LF吹氬精煉過程計算機

模擬仿真朱苗勇myzhu@

LF吹氬過程夾雜物行為的模擬

●湍流流動●噴吹模式●夾雜物的性質

Schematicrepresentationofgas-stirredladles圓臺型鋼包內的計算流場與實測流場比較

(a)

鋼包中某位置的濃度隨時間的變化

示蹤劑不同加入位置時，6種噴吹方式下鋼包內混合時間的計算值和平均實測值

氣泡流行為夾雜物行為鋼包吹氬

氣含率分布

鋼液流動鋼液湍流脈動

夾雜物傳輸夾雜物的碰撞聚合夾雜物的去除吹氬精煉鋼包內夾雜物行為

夾雜物-夾雜物湍流隨機碰撞夾雜物行為氣泡流行為氣泡分布

鋼液流場鋼液湍流脈動

夾雜物傳輸夾雜物碰撞聚合夾雜物去除氣泡湍流擴散力夾雜物-夾雜物Stokes碰撞效率氣泡尾渦捕捉渣圈影響氣泡誘導湍流前人未考慮的現象和機理夾雜物-氣泡湍流隨機碰撞(1)氣泡湍流擴散力(—)(a)湍流擴散力對熔池氣含率分布的影響:a)不考慮

,b)考慮

.(b)(—)●鋼包中氣含率分布對氣泡流行為和夾雜物去除行為有著重要的影響。●Euler–Euler模型中,由于氣泡湍流擴散現象被忽略，前人預測的氣泡群主要呈圓柱形態分布。湍流擴散力

是氣泡滑移速度，表示液體湍流脈動對氣泡擴散的影響。(2)氣泡誘導湍流

氣泡誘導湍流對熔池液體湍動能的影響(a)不考慮,(b)考慮(a)(b)(m2/s2)(m2/s2)●鋼液湍流流動對夾雜物傳輸、碰撞聚合及去除有著顯著的影響。●氣泡上升過程中，氣液兩相之間的速度差會做功并產生液體湍動能，即氣泡誘導湍流。可見，吹氬鋼包中氣泡誘導湍流是液體湍流產生的主導因素，模型描述過程中是不可或缺的。氣泡誘導湍流

表示氣泡誘導能量的湍流轉化系數。(3)夾雜物-夾雜物Stokes碰撞效率

顆粒上浮碰撞過程中，大顆粒周圍流場對小顆粒運動軌跡的影響沒有被考慮。夾雜物-夾雜物Stokes碰撞

在冶金反應器中，夾雜物-夾雜物的Stokes碰撞是夾雜物碰撞聚合的重要因素之一。碰撞速率夾雜物顆粒間尺寸差別越大，夾雜物之間的Stokes

碰撞速率就越大。表示兩個不同尺寸夾雜物在Stokes上浮過程中的實際碰撞概率。

(4)夾雜物湍流隨機運動在湍流流場中，伴隨著湍流能量產生與耗散，渦旋會不斷的形成與分裂，其中，分解后最小的旋渦尺寸被稱為柯爾莫哥洛夫微尺寸（Kolmogorovmicroscale）夾雜物被包含中最小渦旋中，并在粘性力作用下跟隨液體一起運動。在流場中，夾雜物在液體湍流旋渦的碰撞下，呈現湍流隨機運動。Eddiesingas-stirredladle湍流隨機運動速度Kolmogorovmicroscale夾雜物-夾雜物湍流隨機碰撞

夾雜物-氣泡湍流隨機碰撞夾雜物湍流隨機上浮湍流隨機運動的幾種方式夾雜物湍流隨機運動對夾雜物的碰撞聚合、去除有著重要影響，并主要體現以下幾種方式：For

表示夾雜物湍流隨機碰撞概率—湍流隨機碰撞速率—夾雜物-氣泡湍流隨機碰撞速率For—夾雜物湍流隨機運動的上浮概率氣泡尾渦●氣泡上升過程中，在氣泡底部，一對尾渦會周期性地形成與脫離●在渣-金界面附近的夾雜物會被氣泡尾渦捕捉，并被帶入渣層而去除.(5)氣泡尾渦捕捉—氣泡尾渦捕捉夾雜物的去除速率

