VD軟吹過程底攪氬氣流量模擬研究

林貴明 江 野 李 磊 楊利委 吳其川

南京鋼鐵聯(lián)合有限公司 江蘇 南京 210035

VD工序是特鋼冶煉及其重要的一環(huán)[1]，一般VD工序分為兩個(gè)階段[2－5]，一方面是VD真空保持階段，此階段主要任務(wù)是脫氫，另外一方面是VD靜攪階段，此階段主要任務(wù)是去除鋼液中的夾雜物。VD過程的氬氣流量顯得尤為重要，合適的氬氣流量有以下作用[6－10]：

(1)有效的脫氫；

(2)有效減少溫降，實(shí)現(xiàn)溫度精準(zhǔn)化控制；

(3)提高鋼液純凈度：去除夾雜物的同時(shí)不會(huì)引起卷渣。

本文著重研究VD軟吹過程速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，探討不同的氬氣流量下速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的變化，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè) 由于VD爐底吹氬攪拌屬于多相流問題，其實(shí)際工況非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型，本文對(duì)鋼包模擬進(jìn)行如下基本假設(shè)：

(1)鋼液為不可壓縮牛頓流體；

(2)氣泡在上升過程中不進(jìn)行長(zhǎng)大；

(3)不考慮化學(xué)反應(yīng)；

(4)不考慮氣泡碰撞變化過程。

1.2 網(wǎng)格劃分 采用ICEM繪制不對(duì)稱網(wǎng)格以解決鋼包半徑遠(yuǎn)大于氬氣入口半徑時(shí)導(dǎo)致的網(wǎng)格長(zhǎng)寬比較差而降低網(wǎng)格質(zhì)量的情況。繪制不對(duì)稱網(wǎng)格時(shí)要繪制兩層，使fluent邊界條件中此兩層相互對(duì)應(yīng)。

鋼包幾何大體為圓柱形，由于鋼包氬氣在透氣磚處并非全部為氬氣入口，耐火材料也占很大一部分，故將氬氣口等效直徑設(shè)置為原來鋼包氬氣口直徑的十分之一，其網(wǎng)格具體尺寸如表1：

表1 鋼包實(shí)體尺寸

所繪制鋼包網(wǎng)格圖如圖1所示。不同顏色代表不同的邊界，可以設(shè)置不同的邊界條件。網(wǎng)格內(nèi)部有兩塊網(wǎng)格較密區(qū)域，網(wǎng)格疏密結(jié)合才可以有效利用計(jì)算機(jī)資源，加快計(jì)算速度，并提高所關(guān)注位置的模擬準(zhǔn)確性。

圖1 鋼包網(wǎng)格圖

1.3 基本方程 本次模擬中采用的多相流方程為雙歐拉方程，并開啟能量方程，采用的湍流方程為k－ε雙方程。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程(N－S方程)：

為有效粘度，即：

1.4 模擬邊界條件設(shè)置如下：

鋼包底面：設(shè)置為無滑移壁面，散熱熱通量為1400(w/m2)；

鋼包壁面：設(shè)置為無滑移壁面，散熱熱通量為3800(w/m2)；

鋼包入口：速度入口，氬氣體積分?jǐn)?shù)為1，氣泡直徑采用默認(rèn)值為0.05 mm，入口處參數(shù)具體見表2；

表2 速度入口參數(shù)

2 方案設(shè)計(jì)

小網(wǎng)格尺寸為0.001 m左右，流體流速為2 m/s左右，模擬計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)推薦值為0.001s，但根據(jù)鋼廠內(nèi)實(shí)際情況需進(jìn)行30 min的通氣時(shí)間，故采用時(shí)間步長(zhǎng)0.001s計(jì)算10000步得出實(shí)際10s鐘吹氬情況；再采用時(shí)間步長(zhǎng)1s計(jì)算1800步得出實(shí)際30 min鐘吹氬情況，計(jì)算結(jié)束后將吹氬速度改為0 m/s，繼續(xù)模擬10 min。具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如：

