鋼包底吹氬過程夾雜物去除數(shù)值模擬研究

郭永謙 李京社 黃 婷

(北京科技大學(xué))

0 前言

隨著社會的發(fā)展，對鋼的強(qiáng)度、韌性、壽命和加工性能的要求日趨嚴(yán)格，對鋼的化學(xué)成分和組織均勻性的要求也日趨嚴(yán)格。鋼中非金屬夾雜物的存在是影響鋼制品性能的重要因素，有時甚至是決定性因素。鋼包底吹氬技術(shù)由于具有加速渣金反應(yīng)，均勻鋼水溫度和成分以及有效去除非金屬夾雜物等優(yōu)點，目前被冶金企業(yè)廣泛使用。針對鋼包底吹氬過程中夾雜物的去除行為，許多學(xué)者對此開展了研究，但由于鋼水的高溫特性，難以進(jìn)行直接的觀察，因此數(shù)值模擬方法得到了廣泛運用［1］。本研究以LF爐底吹氬氣鋼包為原始模型，選擇Al2O3為夾雜物顆粒參照物，通過使用Fluent商業(yè)軟件，進(jìn)行合理假設(shè)后，建立離散相數(shù)學(xué)模型(DPM)，研究不同夾雜物粒徑為過程中的運動及去除情況。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

采用大型商業(yè)軟件FLUENT，在拉格朗日坐標(biāo)下對x，y，z三個方向上的夾雜物顆粒，在鋼液中的運動軌跡進(jìn)行計算，模擬流場中離散的第二項，由球形顆粒構(gòu)成的第二項分布在連續(xù)相中。以x方向為例，夾雜物顆粒作用力在直角坐標(biāo)系下可由以下公式表示［2］：

式中：FD——為夾雜物顆粒的單位質(zhì)量曳力;

V——流體相速度;

Vp——顆粒速度;

ρ——流體密度;

ρp——顆粒密度。

公式(1)中夾雜物顆粒的單位質(zhì)量曳力可由以下公式計算得出：

式中：dp——顆粒直徑;

Re——相對雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù))。

對于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，公式(2)中的 a1，a2，a3為常數(shù)［3］。

1.2 模型假設(shè)

為了便于研究，模型做出了以下假設(shè)：

1)假設(shè)夾雜物形狀為球形顆粒;

2)鋼包夾雜物去除主要是表面渣層吸附，假設(shè)夾雜物運動到液面就認(rèn)為被渣層吸附;

3)忽略夾雜物顆粒間聚合長大過程及鋼包壁面對夾雜物的吸附過程;

4)夾雜物運動過程認(rèn)為所受力為粘性力和重力，忽略其它力的影響。

1.3 模型參數(shù)

研究對象為某鋼廠的150 t鋼包，鋼包幾何尺寸和材料物理屬性見表1、表2。

表1 鋼包幾何尺寸

表2 材料物理屬性

模型的計算區(qū)域共劃分了85118個單元網(wǎng)格，其網(wǎng)格劃分情況和坐標(biāo)系如圖1所示。兩個吹氣孔相對圓心成90°夾角，距離圓心的距離為567 mm。

圖1 鋼包計算域和網(wǎng)格圖

2 計算方案

模擬中以單顆粒夾雜物為研究對象，分別選擇夾雜物顆粒粒徑為 5 μm、50 μm、100 μm 三種大小，在拉格朗日法下的顆粒追蹤軌跡模型跟蹤計算夾雜物顆粒參數(shù)，底吹氬氣體流量為400 L/min，計算方法如下：

1)為研究夾雜物顆粒在鋼包內(nèi)不同位置的運動特質(zhì)，現(xiàn)將鋼包計算區(qū)域劃分為上、中、下三個不同區(qū)域;

2)每個區(qū)域內(nèi)在鋼包壁和鋼包中心面上選取6個不同特征點，具體劃分方式如圖2所示;

圖2 鋼包內(nèi)夾雜物計算區(qū)域劃分圖

3)對每個區(qū)域上的特征點，不同夾雜物粒徑(5 μm、50 μm、100 μm)進(jìn)行數(shù)值模擬計算;

4)計算過程中認(rèn)為夾雜物運動到渣層即為去除;

5)對不同粒徑夾雜物在每個區(qū)域內(nèi)運動軌跡、去除時間輸出。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 鋼包內(nèi)不同部位處夾雜物去除時間

鋼包內(nèi)夾雜物去除時間比較長的位置集中在1、2、3;11、22、33;以及111、222、333 區(qū)域，即這些區(qū)域都是分布在鋼包兩吹氣孔連線中心面(鋼包對稱面)處。在鋼包對稱面處靠近鋼包上部和鋼包底部區(qū)域的夾雜物去除時間要長，比較鋼包對稱面上、中、下區(qū)域上的特征點2、22和222三個點夾雜物去除時間可知，2、222號區(qū)域夾雜物去除時間分別為601 s和615 s，而中部區(qū)域22號夾雜物去除時間高達(dá)1050 s，比上、下部區(qū)域去除時間高約75%。這是因為在鋼包對稱面中部區(qū)域22處的鋼水流場存在較大漩渦，而上部和下部區(qū)域是相距該區(qū)域較遠(yuǎn)，而在大漩渦區(qū)域的夾雜物運動時間長較難去除。5 μm夾雜物在鋼包不用徑向截面時的去除時間見表3。

