余 珊，張慧書，孫 野，陳 韌

（1.遼寧科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧省低品位非伴生鐵礦優(yōu)化應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 本溪 117004）

0 引言

眾所周知，現(xiàn)代煉鋼生產(chǎn)中，為去除鋼水中的氣體雜質(zhì)，通常采用攪拌和真空操作：一方面，通過氣體攪拌引導(dǎo)鋼液循環(huán)流動(dòng)， 從而強(qiáng)化熔池內(nèi)質(zhì)量和能量傳遞，有效縮短處理周期，同時(shí)熔池內(nèi)因底部吹氣體形成的氣液混合區(qū)（或稱羽流區(qū)）還能極大增加氣液接觸面積， 為相關(guān)冶金反應(yīng)提供良好的動(dòng)力學(xué)條件； 另一方面， 則是利用真空環(huán)境降低目標(biāo)氣體（氫氣/氮?dú)猓┰跉庀嘀械姆謮?，從而破壞其在鋼中的溶解平衡，最終達(dá)到將其脫除之目的［1-3］。一般地，冶金中的真空（脫氣）裝置有兩類，一類涉及真空循環(huán)，如RH 精煉， 具體是利用氣體做功產(chǎn)生鋼水和鋼包與真空室之間的循環(huán)流動(dòng)， 從而在真空室中實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)；另一類為真空底吹，如VD精煉， 具體是通過多孔塞向置于真空室內(nèi)的鋼包底部噴吹惰性（一般為氬氣）氣體促進(jìn)鋼水循環(huán)并達(dá)到脫氣效果。 這兩種真空裝置均有廣泛的應(yīng)用， 而其中，VD 精煉爐設(shè)備簡(jiǎn)單，吹氬攪拌效果好，渣、鋼反應(yīng)活躍，投資和生產(chǎn)運(yùn)行成本相對(duì)低廉，將其與LF爐聯(lián)合，便能以較低成本生產(chǎn)中高碳以及對(duì)H、S、N等有害元素含量要求苛刻的鋼種。 文章基于Euler-Euler 方法，建立了可用于描述真空條件下反應(yīng)器內(nèi)氣液流動(dòng)和傳質(zhì)行為的通用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型。 為展示其應(yīng)用效果，還將該CFD 模型用于某鋼廠在產(chǎn)（100 t）VD 精煉爐，所得預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度高， 表明模型可用于進(jìn)行VD 精煉過程的相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

1 模型介紹

1.1 主要假設(shè)及簡(jiǎn)化

本文CFD 模型主要用于研究真空條件下反應(yīng)器內(nèi)的氣液流動(dòng)和傳質(zhì)行為， 其主要假設(shè)及簡(jiǎn)化如下：

（1）模型僅考慮氣相和液相，不考慮鋼渣對(duì)鋼水流動(dòng)的影響；

（2）考慮一般VD 操作導(dǎo)致的鋼水溫降較低，模型忽略溫度的影響；

（3）脫氣反應(yīng)只發(fā)生在羽流區(qū)以及鋼液面裸露區(qū)域（即渣眼），其中，渣眼的大小由工廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給定。

1.2 控制方程

為節(jié)省篇幅， 以下僅給出模型所涉及控制方程的具體表達(dá)式，其中更多細(xì)節(jié)的相關(guān)參數(shù)/系數(shù)可參見文獻(xiàn)［4］和［5］。

模型的連續(xù)性方程為：

其中，α、ρ 和u 分別為體積分?jǐn)?shù)、 密度和速度矢量；下標(biāo)q 代表氣相（g）或液相（l）。

任一相的動(dòng)量守恒方程為

其中，P、μeff以及g 分別為壓力、 有效黏度以及重力加速度；下標(biāo)q 代表任一相，則p 就代表另一相。分別為升力和曳力。

為合理描述氣體底吹系統(tǒng)中的湍流現(xiàn)象， 文章模型求解如下的修正k-ε 湍流方程［3-9］。

式中， 下標(biāo)mix 表示混合相；μt和Gk分別為湍流黏度和湍動(dòng)能生成項(xiàng)；Sk和Sε分別為k 方程和ε 方程的源相，二者的表達(dá)式分別為。

為獲得氣液相界面濃度分布， 本模型計(jì)算如下方程［10-13］。

其中，SRC、SWE和STI分別為由隨機(jī)碰撞引起的氣泡聚合項(xiàng)， 夾帶引起的氣泡聚合項(xiàng)以及湍流導(dǎo)致的氣泡破碎項(xiàng)。

