VD軟吹過程底攪氬氣流量模擬研究

林貴明 江 野 李 磊 楊利委 吳其川

南京鋼鐵聯合有限公司 江蘇 南京 210035

VD工序是特鋼冶煉及其重要的一環[1]，一般VD工序分為兩個階段[2－5]，一方面是VD真空保持階段，此階段主要任務是脫氫，另外一方面是VD靜攪階段，此階段主要任務是去除鋼液中的夾雜物。VD過程的氬氣流量顯得尤為重要，合適的氬氣流量有以下作用[6－10]：

(1)有效的脫氫；

(2)有效減少溫降，實現溫度精準化控制；

(3)提高鋼液純凈度：去除夾雜物的同時不會引起卷渣。

本文著重研究VD軟吹過程速度場、溫度場，探討不同的氬氣流量下速度場與溫度場的變化，為生產實踐提供理論指導。

1 數學模型

1.1 基本假設 由于VD爐底吹氬攪拌屬于多相流問題，其實際工況非常復雜，為了簡化模型，本文對鋼包模擬進行如下基本假設：

(1)鋼液為不可壓縮牛頓流體；

(2)氣泡在上升過程中不進行長大；

(3)不考慮化學反應；

(4)不考慮氣泡碰撞變化過程。

1.2 網格劃分 采用ICEM繪制不對稱網格以解決鋼包半徑遠大于氬氣入口半徑時導致的網格長寬比較差而降低網格質量的情況。繪制不對稱網格時要繪制兩層，使fluent邊界條件中此兩層相互對應。

鋼包幾何大體為圓柱形，由于鋼包氬氣在透氣磚處并非全部為氬氣入口，耐火材料也占很大一部分，故將氬氣口等效直徑設置為原來鋼包氬氣口直徑的十分之一，其網格具體尺寸如表1：

表1 鋼包實體尺寸

所繪制鋼包網格圖如圖1所示。不同顏色代表不同的邊界，可以設置不同的邊界條件。網格內部有兩塊網格較密區域，網格疏密結合才可以有效利用計算機資源，加快計算速度，并提高所關注位置的模擬準確性。

圖1 鋼包網格圖

1.3 基本方程 本次模擬中采用的多相流方程為雙歐拉方程，并開啟能量方程，采用的湍流方程為k－ε雙方程。

連續性方程：

動量方程(N－S方程)：

為有效粘度，即：

1.4 模擬邊界條件設置如下：

鋼包底面：設置為無滑移壁面，散熱熱通量為1400(w/m2)；

鋼包壁面：設置為無滑移壁面，散熱熱通量為3800(w/m2)；

鋼包入口：速度入口，氬氣體積分數為1，氣泡直徑采用默認值為0.05 mm，入口處參數具體見表2；

表2 速度入口參數

2 方案設計

小網格尺寸為0.001 m左右，流體流速為2 m/s左右，模擬計算時間步長推薦值為0.001s，但根據鋼廠內實際情況需進行30 min的通氣時間，故采用時間步長0.001s計算10000步得出實際10s鐘吹氬情況；再采用時間步長1s計算1800步得出實際30 min鐘吹氬情況，計算結束后將吹氬速度改為0 m/s，繼續模擬10 min。具體實驗方案設計如：

表3 模擬方案

3 結果分析

3.1 氣體瞬態流動 氣體在6s左右到達鋼液表面。視頻錄制了相同流量下吹氬前十秒氬氣體積分數變化情況、相同流量下吹氬三十分鐘靜置十分鐘氬氣體積分數變化情況、不同流量下吹氬三十分鐘靜置十分鐘氬氣體積分數變化情況。

吹氬前十秒氬氣流動較為平穩，只往氬氣口上方流動；隨著時間變化開始從頂部向四周擴散，并在到達鋼包壁面時主要向下擴散；吹氣結束口的十分鐘靜置時間內氬氣不再進入鋼包，氬氣開始在重力的作用下向上溢出鋼液面。

3.2 速度場分析 吹氬三十分鐘時鋼包內流場隨流量增大鋼包的中下部流動更加明顯，湍流耗散率也將增大。吹氣量不同時流場死區比例小于吹氣量相同時死區比例。吹氬30 min鋼液流動路線如圖2所示

圖2 吹氬30 min流線

(左上氬氣流量為兩個5L/min；中上氬氣流量為兩個10L/min；右上氬氣流量為兩個15L/min；左下氬氣流量為兩個20L/min；中下氬氣流量為一個左孔15L/min一個右孔10L/min；右下氬氣流量為一個左孔15L/min一個右孔20L/min)

圖3 靜置10 min流線圖

(左上氬氣流量為兩個5L/min；中上氬氣流量為兩個10L/min；右上氬氣流量為兩個15L/min；左下氬氣流量為兩個20L/min；中下氬氣流量為一個左孔15L/min一個右孔10L/min；右下氬氣流量為一個左孔15L/min一個右孔20L/min)

鋼包流場在靜置十分鐘后，鋼包氬氣流速低時氬氣水平流動，不利于夾雜物的上浮和氣體排出，流速大時鋼包上下流動有利于夾雜物上浮和氣體排出。吹氣量不同時流動情況更好于吹氣流量相同。靜置10 min鋼液流動路線如圖3所示。

3.3 溫度場分析

圖4 吹氬30 min溫度分布云圖

(左上氬氣流量為兩個5L/min；中上氬氣流量為兩個10L/min；右上氬氣流量為兩個15L/min；左下氬氣流量為兩個20L/min；中下氬氣流量為一個左孔15L/min一個右孔10L/min；右下氬氣流量為一個左孔15L/min一個右孔20L/min)

按照設定散熱數據，吹氬三十分鐘時氬氣帶走的熱量遠大于鋼包壁面散熱，流速越大散熱量愈大。溫度分布云圖如圖4所示。

4 結論

根據計算機模擬得出以下結論：(1)偏心底吹易形成鋼包循環，并且兩孔吹氣量不同時，吹氣死區比例較小于兩孔吹氣量相同時死區比例。(2)氬氣流量越大對鋼液的攪拌速度越大，越有利于氣體排出和夾雜物上浮，但湍流耗散率會增大，降低動能利用率。(3)氣體流動帶出熱量比鋼包壁面散熱量大很多，減小鋼包頂面散熱是保持鋼液溫度的關鍵。