表3 5 μm夾雜物去除時間

靠近鋼包對稱面和在鋼包壁處的夾雜物去除時間明顯高于鋼包壁與對稱面之間區(qū)域的夾雜物去除時間。在鋼包壁與鋼包對稱面之間的區(qū)域4、5、44、55、444、555夾雜物去除時間最少。以夾雜物之間為5 μm為例，鋼包上部位于鋼包壁與對稱面之間區(qū)域(5號區(qū)域)夾雜物去除時間為為8 s，而靠近鋼包壁面處(6號區(qū)域)夾雜物去除時間高達(dá)520 s;同時在鋼包中部和下部區(qū)域同樣出現(xiàn)這樣的趨勢。由于在靠近鋼包壁處的鋼水處于弱流區(qū)域，夾雜物在此位置活動不充分較難上浮到鋼包表面被渣層吸附去除。

3.2 夾雜物尺寸對去除時間的影響

夾雜物直徑較小時(5 μm)，夾雜物運動受到浮力的影響較小，運動軌跡比較復(fù)雜，平均停留時間平均510 s;隨著夾雜物顆粒直徑的增加，其上浮去除也較快，夾雜物去除因素主要受到鋼水作用力和浮力的共同作用;夾雜物直徑為50 μm時平均停留時間約426 s，當(dāng)夾雜物直徑增加到100 μm時，夾雜物顆粒在鋼包內(nèi)的運動軌跡更短，經(jīng)過約320 s后即可上浮到鋼包頂部被渣層吸附去除。鋼包壁附近中部區(qū)域不同直徑夾雜物運動軌跡如圖3所示。

圖3 鋼包壁附近不同尺寸夾雜物運動軌跡

數(shù)值模擬計算過程中假設(shè)夾雜物運動到鋼包頂部即可去除，但是在現(xiàn)場操作中存在夾雜物不可去除區(qū)域及難去除顆粒，在實際生產(chǎn)過程中，不同粒徑夾雜物之間會產(chǎn)生碰撞長大，故此種情況在實際操作中可以避免。通過對不同直徑夾雜物在鋼包內(nèi)運動情況研究，對鋼包內(nèi)遠(yuǎn)離對稱面各區(qū)域的停留時間進(jìn)行計算，統(tǒng)計得出夾雜物顆粒在鋼包內(nèi)運動過程中，由于鋼水氣泡的帶動攪拌作用，將一些夾雜物顆粒帶入到鋼水弱流區(qū)，夾雜物在弱流區(qū)區(qū)域內(nèi)停留時間較長，在此顆粒軌跡線上停留時間最長的為鋼包底部靠近雙吹氣孔區(qū)域，此區(qū)域的停留時間為10 min。

3.3 鋼包對稱面處夾雜物運動軌跡

鋼包對稱面處夾雜物較難去除區(qū)域的鋼水流場及對稱面大回旋中心處不同直徑夾雜物的運動軌跡如圖4所示。

圖4 鋼包對稱面處流場及夾雜物運動軌跡

由圖4可以看出，在鋼包對稱面處存在2個回旋區(qū)，分別位于兩吹氣孔連線兩側(cè)，靠近吹氣孔的鋼包壁面處的回旋區(qū)域較小，而遠(yuǎn)離吹氣孔位置存在一個大回旋區(qū)。夾雜物在遠(yuǎn)離鋼包吹氣孔位置的大回旋區(qū)漩渦中心處的運動比較復(fù)雜，其運動軌跡幾乎只在對稱面上做二維運動，在漩渦中停留時間也長，直到夾雜物運動到回旋區(qū)外才隨著鋼水的運動上浮到鋼包表面被渣層吸收去除。

4 結(jié)論

通過對LF精煉爐鋼包內(nèi)不同夾雜物直徑下，在鋼包上、中、下不同區(qū)域內(nèi)夾雜物運動軌跡及去除時間進(jìn)行模擬計算，得出以下結(jié)論：

1)鋼包內(nèi)夾雜物運動比較復(fù)雜，鋼包各區(qū)域的夾雜物去除時間不同，雙孔對稱面附近的夾雜物較難去除，該處流場存在較大漩渦，漩渦內(nèi)部的夾雜物運動呈“二維流動”;

2)夾雜物在靠近鋼包壁處由于處于鋼水弱流區(qū)，夾雜物去除時間較長;

3)小顆粒夾雜物運動受浮力影響較小，大顆粒夾雜物上浮受鋼水作用力和浮力雙重影響。

［1］ V.D.FELICE，I.L.DAOUD，etc.Numerical Modelling of Inclusion Behaviour in a Gas-stirred Ladle［J］，ISIJ，2012，52(7)：1273-1280.

［2］ 陳義勝，賀友多，黃宗澤，任三兵.合金在 LF鋼包精煉過程中的變化研究［J］.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報，2004，23(4)：296-299.

［3］ S.A.Morsiand A.J.AlexandeAn Investigation of Particle Trajectories in Two-Phase Flow Systems［J］.Fluid Mech.，1972，55(2)：193-208，