唐祁峰，尹仕偉，黃 華，楊 韜，張 軍，王 宇，劉庭耀，彭必友

（1.西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2.攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司，四川 攀枝花 617000；3.攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司，四川 江油 621701；4.西華大學機械工程學院，四川 成都 610039）

鋼中的脫硫、脫氧、去除雜質、合金化等很多環(huán)節(jié)均能通過LF 爐精煉完成[1-3]。在LF 爐精煉時，采用鋼包吹氬來攪動鋼液，能加速液相傳質速率，快速均勻溫度，促進渣金界面反應和鋼中夾雜迅速上浮，是提升鋼潔凈度的重要手段[4-6]。在精煉吹氬工藝中，吹氬的方式、位置、角度以及流量都對吹氬攪拌效果有著極為重要的影響。在鋼鐵冶煉時，其過程極為復雜，試驗對設備要求高，原料成本大。而隨著CAE 技術的發(fā)展，利用數(shù)值模擬方法來研究冶金工程中的復雜問題，能顯著地節(jié)約時間和試驗成分，越來越受到了人們的重視[7-8]。婁文濤等[9]研究了鋼包底吹氬過程對渣金反應的影響，獲得了吹氬流量對鋼液脫硫的影響規(guī)律。Ajmani 等[10]討論了在采用頂吹方式中，吹氣孔尺寸與混勻時間之間的關系。蔣星亮等[11]采用數(shù)值模擬和水模型物理模擬，對比了鋼包底單吹和雙吹對鋼液“死區(qū)”的影響。諸如此類關于鋼包吹氬數(shù)值模擬的研究還有很多，說明采用CAE 技術進行數(shù)值模擬是一種分析鋼包吹氬精煉過程的有效手段。

為了節(jié)約現(xiàn)場試驗時間和成本，促進生產(chǎn)順利進行，本文擬采用專業(yè)的CFD 流體工程軟件FLUENT 對LF 爐精煉過程中鋼包底單孔偏心垂直吹氬過程進行數(shù)值模擬，探討底吹氣體流量對LF 爐煉鋼過程中熔池內熔體流動速度以及鋼液“死區(qū)”的影響。結果發(fā)現(xiàn)，采用偏心底吹，當氬氣流量到達一定值時，會在鋼液內部形成一個閉合的氣循環(huán)區(qū)域，使“死區(qū)”面積顯著下降。通過對比湍動能、流速和鋼液“死區(qū)”比例，獲取了最佳的模擬吹氬流量。

1 數(shù)學模型

歐拉-歐拉（Euler-Euler）模型可以模擬各相之間的作用力，準確反應氣體氣泡群在流體中的行為，且計算過程采用歐拉-歐拉模型模擬所占用的計算機CPU 資源較少，因此被廣泛應用于氣液兩相流模擬中[12-13]。為了探討底吹氣體流量對LF爐煉鋼過程中熔池內熔體流動速度的影響，本文在CFD 模型建立過程中引入了歐拉-歐拉模型。

在模擬之前，首先提出了以下基本假設條件：鋼包中的鋼液上方不存在熔融爐渣；鋼液為不可壓縮的牛頓流體，且不考慮溫度變化；假設氣相為剛性球，具有不可壓縮性，且不受溫度影響；氣相浮力是液相流動的驅動力；鋼液上表面是水平的，不存在液面波動。

LF 爐中的流體處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)應遵循以下控制方程[14-16]。

1)質量守恒方程

連續(xù)性方程是質量守恒定律在運動流體中的數(shù)學表達式，認為等溫條件下兩相流之間不存在質量傳遞，則由微元體的質量守恒可導出流體的連續(xù)性方程。其相關的方程可以表示為

式中：ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s；Sm為加入連續(xù)相的質量，kg；t為時間，s。

2)動量守恒方程

根據(jù)牛頓第二定律，動量守恒定律表述為：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，其表達式為

式中：p為靜壓力，MPa；g為體積力，N；F為其他外部的體積力，N；τ為黏性應力張量。

3) 能量守恒方程

根據(jù)熱力學第一定律，能量守恒定律表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功，其表達式為

