噴吹鐵水脫硫過程中氣液兩相數值模擬研究

2014-01-13 09:54:06曹興平王長勇杜海濤

冶金設備 2014年1期

曹興平王長勇杜海濤

（1：北京中冶設備研究設計總院有限公司北京100029；2：固安金科源機電自動化有限公司河北固安065500）

1 前言

隨著工業社會對鋼材的高品質需求，生產高品質、高附加值鋼種技術已經成為鋼鐵企業的核心競爭力?，F代鋼鐵工業典型優化生產工藝流程為“高爐煉鐵－鐵水脫硫－轉爐煉鋼－爐外精煉－連鑄連軋”，其中，經濟高效的鐵水脫硫是其重要環節之一。噴吹脫硫法能夠滿足現代鋼鐵工業對深脫硫、高效率、少渣量、小溫降的要求，被現代鋼鐵企業廣泛應用。在噴吹鐵水脫硫中，脫硫劑在鐵水中的流動是決定脫硫效率和脫硫效果的關鍵因素，噴槍在鐵水包中的位置對脫硫劑在鐵水中的流動具有重要影響。

噴吹脫硫法中，氮氣攜帶著脫硫劑進入到鐵水中具有兩個重要目的，一是將脫硫劑帶入到鐵水中；二是強化鐵水的擾動，增加硫與脫硫劑的接觸幾率，提高反應速率和脫硫效果。載氣對鐵水的攪拌、脫硫劑在鐵水中的運動等流動過程，都將直接影響脫硫效果。從氣－液兩相流出發，忽略脫硫劑與硫的化學反應，建立數學模型，在ANSYS平臺上數值模擬鐵水包中鐵水和氮氣的流動行為，分析鐵水和氮氣在質量、動量上的相互作用，探討錐形噴槍在三個不同深度時對鐵水包內氣液兩相流動的影響，為工程實際確定合適的錐形噴槍深度提供堅實的理論基礎。

2 數學物理模型的建立

圖1為采用錐形噴槍脫硫的鐵水包三維模型，使脫硫噴槍深入鐵水包內距離包底為100mm、200mm 和300mm，建立1／4個鐵水包的物理模型。

忽略脫硫反應以及脫硫劑顆粒對流動的影響，主要分析鐵水包內的氣液兩相的流動與傳質過程。采用多相流模型中的Eulerian模型來模擬噴吹過程，選用κ－ε雙方程模型計算流體的湍動過程，以鐵水為主相，氮氣為第二相，各相數學模型包括連續方程、動量方程、湍流動能方程和湍流耗散方程。

圖1 錐形噴槍1／4物理模型圖

3 仿真結果與分析

根據上述數學物理模型，對采用錐形噴槍脫硫的鐵水包內的流動情況進行了數值仿真。初始時刻鐵水包凈空高為500mm，入口氮氣溫度為常溫（小于40℃），流量為40Nm3／h，工作壓力表壓為0.5MPa。鐵水溫度為1300℃，密度為7100kg／m3，粘度為0.006Pa·S。

對采用距包底不同距離錐形噴槍脫硫的鐵水包內氣液兩相的流動情況進行數值仿真，噴槍均采用1／4物理模型，表1為鐵水包數值仿真參數對比。

表1 鐵水包數值仿真參數表

3.1 算例1— 噴槍距離包底100mm

圖2 算例1鐵水包內壓力分布圖

圖2為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內壓力云圖。從圖中可以看出，為克服流動阻力，在噴槍錐形區域，壓力由錐頂到錐底逐漸降低。

圖3 算例1z＝0截面上y 方向速度流線圖

圖3為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包在z＝0截面上y 方向速度流線圖。從圖中可以看出，鐵水包底部和上部出現較為強烈的漩渦，說明噴槍對包底的鐵水有較強的擾動作用。

圖4 算例1鐵水包內氮氣體積分數分布圖

圖4為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內氮氣的體積分數云圖。從圖中可以看出，氣液分界面處波動不明顯，說明錐形噴槍對氣體的均布具有很好效果。

圖5為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，三條曲線基本吻合，氣體對噴槍附近的鐵水擾動較為明顯，而對遠離噴槍區域的鐵水擾動效果較弱。

圖6為采用距離包底100mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，距包底100mm 處鐵水的z向速度波動最大，說明噴槍對鐵水包底部的擾動作用明顯。從z＝－0.5到鐵水包壁面速度幾乎為0，說明氣體噴射的擾動范圍有限。

圖5 算例1x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比

圖6 算例1x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z 方向上的速度對比

3.2 算例2—噴槍距離包底200mm

圖7為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內壓力云圖。從圖中可以看出，與算例1類似，為克服流動阻力，在噴槍錐形區域，壓力由錐頂到錐底逐漸降低。

圖7 算例2鐵水包內壓力分布圖

圖8 算例2某截面上y 方向速度流線圖

圖8為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包在z＝0截面上y 方向速度流線圖。從圖中可以看出，鐵水包中下部出現很明顯的強烈的漩渦。與算例1相比，出現了大尺度的漩渦，說明氣體噴射對鐵水的擾動作用很強烈。

圖9為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內氮氣的體積分數云圖。從圖中可以看出，算例2氣液分界面較算例1波動明顯，且氣相的分布范圍明顯比算例1大，說明氣體噴射對鐵水的擾動作用較算例1大。

圖10為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在y 方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，距包底300mm 處鐵水的y 正方向速度最大。

圖11為采用距離包底200mm 錐形噴槍脫硫的鐵水包內x＝0截面上距包底距離不同處鐵水在z方向上的速度對比，距包底距離分別為100mm、200mm 和300mm。從圖中可以看出，距包底300mm 處鐵水的z 正方向速度最大，大于算例1，且沒有出現算例1中從z＝－0.5到鐵水包壁面速度幾乎一直為0的情況，說明氣體噴射對鐵水的擾動范圍較算例1大。