張欣利，張文懋，喬通，張世雄，趙定國

( 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063210)

摘要: 高壓底吹條件下鋼液流動運動行為復(fù)雜，采用數(shù)值模擬分析了壓力、底吹流量、底吹位置及鋼液面高度對熔池內(nèi)鋼液流動的影響。模擬結(jié)果表明: 高壓條件下，隨著壓力的增加，熔池內(nèi)的速度分布均勻，梯度減小程度小。鋼液的平均速度隨底吹流量的增加而增加。隨底吹噴孔位置向熔池壁靠近，主循環(huán)回路變長。隨著熔池液面高度的上升，氣液兩相區(qū)的徑向范圍變廣，速度梯度減小，熔池內(nèi)死區(qū)比例降低; 達到一定高度后，氮氣到達熔池液面時速度變小。研究高壓底吹條件下鋼液的流動行為，對鋼包內(nèi)鋼液底吹精煉具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞: 高壓底吹氮氣; 鋼液流動; 數(shù)值模擬

0 引言

常壓下鋼包底吹氣體的數(shù)值模擬和物理模擬已有大量的研究，但對高壓條件下鋼包內(nèi)流場的數(shù)理模擬較少，高壓底吹氣體對鋼液流場、湍動能等的影響規(guī)律還未見定論。

煉鋼過程中，噴吹氣體攪拌鋼液可以均勻成分和溫度，加快傳質(zhì)。因此，冶金專家學(xué)者對中間包內(nèi)的流場^{［1 － 3］}、RH 真空精煉過程的流場^{［4 － 6］}、結(jié)晶器內(nèi)的流場^{［7 － 9］}等進行了大量的研究。對鋼液流場的研究一般是處于常壓和真空狀態(tài)下的，對高壓條件下的流場的研究較少。研究高壓條件下流場的變化對高壓冶金的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

1 研究方案設(shè)計

采用Fluent 數(shù)值模擬軟件對高壓底吹氮氣時鋼液的流場進行模擬，設(shè)計選用L9( 34 ) 的正交表進行流場模擬實驗，正交實驗的因素與水平如表1 所示，模擬條件如圖1 所示。

按照設(shè)計方案進行正交實驗，高壓底吹氮氣鋼液流場影響因素的正交實驗設(shè)計如表2 所示。

2 模型的建立

對熔池內(nèi)高壓底吹氮流場的數(shù)學(xué)模擬有以下假設(shè): 高壓底吹氮過程中，驅(qū)使鋼液循環(huán)流動的主動力為氣泡浮力; 流體設(shè)定為不可壓縮的粘性流體，鋼液密度為常數(shù); 流動為定常流動; 熔池壁面、底面光滑，頂部液面為光滑的自由面; 氣泡是大小均勻，具有同一直徑的球體; 運動過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng); 忽略溫度對鋼液流場的影響。

用Gambit 建立熔池模型，劃分網(wǎng)格，如圖2( a) 、2( b) 所示，該偏心底吹模型共67 465 個網(wǎng)格，將Gambit 劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 中，按正交實驗設(shè)計進行運算。底吹噴嘴位于X 軸距熔池中心a mm處，鋼液面距離熔池底部b mm。取熔池的3 個主要截面進行分析，分別為x = a 的A 截面，y = 0 的B截面，z = b 的C 截面，如圖2( c) 所示。

3 高壓底吹鋼液流場模擬結(jié)果與分析

按表2 方案進行正交模擬實驗，得到高壓底吹條件下B 截面速度矢量圖，如圖3 所示。

由圖3 可知，高壓底吹條件下熔池底吹氮氣時，氮氣自熔池底噴嘴進入熔池內(nèi)，帶動熔池內(nèi)鋼液向上流動形成上升流股。當氣液兩相區(qū)到達熔池液面時，氣液分離，氮氣進入熔池上部的高壓氮氣氛，鋼液在慣性力和重力的共同作用下，形成流向熔池壁的表面流。鋼液形成的表面流到達熔池壁后，在高壓作用和熔池壁的阻擋下轉(zhuǎn)而沿側(cè)壁向熔池底部流動。在氣液兩相區(qū)的卷吸作用下，再次流入氣液兩相區(qū)，形成循環(huán)流。此流場形成的主要驅(qū)動力是慣性力和氣泡浮力，在其驅(qū)使下氣液兩相區(qū)的中心速度最大，速度由中心沿徑向方向逐漸減小，循環(huán)流中心速度接近為零。高壓底吹條件下的B 截面速度分布云圖，如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著底吹速度的增加，氣液兩相區(qū)的上升速度增加，增強了對氣液兩相區(qū)附近鋼液的卷吸能力，氣液兩相區(qū)附近同一位置的鋼液向上流動的速度增加，使得氣液兩相區(qū)在同一高度的橫截面積增加，帶動周圍鋼液上升的范圍增加，熔池頂部及底部的鋼液速度也明顯增大，使得熔池內(nèi)部整體的速度隨之增加，速度分布更均勻，速度梯度減小，有利于氮氣對鋼液的攪拌和混勻效果，減小死區(qū)。同時，瞬時吹入熔池內(nèi)的氮氣泡數(shù)量隨底吹速度的增加而增加，氮氣泡與熔池內(nèi)鋼液的總接觸面積增加，有利于熔池內(nèi)氮氣向鋼液中傳質(zhì)的效果。

對比圖3( c) 和圖4( c) 可知，當?shù)状祰娍孜恢梦挥谄?1 mm 時，上升流股很快與熔池壁發(fā)生接觸，使得大型氣液兩相區(qū)的橫截面積減小，靠近熔池壁一側(cè)的小循環(huán)流消失。結(jié)合圖3( a) 、3( b) 、3( c)和圖4( a) 、4( b) 、4( c) 可知，隨著底吹噴孔位置向熔池壁的偏移，流場中氣液兩相區(qū)遠離熔池壁一側(cè)主循環(huán)流的回路變長，速度分布均勻，速度梯度減小。由此表明，底吹噴孔位置的偏移，使得小循環(huán)流消失，主循環(huán)回路變長，有利于氮氣對鋼液的傳質(zhì)和混勻效果，減小了鋼液死區(qū)比例。

4 結(jié)論

(1) 高壓條件下，鋼液的平均速度隨底吹流量的增加而增加。高壓條件下，隨底吹噴孔位置向熔池壁靠近，使得小循環(huán)流消失，主循環(huán)回路變長，有利于鋼液的混勻和傳質(zhì); 過于偏心底吹，氣液兩相區(qū)與熔池壁的碰撞，造成能量損失和熔池壁材料的損耗。

(2) 高壓條件下，隨著熔池液面高度的上升，氣液兩相區(qū)的徑向范圍變廣，速度梯度減小，熔池內(nèi)死區(qū)比例降低。達到一定高度后，氮氣到達熔池液面時速度變小，動能變少。

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