式中：E為微元體流體的總能，即內能和動能之和，J；Keff為有效導熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；ST為由于化學反應引起的放熱和吸熱，或其他自定義的熱源項，J。

4）湍流控制方程

本文采用標準k-ε模型，其湍流動能k方程及湍流耗散率 ε方程分別由式(4)和式(5)來表示：

式中：Gk是平均速度梯度引起的湍動能，m2/s2；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動能，m2/s2；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，分別取值1.44、1.92、0.1；σk、σε分別為湍動能和耗散率對應的普朗特數(shù)，分別取值1.0、1.0；YM為可壓湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。

2 數(shù)值模擬結果與分析

LF 爐鋼包的結構示意圖如圖1(a) 所示，其具體參數(shù)見表1。從圖1 中可以看出鋼包呈有輕微錐度的圓柱體狀，鋼包頂直徑為2 440 mm，底直徑為2 234 mm，熔池深度為2 127 mm，鋼包錐度為3°，大約能容納70 t 左右的鋼水。該鋼包采用單噴嘴垂直吹氬，通氣磚位于鋼包底部1/3R偏心位置，底吹孔直徑為105 mm。根據(jù)鋼包形狀，利用CAE 分析軟件FLUENT 建立有限元模型，模型采用六面體網(wǎng)格進行劃分，其示意圖見圖1(b)。

圖1 鋼包結構與有限元模型

表1 鋼包結構參數(shù)

模型的基本假設和流體的邊界條件設置如下：模型不考慮傳熱，且假設初始狀態(tài)時鋼液是靜止的，鋼液上表面渣層的影響忽略不計；在鋼包和通氣管壁處，不考慮滑移邊界條件，并采用了壁面函數(shù)處理；鋼包底面的噴嘴管處作為氬氣流的速度入口，鋼液頂部作為壓力出口。

圖2 是典型吹氬量為30 Nm3/h 時，不同時間下氣流場的分布圖。從圖2(a)中可以看出，在剛開始吹氬1 s 時間內，氬氣由透氣磚進入熔池內，鋼包底部形成一個短小的垂直氣柱。氣柱內部氣體流速較高，外部因氣體在液體中擴散受阻，動力不足，流速逐漸下降。隨吹氬時間延長，氣體受浮力的作用，垂直向上運動，且在上方因擴散對流形成了兩個小的氣流循環(huán)區(qū)域。兩個循環(huán)區(qū)域隨吹氬時間延長逐漸開始分化，吹氬孔所在一側的氣流擴散受阻于鋼包壁，而另一側的氣流擴散空間較大，從而形成了一大一小兩個循環(huán)，且氣柱逐漸向鋼包壁偏移（圖2(c)）。進一步延長吹氬時間，氣柱朝鋼包壁偏移程度加劇，大的氣流循環(huán)區(qū)域不斷壓縮小的氣流循環(huán)區(qū)域空間。從圖2(f)中可以觀察到，當吹氬時間為21 s 時，氣流幾乎是沿著鋼包壁流動，經(jīng)鋼液上層，再擴散至鋼包另一側，然后進一步流動至鋼包底部，最終在整個熔池內形成一個接近于閉合的區(qū)域，說明在該吹氣參數(shù)下，熔池的混勻時間大約在20 s 左右。

圖2 不同時間爐內流場分布

氬氣在鋼液內流動，能有效地攪拌鋼液，使鋼液中的夾雜迅速上浮，加速渣金界面反應，起到很好的精煉效果。氬氣在鋼液中的攪拌強度和有效攪拌區(qū)域與氣流的速度和動能有關，而這兩者又在一定程度上取決于單位時間內的吹氣量。圖3 是不同吹氣量下，鋼包內流體的平均湍動能和平均速度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著單位吹氣量的增加，平均湍動能和平均速度均呈上升趨勢。吹氣量為10 Nm3/h，吹氣量小，平均湍動能和平均速度也較小，其值分別為2.8 m2/s2和0.036 m/s。加大吹氣量，進入鋼液的氬氣壓力增加，使平均湍動能和平均速度迅速增大。當吹氣量加大至30 Nm3/h，平均湍動能和平均速度分別達到6.2 m2/s2和0.073 m/s，兩者的值較吹氣量為10 Nm3/h 時均增大了一倍以上。在此基礎上，進一步加大吹氣量，雖然平均湍動能和平均速度會進一步增大，但增大幅度減緩。對比吹氣量為50 Nm3/h 和30 Nm3/h，平均湍動能提升約30%，而平均速度僅提升約15%。這說明當吹氣量達到某一臨界值時，進一步加大吹氣量，平均湍動能和平均速度提升有限，反而會使氬氣利用率降低。