為獲得鋼水中各組分的濃度分布， 模型求解如下組分輸運(yùn)方程。

其中，下標(biāo)i 可為［X］或X2（即溶解態(tài)或氣態(tài)的氫或氮組分）；Yi，q和Ji，q分別為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和擴(kuò)散通量；Si，q為源相并滿足S［X］，1＝-SX2，g，即單位時(shí)間單位體積中液相中反應(yīng)掉的反應(yīng)物［X］的質(zhì)量恒等于氣相中生成的產(chǎn)物氣體X2。

1.3 邊界條件及其他

對(duì)于液相而言， 模型計(jì)算域中的自由上界面為無滑移邊界，但對(duì)氣相而言，其為可穿透邊界，也就是所謂的“脫氣邊界”。為實(shí)現(xiàn)該邊界，本文模型通過向與自由上界面相鄰的計(jì)算單元的氣相守恒方程中加入以下源相。

其中，wg、Afs和Vcv分別為垂直于自由上界面的氣相分速度、 計(jì)算單元包含的自由上界面面積以及相鄰計(jì)算單元的體積。

本模型中，各壁面對(duì)液相為無滑移邊界，對(duì)氣相則為滑移邊界， 對(duì)所有近壁面處湍流變量應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。 熔池中氣泡的靜壓Pb為

其中，Pv和h 分別為真空壓力和所在計(jì)算單元（幾何中心）距自由上界面的距離。

2 某廠實(shí)際VD 爐

為展示上述CFD 模型的應(yīng)用效果，文章將其用于研究某鋼廠在產(chǎn)（100 t）VD 精煉爐內(nèi)的鋼水流動(dòng)和脫氫脫氮（統(tǒng)稱脫氣）行為。 所述VD 精煉爐的尺寸以及吹氬和真空操作制度分別見圖1 和圖2。

圖1 某廠（100 t）VD 精煉爐主要幾何尺寸（單位：m）

圖2 某廠VD 精煉爐吹氬和真空操作制度

由圖1 可知，該VD 爐內(nèi)壁略有傾角，最小內(nèi)徑為2.652 m，最大內(nèi)徑為3.054 m，熔池（鋼水）深度為2.566 m（對(duì)應(yīng)質(zhì)量約100 t）。 氬氣通過兩個(gè)多孔塞吹入溶池， 多孔塞位置安排見圖1 中的右圖。 通過兩個(gè)多孔塞的氣體流量相等， 且總流量隨處理時(shí)間變化如圖2 所示。 可以看到，氬氣流量在初期為階梯式遞增， 主要目的是防止抽真空降壓過程中氣體體積膨脹過快造成的急劇熔化泡沫渣。 當(dāng)壓力達(dá)到最低值的同時(shí)，氣體流量增大到目標(biāo)值（約為0.1 Nm3/min~0.2 Nm3/min）。 操作壓力一般低于1 mbar，并持續(xù)20 min。

該廠VD 精煉爐主要用于鋼水的脫氫和脫氮，目標(biāo)產(chǎn)品為管線鋼。隨著冶金技術(shù)發(fā)展，其他雜質(zhì)元素如氧、 硫、 氫等的含量均已能夠脫除到很低的程度，例如，目前的操作制度已經(jīng)可以較容易地將鋼水中氫的濃度控制在1 ppm 以下。 但是，氮的原子半徑比氫大，在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)比氫小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，使得脫氮并不像脫氫那樣容易。另外，氮不像氧那么活性高，能與強(qiáng)脫氧劑鋁形成夾雜并通過上浮去除。實(shí)際上， 鋼水中的氮與大多數(shù)合金元素形成的氮化物在高溫下會(huì)分解，故無法通過上浮去除［14］。 因此，該廠對(duì)鋼水中氣體雜質(zhì)含量的要求一般為氫含量不高于1 ppm，氮含量不高于30 ppm。表1 為該廠VD 精煉前的典型鋼水成分，可以看到，鋼水在二次精煉前的碳含量在0.10%到0.35%之間， 而其中氧含量則更是低于6 ppm， 這說明精煉過程中幾乎不發(fā)生脫碳反應(yīng)。

