顆粒鎂脫硫工藝因具有脫硫效果好、脫硫劑消耗量少、脫硫渣量少、鐵損少、設備投資低等優點［1］而得到廣泛應用。

前人已有針對鐵水預處理鎂脫硫數值模擬研究，曹興平［2］在CFD軟件平臺上，通過改變不同的噴槍插入深度，探究其對鐵水內部壓力場、速度場及氣體體積分數的影響；黃群新等［3］利用水模擬的方法研究了噴槍槍位、載氣流量等因素對100 t鐵水罐噴鎂脫硫時混勻時間及流場的影響。本工作通過改變噴槍插入深度與噴吹氣體流量，利用CFD系列軟件對顆粒鎂脫硫過程中鐵水罐內的流場以及混勻死區進行了數值模擬研究，用以優化噴吹脫硫工藝，為生產實踐提供借鑒和參考。

2　數值模擬條件

2.1數值模擬方案

通過改變噴槍插入深度與噴吹氣體流量，利用CFD系列軟件，通過數學建模—確定離散化方法—求解計算—后處理等一系列過程對顆粒鎂脫硫過程中鐵水罐內的流場以及混勻死區進行模擬研究，目的是減小混勻死區，增加氣體停留時間。具體模擬方案如表1所示。

表1　數值模擬方案

2.2數學及物理模型

模擬鐵水在靜止狀態下從t=0時刻開始噴吹到鐵水流動相對穩定的過程，不考慮鎂脫硫化學反應，不考慮溫度變化對流動的影響，將流場視為非穩態氣液兩相流。其控制方程［4］表示如下。

1）連續性方程。流體流動須滿足質量守恒定律，在二維直角坐標平面內，連續性方程可表示為：

因為流體不可壓縮，（1）式可簡化為：

2）動量方程。對于不可壓縮流體：

式中，ρ為密度，ui和uj分別為xi、xj方向上的速度分量，μl和μt分別為層流和湍流的黏性系數，t為時間，p為壓力，ueff為黏度有效系數，gi為i方向上的重力加速度，Fi為源項。

采用k-ε模型時，湍流黏性系數定義為：

3）湍流的基本特征是具有隨機性質的渦旋結構以及這些渦旋在流體內部的不規則隨機運動引起的流體的速度、壓力、溫度等各種流動物理量的脈動，工程流體問題絕大多數是湍流流動。在管內流動，邊界層流動、剪切流動以及三維邊界層流動的模擬計算使用k-ε模型表現良好。

k和ε控制方程分別為：

k-ε雙方程湍流模型系數為：Cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1，σe=1.3［5］。

2.3網格劃分及求解

如圖1所示，以青鋼100 t鐵水罐為例建立二維幾何模型。為節省計算資源，取過鐵水罐豎截面中心1/2為模擬平面，建成如圖2所示的網格結構。由于氮氣幾乎不溶于鐵水，選擇VOF多相流模型模擬氣液兩相流動過程，選擇k-ε湍流模型計算流體的湍流過程，選擇氮氣為第一相，鐵水為第二相。模擬采用結構化四邊形網格，在近壁面及邊界處進行網格加密處理，采用速度入口、壓力出口邊界條件，采用二階迎風格式，壓力耦合方法求解，計算時間步長0.000 5 s，求解時長20 s，殘差設置10-3。

圖1　青鋼鐵水罐及噴槍尺寸

圖2　網格結構

3　數值模擬結果及分析

3.1插入深度對脫硫效果的影響

通過在CFD軟件平臺上模擬不同噴槍插入深度H（距罐底200 mm、400 mm、600 mm），鐵水罐內兩相流、速度相關情況，并通過死區比例來衡量噴吹脫硫的動力學效果。圖3為不同噴槍插入深度鐵水罐內氣液兩相圖。由圖3可知，噴槍插入鐵水深度越深，罐內鐵水下部所含氣體越多，整個鐵水罐內的氣體分布也更加均勻。