—尾渦與氣泡的體積比(6)渣圈的影響●在渣圈中，粘附在氣泡上的夾雜物會隨著氣泡的破裂而重新返回進入鋼液。渣圈渣圈尺寸渣圈面積鋼液高度渣層厚度氣體流量數學模型CFD-PBM耦合模型的求解方案鋼包頂部直徑3115mm鋼包底部直徑2578mm鋼包高度3200mm底吹氬氣流量10-200NL/min鋼液密度7100kg/m3氣液表面張力1.4N/m氬氣密度0.865kg/m3夾雜物密度3900kg/m3鋼液的黏度0.0055Pas●鋼包底部和邊壁被設置為無滑移固體壁面，并采用標準壁面函數來描述近壁面處的湍流流動。●鋼包吹氬噴嘴設置為氣體速度入口，氣體速度根據氣體流量計算。●

鋼包頂部為自由液面，氣體可逸出。●鋼包中4—200μm的夾雜物尺寸被考慮計算與邊界條件在低氣流量下，夾雜物聚合長大主要是依靠湍流剪切碰撞和Stokes碰撞共同作用，其中Stokes碰撞是主導作用，而湍流隨機碰撞基本可以忽略。夾雜物碰撞聚合機理10NL/min50NL/min

隨著氣流量的增加，湍流剪切碰撞作用增強，并變成夾雜物聚合長大的主導作用。另外，湍流隨機碰撞作用逐漸增強，而

Stokes上浮碰撞作用逐漸減弱。夾雜物碰撞聚合機理100NL/min200NL/min200NL/min●吹氣攪拌初期，夾雜物去除主要是由氣泡尾渦捕捉和氣泡-夾雜物浮力碰撞起主導作用●吹氣攪拌中期和后期，隨著夾雜物聚合長大，氣泡-夾雜物湍流隨機碰撞作用逐漸增強，并逐漸成為夾雜物去除的主要方式。夾雜物去除機理中心單吹、偏心單吹、雙嘴吹的影響●噴嘴由中心移到偏心，氣泡群向壁面彎曲，增大氣泡停留時間，氣泡-夾雜物浮力碰撞和氣泡尾渦捕捉夾雜物作用有所增強。但由于氣泡柱中湍動能的降低，氣泡-夾雜物湍流碰撞作用明顯降低。●雙孔噴吹時，氣泡在鋼包中的分散性更好，氣泡-夾雜物浮力碰撞和氣泡尾渦撲捉作用明顯增加。總的來說，在相同吹氣條件下，雙孔噴吹去夾雜物效果最好，單孔偏心去夾雜物效果最差。

中心偏心雙孔●當45deg被采用時，兩個氣泡柱流股距離很近，并相互吸引重疊，氣泡利用率較低，且氣泡柱中心的湍動能也相對較低。因而夾雜物總去除率最低。●隨著角度的增加，兩個氣泡流逐漸分離，且流股中心湍動能也逐漸增大，因而夾雜物總的去除速率增加。●角度超過135deg時，夾雜物去除效果相差不大。噴嘴布置角度的影響45deg90deg135deg噴嘴徑向距離的影響0.3R0.5R0.7R●當0.3R被采用時，氣泡流股相互重疊，且流股中心湍動能最弱，因而夾雜物的去除率最低。●隨著徑向距離的增加，氣泡流股逐漸分散，且流股中心湍動能逐漸增強，夾雜物去除率逐漸增強。●當徑向距離超過0.7R時，氣泡流股受到壁面阻擋，氣泡分散性較差，夾雜物去除率降低。氣流量的影響隨著氣流量的增加，夾雜物去除率逐漸增加，但當氣流量超過300NL/min時，夾雜物去除率變化較小。

較低吹氣流量下,夾雜物-夾雜物湍流剪切碰撞和Stokes碰撞是夾雜物聚合長大的主導因素。隨吹氣流量的增加，湍流剪切碰撞作用逐漸增強并成為夾雜物聚合長大的主導機理，當氣流量超過100NL/min時，湍流隨機碰撞聚合變得更重要。

采用CFD-PBM

耦合模型描述了底吹氬鋼包中的氣泡湍流行為、夾雜物傳輸、碰撞聚合及去除行為，揭示了不同條件下各個機理和現象在夾雜物聚合、去除行為的作用規律。

吹氣攪拌初期，夾雜物去除主要是由氣泡尾渦撲捉和氣泡-夾雜物浮力碰撞起主導作用。吹氣攪拌中期和后期，隨著夾雜物的聚合長大，氣泡