尹 青， 孟 羽， 李 鋒

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 江蘇 江陰 214400)

1 概 述

KR鐵水預(yù)處理就是將用耐火材料制成的十字型攪拌頭插入鐵水包液面下一定深處，通過旋轉(zhuǎn)攪拌使鐵水液面形成V 形旋渦(中心低，四周高)，然后鐵水沿著半徑方向“吐出”。在攪動過程中，脫硫劑由給料器加入到鐵水包，并被旋渦卷入鐵水中，與高溫鐵水混合、反應(yīng)(如圖1所示)，從而達(dá)到鐵水脫硫、脫硅及五害元素的目的[1-3]。

圖1 KR機械攪拌圖和KR機械攪拌流體流動形態(tài)

江陰興澄特種鋼鐵有限公司進(jìn)口的KR設(shè)備為配合超純凈鋼冶煉，通過數(shù)值模擬研究KR機械攪拌法在某一攪拌器工作工況的流場，然后依次對不同結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)下的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，最后總結(jié)出KR機械攪拌的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)與流場攪拌的關(guān)系， 為實際生產(chǎn)過程中KR 機械攪拌結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

2 軟件模型建立

KR機械攪拌過程涉及固體動邊界問題，需要應(yīng)用動網(wǎng)格模型求解。首先運用FLUENT 軟件Gambit 前處理器建立幾何模型。該動網(wǎng)格模型將流場分成攪拌器葉片內(nèi)區(qū)域和葉片外區(qū)域。葉片內(nèi)區(qū)域隨著攪拌器旋轉(zhuǎn)運動，葉片外區(qū)域靜止，區(qū)域間通過交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。動網(wǎng)格可以適應(yīng)流場可動部分的快速運動，可動區(qū)域和相鄰區(qū)域的交界面，數(shù)據(jù)通過交界面進(jìn)行傳遞[4-5]。

如圖2所示，應(yīng)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了網(wǎng)格單元劃分，局部關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密；攪拌器周圍是流動關(guān)鍵區(qū)域，因此網(wǎng)格需要加密，提高數(shù)值模擬的精度，靠近容器外壁的網(wǎng)格較疏。網(wǎng)格模型共有39萬個體單元，9.5萬個結(jié)點。

圖2 KR攪拌數(shù)值模擬模型以及數(shù)值模型二維平面網(wǎng)格

3 不同工藝參數(shù)模擬研究

3.1 不同轉(zhuǎn)速下自由液面變化

根據(jù)能量守恒定律可知，KR 機械攪拌過程中，存在能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，隨著攪拌器的轉(zhuǎn)速越大，流體獲得的動能越大，從而流場流動速度越大；最后使流場的渦流越強烈，這必然會導(dǎo)致自由液面下凹加深。圖3所示為相同結(jié)構(gòu)尺寸下，在攪拌器同一深度H(mm)、不同轉(zhuǎn)速N(r/min)穩(wěn)定狀態(tài)下的自由液面變化。

圖3 相同結(jié)構(gòu)尺寸下，在攪拌器同一深度、不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下的自由液面變化圖

攪拌器旋轉(zhuǎn)速度越小，自由液面下凹程度越??；隨著攪拌器的轉(zhuǎn)動速度不斷增大，中心液面不斷下凹，外部液面不斷上升。從圖3中可以看到，當(dāng)攪拌器旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到N=205 r/min時，攪拌器的葉片有一小部分露出液面，空氣開始進(jìn)入葉片區(qū)域。可以認(rèn)為自由液面下凹深度與攪拌器的轉(zhuǎn)速大小成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越大，自由液面下凹越深。當(dāng)N=205 r/min時，自由液面下凹深度達(dá)到最大值。

3.2 不同潛入深度下自由液面變化

除了轉(zhuǎn)速對KR攪拌法動力學(xué)有影響外，攪拌器不同的潛入深度H(mm)對流動也會產(chǎn)生影響。在一定的攪拌器轉(zhuǎn)速條件下，攪拌器潛入深度為200 mm 的自由液面下凹深度最大，比潛入深度為245 mm的自由液面下凹深度還要大一些。如圖4，表1所示，自由液面下凹深度不會隨攪拌器的潛入深度一直變大，當(dāng)攪拌器潛入深度超過某一值時，自由液面下凹深度會隨攪拌器的潛入深度變小，該實驗條件下，200 mm 的潛入深度比245 mm的自由液面下凹深度要大。

圖4 不同潛入深度下自由液面變化規(guī)律

表1 不同潛入深度結(jié)果對比

4 工藝優(yōu)化實施效果

根據(jù)上述各因素與脫硫的動力學(xué)關(guān)系，重新選擇了相關(guān)工藝參數(shù)，優(yōu)化了KR鐵水預(yù)處理工藝，使脫硫、脫硅及五害元素取得了理想的效果(如表2所示)。由表2可知，工藝優(yōu)化后，鐵水預(yù)脫硫效果明顯提升，五害元素總和大大降低。

表2 工藝優(yōu)化前、后脫硫及五害元素的效果對比

5 結(jié)束語

影響KR脫硫效果的因素眾多，包括鐵水溫度、脫硫劑量、攪拌時間、攪拌頭使用次數(shù)等。本文主要模擬分析了機械脫硫動力學(xué)因素，根據(jù)模擬結(jié)果，在一定的攪拌速度、攪拌器潛入深度、攪拌器直徑條件下，找出各因素與脫硫動力學(xué)的關(guān)系，為KR工藝參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)合理的依據(jù)，最終制定出更理想的KR鐵水預(yù)處理工藝。