100 t鋼包吹氬工藝優化數值模擬研究

張維維，李忠武，廖相巍，尚德禮

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021）

LF是一種經濟適用而且簡單易行的爐外精煉設備。鋼包底吹氬氣是LF精煉過程中的主要技術之一，通過吹氬對鋼水進行攪拌，可以改善鋼水動力學條件，促進鋼-渣間反應，提高脫氧、脫硫能力并有效地均勻鋼水溫度和成分，因此該技術在國內外得到廣泛應用。底吹氬氣過程中，會使鋼水產生 “渣眼”（鋼包鋼-渣界面上渣層吹開后出現的裸露鋼水的位置），底吹氬氣流量的變化會使 “渣眼”面積產生相應的變化，同時鋼水在鋼包內運行特性和 “死區”（鋼包內鋼液流動速度非常小的區域）比例也會隨之變化。因此，選擇最佳吹氣量對鋼包吹氬取得良好效果至關重要。許多研究者對此做過物理模擬和數學模擬，但多數局限于二維體系下的氣、液兩相流動，無法如實反映鋼包內液、氣兩相并存的三維非穩態流動。國外學者開展的三維數值模擬研究表明，提高吹氬量可以促進鋼-渣反應，有利于脫硫反應的進行，提高脫硫率。

本文針對100 t鋼包精煉底吹氬氣的具體工況，建立了LF精煉三維吹氬模型，采用ANSYS CFX18.0軟件進行計算，得到鋼包內氣、液兩相并存的三維流動狀態。分析不同吹氬量下鋼水的流動行為，提出最優的氬氣吹入量，對鋼包精煉過程節能降耗提供了理論依據。

1 數學模型和參數

1.1 控制方程

根據混相理論，多相流總變量仍然遵守基本的流體力學運動方程。其中連續方程、動量方程和浮力方程分別如下：

由于鋼液和氬氣密度差異很大，會產生較大的向上浮力推動氬氣泡上浮，同時帶動附近的鋼液流動。為了研究鋼液和氬氣兩相流動行為，采用多相流動體積法（VOF）進行求解，要求相間不能相互混合，每一相引入一個變量，對應一個體積分數。在每個控制容積中，所有相的體積分數之和為 1，即：

式中，φ和φ分別為氬氣和鋼液的體積分數。

采用歐拉-拉格朗日兩相流模型和標準k-ε湍流模型進行求解計算，其中液體定義為連續流體，氣體為分散相。

透氣磚星線槽設為氣體入口，假設氣體流量在各個星線槽內均勻分布。入口條件采用速度入口，鋼包表面渣層設為自由液面，鋼水可以產生向上和向下的波動，鋼水與鋼包的接觸面為光滑、無滑移壁面。設定系統內具有浮力，由密度差產生。

1.2 模型參數

鋼包有關操作參數見表1，鋼包、透氣磚、星線槽模型見圖1。

表1 鋼包有關操作參數Table 1 Relevant Operation Parameters for Ladle Furnace

圖1 鋼包、透氣磚、星線槽模型Fig.1 Models for Ladle,Purging Plug and Star-Lines

2 模型計算結果及分析

2.1 鋼包內的鋼液運動

吹氬量為 50、100、200、300、400、500 L/min 時鋼包內鋼液運動規律分別見圖2～圖7所示，各圖中（a）～（d）均分別為鋼渣界面速度云圖、鋼渣界面速度矢量圖、中心平面速度云圖和中心平面速度矢量圖。

由圖2～圖7可以看出，鋼包吹氬過程中，在氬氣泡的推動下，鋼水向上運動，最終達到鋼-渣界面即自由液面。吹氬量增大后，鋼包內鋼液在自由液面的最大速度增大，分布形態也相應發生變化。鋼包中心平面上的鋼液速度隨之增大，最大速度出現在透氣磚出口位置。表征了氬氣自透氣磚出口吹入后，帶動周圍的鋼液向上運動，氣流逐漸分散、速度減小，形成下部寬上部窄的氣柱。氣流量越小，達到自由液面的分散程度越大。

圖2 吹氬量為50 L/min時鋼包內鋼液的運動規律

圖3 吹氬量為100 L/min時鋼包內鋼液的運動規律

圖4 吹氬量為200 L/min時鋼包內鋼液的運動規律

圖5 吹氬量為300 L/min時鋼包內鋼液的運動規律

圖6 吹氬量為400 L/min時鋼包內鋼液的運動規律

圖7 吹氬量為500 L/min時鋼包內鋼液的運動規律

鋼-渣界面的波動將改變液渣層的厚度分布，部分鋼包頂渣被吹開形成“渣眼”。若吹氬量過大，波動過于劇烈就會產生鋼、渣過度卷混，使鋼水純凈度下降，產生不利影響。文獻表明，當鋼-渣界面鋼水流動速度大于0.3 m/s時，會產生鋼、渣卷混現象，因此該值為臨界速度，大于這個速度時，鋼液會將渣層吹開，形成“渣眼”。

計算得到100 t鋼包吹氬過程中各個吹氣量形成的“渣眼”直徑、面積及其占自由面的面積百分比，如表2所示。

表2 “渣眼”直徑、面積及其百分比Table 2 Diameters,Areas and Percentages of Slag Holes

2.2 鋼包內活躍區體積的變化

一般對“死區”的研究較少。本文定義鋼水運動速度小于0.01 m/s的區域為“死區”，其他區域為活躍區。不同吹氬量下的鋼水“死區”體積百分比變化情況見表3。

表3 “死區”體積百分比變化情況Table 3 Changes of Volume Percentages for Dead Region

從表3可以看出，吹氬量為50～200 L/min時，“死區”體積比例明顯減少；吹氬量為200 L/min時，比例僅為7.15%；吹氬量大于200 L/min后，比例降低幅度明顯減小；吹氬量為300～500 L/min時，“死區”體積比例接近。

綜合分析吹氬量對“渣眼”和“死區”體積的影響可以發現，在吹氬量提升到300 L/min時，“渣眼”面積提高幅度很大，“死區”體積也有所減小；100～200 L/min區間內，兩個指標變化不大。因此，當吹氬量達到300 L/min時，鋼包內流動和自由表面即鋼-渣界面的流動有較大變化，可以使鋼水產生較強的運動，會更有利于脫硫的進行，同時“渣眼”面積不大，不會引起鋼、渣的過多混合而影響鋼水純凈度。

3 結論

（1）LF精煉鋼包底吹氬氣攪拌的過程中，當吹氬量在50～500 L/min的范圍內時，增大氬氣流量有利于增大“渣眼”面積，強化鋼水運動，縮小“死區”體積比例，有利于脫硫反應的進行。但當吹氬量超過300 L/min時，“死區”體積比例降低幅度變緩。

（2）綜合最佳“渣眼”面積和“死區”比例，確定100 t鋼包的最佳吹氬量為300 L/min。