表3 模擬方案

3 結(jié)果分析

3.1 氣體瞬態(tài)流動(dòng) 氣體在6s左右到達(dá)鋼液表面。視頻錄制了相同流量下吹氬前十秒氬氣體積分?jǐn)?shù)變化情況、相同流量下吹氬三十分鐘靜置十分鐘氬氣體積分?jǐn)?shù)變化情況、不同流量下吹氬三十分鐘靜置十分鐘氬氣體積分?jǐn)?shù)變化情況。

吹氬前十秒氬氣流動(dòng)較為平穩(wěn)，只往氬氣口上方流動(dòng)；隨著時(shí)間變化開始從頂部向四周擴(kuò)散，并在到達(dá)鋼包壁面時(shí)主要向下擴(kuò)散；吹氣結(jié)束口的十分鐘靜置時(shí)間內(nèi)氬氣不再進(jìn)入鋼包，氬氣開始在重力的作用下向上溢出鋼液面。

3.2 速度場(chǎng)分析 吹氬三十分鐘時(shí)鋼包內(nèi)流場(chǎng)隨流量增大鋼包的中下部流動(dòng)更加明顯，湍流耗散率也將增大。吹氣量不同時(shí)流場(chǎng)死區(qū)比例小于吹氣量相同時(shí)死區(qū)比例。吹氬30 min鋼液流動(dòng)路線如圖2所示

圖2 吹氬30 min流線

(左上氬氣流量為兩個(gè)5L/min；中上氬氣流量為兩個(gè)10L/min；右上氬氣流量為兩個(gè)15L/min；左下氬氣流量為兩個(gè)20L/min；中下氬氣流量為一個(gè)左孔15L/min一個(gè)右孔10L/min；右下氬氣流量為一個(gè)左孔15L/min一個(gè)右孔20L/min)

圖3 靜置10 min流線圖

(左上氬氣流量為兩個(gè)5L/min；中上氬氣流量為兩個(gè)10L/min；右上氬氣流量為兩個(gè)15L/min；左下氬氣流量為兩個(gè)20L/min；中下氬氣流量為一個(gè)左孔15L/min一個(gè)右孔10L/min；右下氬氣流量為一個(gè)左孔15L/min一個(gè)右孔20L/min)

鋼包流場(chǎng)在靜置十分鐘后，鋼包氬氣流速低時(shí)氬氣水平流動(dòng)，不利于夾雜物的上浮和氣體排出，流速大時(shí)鋼包上下流動(dòng)有利于夾雜物上浮和氣體排出。吹氣量不同時(shí)流動(dòng)情況更好于吹氣流量相同。靜置10 min鋼液流動(dòng)路線如圖3所示。

3.3 溫度場(chǎng)分析

圖4 吹氬30 min溫度分布云圖

(左上氬氣流量為兩個(gè)5L/min；中上氬氣流量為兩個(gè)10L/min；右上氬氣流量為兩個(gè)15L/min；左下氬氣流量為兩個(gè)20L/min；中下氬氣流量為一個(gè)左孔15L/min一個(gè)右孔10L/min；右下氬氣流量為一個(gè)左孔15L/min一個(gè)右孔20L/min)

按照設(shè)定散熱數(shù)據(jù)，吹氬三十分鐘時(shí)氬氣帶走的熱量遠(yuǎn)大于鋼包壁面散熱，流速越大散熱量愈大。溫度分布云圖如圖4所示。

4 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬得出以下結(jié)論：(1)偏心底吹易形成鋼包循環(huán)，并且兩孔吹氣量不同時(shí)，吹氣死區(qū)比例較小于兩孔吹氣量相同時(shí)死區(qū)比例。(2)氬氣流量越大對(duì)鋼液的攪拌速度越大，越有利于氣體排出和夾雜物上浮，但湍流耗散率會(huì)增大，降低動(dòng)能利用率。(3)氣體流動(dòng)帶出熱量比鋼包壁面散熱量大很多，減小鋼包頂面散熱是保持鋼液溫度的關(guān)鍵。