RH 精煉過程中鋼液流場數值模擬

陳 勇，李廷剛，鄭 偉，馬仲群，孫建鵬，毛 勇

（五礦營口中板有限責任公司，遼寧 營口 115000）

RH 精煉工藝以其脫氣去夾雜能力強，生產周期短，精煉效果好等特點被當代鋼廠廣泛采用[1]。RH精煉爐在高真空條件下將鋼水抽入真空室內，并通過通入環流驅動氣體驅動鋼水循環流動，增強攪拌效果。環流氣體流量的大小對，直接影響著精煉效果的好壞，環流氣體流量的最佳值設定，就成了煉鋼工作者需要攻關的一個重要課題。

1 數學模型的建立

本文通過對RH 精煉過程鋼水內部流場特性的研究，鋼水流動的數學模型，應用fluent 求解軟件進行求解，對RH 內部流場進行數值模擬。

1.1 合理假設

對RH 精煉過程中鋼水內部流場進行數值模擬時，考慮到計算成本應忽略一些對流場分布影響較小的條件，本文對該過程進行了合理假設，假設條件如下[2]：

1）將鋼水流動的初始速度設為定值，作為驅動鋼水循環的驅動力。

2）將真空室內的鋼液表面當作水平面處理。

3）忽略鋼渣對鋼水流動的影響。

4）將鋼水看作不可壓縮流體，且將整個過程視為穩態流動處理。

5）忽略溫度變化對鋼水黏度、密度等物性參數的影響。

1.2 幾何模型的建立與網格的劃分

應用solidworks 軟件根據某煉鋼廠精煉爐實際尺寸及生產狀況建立幾何模型，導入CFD 前處理軟件icem 中劃分網格。RH 精煉過程鋼水流體區域幾何結構相對較為簡單，因此模型建立的是自動生成的非結構體網|格，在壁面設置邊層網格，并在流速較大區域進行了網格加密，網格如圖1 所示。

圖1 網格視圖

1.3 控制方程

本文將RH 精煉過程中的鋼水流動視為穩態不可壓縮湍流流動，應用fluent 求解器中的k-ε 模型進行模擬，k-ε 方程如下：

k方程：

ε 方程：

式中：σk 為斷流普朗特數。

1.4 邊界條件的設置

取吹氣口上方設置界面設置為入口邊界，對應下降管道位置設置為出口邊界，入口邊界條件設置為速度入口，出口條件設置為自由流出出口。真空室及鋼包鋼液界面設置為自由滑移wall 邊界，其余壁面設置為無滑移wall 界面。

2 實驗與結果

2.1 實驗方案

根據某鋼廠實際生產數據與設備情況，將氣體還流量與鋼水環流速度進行換算，并設計出三套實驗方案進行對比，方案具體如表1 所示。

表1 實驗方案

3.2 實驗結果與分析

根據上述方案進行模擬運算得出鋼水流場矢量圖如圖2 所示。圖2-1、圖2-2、圖2-3 分別為環流氣體流量為40 m3/h、50 m3/h、60 m3/h 的鋼水內部流場矢量圖，比較分析可得，環流氣體流量為40 m3/h時鋼水行走路線比較短，由出口流出后較快回到上升管道，攪拌不完全，不利于RH 精煉脫氣去夾雜，環流氣體流量為50 m3/h、60 m3/h 時鋼水行走路線較長，且形成回流有利于RH 精煉功能的實現。在實際生產過程中，除考慮精煉效果外還需考慮鋼水對耐火材料的沖刷，以及設備折舊等成本問題，因此綜合考慮，將該公司環流氣體流量設置為50 m3/h 為最佳。

圖2 鋼水流場矢量圖

3 結語

通過對RH 精煉過程的數值模擬分析可得：RH精煉的精煉處理能力隨著氣體還流量的增加而增加，考慮到設備問題，本文研究的RH 精煉設備氣體還流量應以50 m3/h 為最佳。