表1 某廠VD 精煉前的典型鋼水成分/wt%

3 模型應(yīng)用效果

圖3 為總氬氣流量0.13 Nm3/min（130 NL/min），流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)， 上述雙孔底吹VD 精煉爐內(nèi)的流場(chǎng)及羽流區(qū)輪廓， 圖中所標(biāo)出的兩個(gè)平面分別為兩個(gè)底吹多孔塞處的中心面。由左圖可以看出，羽流區(qū)以外區(qū)域略靠近自由上界面（熔池表面）處存在一個(gè)大環(huán)流， 羽流區(qū)附近的鋼水受黏性力和橫向湍流脈動(dòng)的驅(qū)動(dòng)也做向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)溶池表面，由于重力的作用，液相逐漸轉(zhuǎn)做水平流動(dòng)，當(dāng)靠近包壁處則轉(zhuǎn)為向下流動(dòng)。 右圖中的羽流區(qū)輪廓圖是由5%的氣體體積分?jǐn)?shù)等值線刻畫，可以看出，自下向上，羽流區(qū)先向包壁靠近行至熔池高度約一半后開始向包壁相反方向發(fā)展，此現(xiàn)象與上述環(huán)流相關(guān)。

圖3 雙孔底吹VD 精煉爐內(nèi)的流場(chǎng)及羽流區(qū)輪廓

圖4 為總氬氣流量130 NL/min，真空處理10 min時(shí)，上述雙孔鋼包內(nèi)的鋼水中［H］和［N］濃度分布。由圖可知，［H］與［N］的濃度分布相似，由于羽流區(qū)氣泡內(nèi)和鋼液面渣眼處產(chǎn)物氣體（氮?dú)夂蜌錃猓┓謮合鄬?duì)較低，所以在相應(yīng)位置會(huì)形成低［H］和低［N］區(qū)。

圖4 雙孔底吹VD 精煉爐內(nèi)的鋼水中［H］和［N］濃度分布

圖5 為不同底吹氬氣流量條件下鋼水中［H］濃度隨真空操作時(shí)間的變化。 由圖可知，吹氣初期，鋼水中［H］濃度隨真空操作時(shí)間迅速降低，隨后逐漸趨緩。此外，相同真空操作時(shí)間下，增大底吹流量，鋼水中［H］濃度降低。 由圖5 中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氣體流量從80 NL/min 增大到130 NL/min，同樣20 min 的真空操作下，氫的脫除率提高18%。 但是，若進(jìn)一步增大吹氣量至180 NL/min，脫氫率僅提高3%。 相應(yīng)條件下鋼水中［N］濃度隨真空操作時(shí)間的變化與圖5 類似，故不再贅述。 因此，過度增大底吹氣體流量對(duì)鋼水脫氣效率無顯著提升效果， 反而可能會(huì)導(dǎo)致熔渣大量泡沫而威脅生產(chǎn)安全。

圖5 不同底吹氬氣流量條件下鋼水中［H］濃度隨真空操作時(shí)間的變化

圖6 比較了不同操作條件和鋼水條件下上述雙孔底吹VD 精煉爐9 爐次鋼水中［N］終點(diǎn)濃度的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值。 由圖可知，鋼水中［N］終點(diǎn)濃度的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的最大誤差值為3 ppm，吻合度高。因此可以說，本模型具有較高精度，可用于進(jìn)行VD 精煉過程的相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

圖6 雙孔底吹VD 精煉爐9 爐次鋼水中氮終點(diǎn)濃度的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值

4 結(jié)論

（1）基于Euler-Euler 方法，建立了可用于描述真空條件下反應(yīng)器內(nèi)氣液流動(dòng)和傳質(zhì)行為的通用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型。 將所建立的CFD 模型用于某鋼廠在產(chǎn)VD 精煉爐， 具體研究了不同底吹氬氣流量條件下熔池中的流場(chǎng)分布和羽流區(qū)形貌， 以及鋼水中［H］和［N］濃度隨真空操作時(shí)間的變化規(guī)律。

（2）吹氣初期，鋼水中［H］濃度隨真空操作時(shí)間迅速降低， 隨后逐漸趨緩。 相同真空操作時(shí)間下，增大底吹流量，鋼水中［H］（［N］）濃度降低，但過度增大底吹氣體流量對(duì)鋼水脫氣效率無顯著提升效果。

（3）比較總計(jì)9 爐次鋼水中[N]終點(diǎn)濃度的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值， 發(fā)現(xiàn)本模型的最大誤差為3 ppm。 因此，本模型具有較高精度，可用于進(jìn)行VD 精煉過程的相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。