圖3噴槍不同插入深度鐵水罐內的氣液兩相圖

圖4和圖5分別為噴槍不同插入深度鐵水罐內流場的速度等值線與湍動能等值線。從圖中可以看出，隨著噴槍插入深度的減小，鐵水罐底特別是喇叭口下方的速度＜0.3 m/s的區域逐漸增大，同時湍動能低于0.1 m2/s2的區域明顯增大，混勻效果變差，對脫硫反應不利。

圖4　噴槍不同插入深度鐵水罐內流場的速度等值線

圖5　噴槍不同插入深度鐵水罐內流場的湍動能等值線

為精確反映噴槍插入深度對鐵水罐內流場混勻死區大小的影響，定義流場中速度＜0.3 m/s的區域為混勻死區。圖6為死區比例與噴槍插入深度的關系，由圖6可知，隨著噴槍插入鐵水中的深度增加，混勻死區逐漸減小，混勻效果變好。故建議青鋼顆粒鎂脫硫噴槍的插入深度為距罐底200 mm。

圖6　鐵水罐內死區比例與噴槍插入深度的關系

3.2載氣流量對脫硫效果的影響

運用CFD系列軟件模擬載氣流量對脫硫效果的影響。以青鋼100 t鐵水罐噴吹顆粒鎂脫硫工藝為參照，取噴吹載氣流量范圍為40～60 Nm3/h，取大、中、小3個氣體流量，其流量與噴槍出口速度的換算關系如表2所示。

表2　載氣流量與噴槍出口速度換算關系

以最優插入深度（噴槍喇叭口距離罐底200 mm）為基礎，實際出口速度為入口邊界條件，其他條件相同，在不同的噴吹氣量下，探究其對鐵水罐內流場以及混勻死區的影響。

圖7為鐵水罐內的氣液兩相圖。在實際噴吹氣量范圍內，隨著載氣流量的增大，氣體對鐵水的擾動作用加強，但氣量過大，載氣流量為50 Nm3/h（見圖7b）和60 Nm3/h（見圖7c）時，鐵水均產生了明顯的噴濺，故載氣流量過大，將會造成鐵水噴濺溢出，會導致鐵水損失。

圖7不同載氣流量鐵水罐內的氣液兩相圖

圖8與圖9分別為不同載氣流量條件下，鐵水罐內的速度等值線與湍動能等值線。由圖可知，隨著噴吹流量從40 Nm3/h增大到50 Nm3/h，鐵水罐內流場中速度＜0.3 m/s的區域與湍動能＜0.10 m2/s2的區域均有所減小但不明顯，鐵水罐噴槍出口處的速度增加，但當載氣流量從50 Nm3/h增大到60 Nm3/h時，鐵水罐下部流場中的速度與湍動能有所減小，靠近噴槍壁的區域速度較大，表明當載氣流量增大到60 Nm3/h時，由于速度太快，氣體對鐵水豎直方向的擾動作用增強，而對鐵水罐下部橫向區域擾動減弱。

圖8　不同載氣流量鐵水罐內流場的速度等值線

圖9　不同載氣流量鐵水罐內流場的湍動能等值線

模擬不同噴吹流量下鐵水罐內混勻死區的大小如圖10所示。由圖可知，在載氣流量從40 Nm3/h變化到60 Nm3/h的過程中，混勻死區比例變化不大，表明此噴吹氣量的范圍對鐵水罐內流場的混勻死區的影響并不大，當載氣流量從40 Nm3/h增大到50 Nm3/h時，混勻死區略有減小，當載氣流量從50 Nm3/ h增大到60 Nm3/h時，混勻死區反而略有增加。