圖3 平均湍動能和平均速度隨吹氣量的變化曲線

平均湍動能和平均速度之所以在大吹氣量下提升有限，這和鋼液中存在流動速度幾乎接近于零的“死區(qū)”有關。圖4 為不同吹氣量下熔池內速度小于0.02 m/s 的區(qū)域與整個熔池區(qū)域的比值。低吹氣量時，加大吹氣量會使死區(qū)的比例顯著下降；高吹氣量下，加大吹氣量死區(qū)比例趨于穩(wěn)定。當吹氣量低時，氣流的動能較小，能到達的區(qū)域也較小，所以使鋼液中存在大量的死區(qū)。隨著吹氣量加大，會使氣流獲得更大的動能，能擴散的區(qū)域增大，從而減少死區(qū)面積。圖5 為吹氬流量10 Nm3/h 和20 Nm3/h 時穩(wěn)定狀態(tài)下的氣體流場分布。從圖中可以看出，這兩個吹氣量下，氣流的動能不足，沒有形成完整的大的氣流循環(huán)區(qū)域，導致死區(qū)面積較大。當吹氣量從10 Nm3/h 加大到20 Nm3/h 時，氣流的動能有所提高，能擴散的區(qū)域增大，死區(qū)比例從21%下降到13%。加大吹氣量至30 Nm3/h 時，氣流所獲得的動能也再次明顯增大，最終使氣流在鋼包內部形成了閉合的氣流圈(見圖2(f))，從而導致死區(qū)比例下降到6%。再進一步加大吹氣量至40 Nm3/h 和50 Nm3/h 時，鋼液死區(qū)比例幾乎無變化，而是趨向穩(wěn)定。這是由于在高吹氣量下，鋼液中已經(jīng)形成了相對閉合的氣流圈。加大吹氣量，雖然可以使氣流獲得更大的動能和速度，但不會使氣體流向閉合圈內的區(qū)域，從而無法對該區(qū)域的鋼液起到攪拌作用，導致死區(qū)比例不會進一步下降。

圖4 死區(qū)比例隨吹氣量的變化情況

圖5 吹氬流量10 Nm3/h 和20 Nm3/h 時的氣體流場分布

綜合分析上述模擬結果，得出本文的吹氬量在30 Nm3/h 左右較為合理。在該參數(shù)下，鋼液中的流體能夠獲得較大的平均湍動能和平均速度，且鋼液中死區(qū)比例也達到最小，使鋼液獲得了較大的攪拌強度和攪拌區(qū)域。

3 結論

本文對LF 爐精煉工藝中鋼包單孔偏心底垂直吹氬過程進行了數(shù)值模擬分析，得出以下結論。

1）吹氬流量為30 Nm3/h 時，隨吹氬時間的推移，氣流最終會形成一個分布在鋼液邊緣的閉合循環(huán)區(qū)域。

2）吹氣量的臨界值為30 Nm3/h。低于臨界值時，平均湍動能和平均速度隨著吹氬流量增大而顯著增大；高于臨界值，平均動能和平均速度增速緩慢。

3）在吹氬過程中，鋼液中存在流動緩慢的死區(qū)。吹氣量從10 Nm3/h 加大至30 Nm3/h 的過程中，死區(qū)比例從21%降至6%，減小明顯。進一步加大吹氣量，死區(qū)比例幾乎沒有變化，反而氬氣利用率降低。本模擬過程中的最佳吹氣量為30 Nm3/h。