圖10　鐵水罐內死區比例與載氣流量的關系

在噴槍入口處添加第三相示蹤劑，該示蹤劑的物理性質與載氣氮氣相同，在噴吹穩定的時刻，設t= 0，在流場入口處加入該示蹤劑，同時停止噴吹氮氣，入口處的條件設置不變，在流場出口處檢測示蹤劑濃度，作出其濃度隨時間變化的RTD曲線，依據公式（8）［6］，模擬了氣相在鐵水中的停留時間。

示蹤劑的運動路徑如圖11所示，示蹤劑平均停留時間隨載氣流量的變化如圖12所示。由圖12可知，隨著載氣流量的增大，氣體在鐵水中的停留時間變短，特別是在大氣量（60 Nm3/h）時，氣體在鐵水中的停留時間最短，這會導致鎂與硫反應不充分，增加顆粒鎂的損耗，降低鎂的利用率及脫硫率。

圖11　停留時間模擬過程示蹤劑的運動路徑

圖12　氣體停留時間與載氣流量的關系

建議在保證不堵槍且噴吹過程平穩的情況下，維持40 Nm3/h的載氣流量或通過工業性試驗確定更低的、最適宜的載氣流量。

4　結　論

4.1隨噴槍插入深度增加，鐵水罐內混勻死區減小，顆粒鎂的脫硫效果變好。建議青鋼顆粒鎂脫硫噴槍的插入深度為距罐底200 mm。

4.2在最佳的噴槍插入深度，載氣流量從40 Nm3/h增大到60 Nm3/h的過程中，鐵水罐內的動力學條件改善不明顯，建議在保證不堵槍且噴吹過程平穩的情況下，維持40 Nm3/h的載氣流量或通過工業性試驗確定更低的、最適宜的載氣流量。

參考文獻：

［1］楊世山，沈甦.鐵水預處理工藝、設備及操作［J］.煉鋼，2000，16（5）：13-16.

［2］曹興平，王長勇，杜海濤.噴吹鐵水脫硫過程中氣液兩相數值模擬研究［J］.冶金設備，2014（Z1）：5-9.

［3］黃群新，倪紅衛，張華，等.鐵水噴鎂脫硫工藝優化［J］.煉鋼，2007，23（1）：21-23.

［4］Jiyuan Tu. Guan Heng Yeoh. Chaoqun Liu.計算流體力學—從實踐中學習［M］.沈陽：東北大學出版社，2014：46-79.

［5］Launder B.E., Spalding D.B. Mathematical Models of Turbulence ［M］.London：Academic Press, 1972：60-63.

［6］Moumtez Bensouici, Ahmed Bellaouar, Kamel Talbi. Numerical Investigation of the Fluid Flow in Continuous Casting Tundish Using Analysis of RTD Curves［J］.Journal of Iron and Steel Research, International. 2009，16（2）：22-29.

Numerical Simulations on the Effect of Insertion Depth and Carrier Gas Flow Rate on the Hot Metal Desulfurization by Injecting Granular Magnesium

YANG Xiaoguang1, YANG Shishan1, LI Zhijie1, ZHANG Haitao2, LI Fugao2

（1 School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2 The Steelmaking Plant of Qingdao Iron and Steel Group Co., Ltd., Qingdao, 260043, China）

Abstract:The numerical simulations on the hot metal desulfurization by injecting granular magnesium were carried out in CFD software platform through changing the insertion depth of injection lance, carrier gas flow rate to explore the effect of these process parameters on the flow field inside the iron ladle and blending dead zone. The results showed that under given conditions, the dynamics condition and desulfurization efficiency of granular magnesium could be improved by increasing insertion depth of injection lance, properly lowering carrier gas flow rate.

Key words:hot metal desulfurization; injection of granular magnesium; insertion depth; carrier gas flow rate; CFD numerical simulation

中圖分類號：TF704.3

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2016）02-0029-04

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：楊小光，男，1990年生，2013年畢業于武漢科技大學冶金工程專業。現為北京科技大學冶金與生態工程學院2013級碩士研究生，研究方向為鐵水預處理及冶金過程數值模擬。