LF吹氬精煉過程計(jì)算機(jī)

模擬仿真朱苗勇myzhu@

LF吹氬過程夾雜物行為的模擬

●湍流流動●噴吹模式●夾雜物的性質(zhì)

Schematicrepresentationofgas-stirredladles圓臺型鋼包內(nèi)的計(jì)算流場與實(shí)測流場比較

(a)

鋼包中某位置的濃度隨時間的變化

示蹤劑不同加入位置時，6種噴吹方式下鋼包內(nèi)混合時間的計(jì)算值和平均實(shí)測值

氣泡流行為夾雜物行為鋼包吹氬

氣含率分布

鋼液流動鋼液湍流脈動

夾雜物傳輸夾雜物的碰撞聚合夾雜物的去除吹氬精煉鋼包內(nèi)夾雜物行為

夾雜物-夾雜物湍流隨機(jī)碰撞夾雜物行為氣泡流行為氣泡分布

鋼液流場鋼液湍流脈動

夾雜物傳輸夾雜物碰撞聚合夾雜物去除氣泡湍流擴(kuò)散力夾雜物-夾雜物Stokes碰撞效率氣泡尾渦捕捉渣圈影響氣泡誘導(dǎo)湍流前人未考慮的現(xiàn)象和機(jī)理夾雜物-氣泡湍流隨機(jī)碰撞(1)氣泡湍流擴(kuò)散力(—)(a)湍流擴(kuò)散力對熔池氣含率分布的影響:a)不考慮

,b)考慮

.(b)(—)●鋼包中氣含率分布對氣泡流行為和夾雜物去除行為有著重要的影響?！馝uler–Euler模型中,由于氣泡湍流擴(kuò)散現(xiàn)象被忽略，前人預(yù)測的氣泡群主要呈圓柱形態(tài)分布。湍流擴(kuò)散力

是氣泡滑移速度，表示液體湍流脈動對氣泡擴(kuò)散的影響。(2)氣泡誘導(dǎo)湍流

氣泡誘導(dǎo)湍流對熔池液體湍動能的影響(a)不考慮,(b)考慮(a)(b)(m2/s2)(m2/s2)●鋼液湍流流動對夾雜物傳輸、碰撞聚合及去除有著顯著的影響。●氣泡上升過程中，氣液兩相之間的速度差會做功并產(chǎn)生液體湍動能，即氣泡誘導(dǎo)湍流?？梢?，吹氬鋼包中氣泡誘導(dǎo)湍流是液體湍流產(chǎn)生的主導(dǎo)因素，模型描述過程中是不可或缺的。氣泡誘導(dǎo)湍流

表示氣泡誘導(dǎo)能量的湍流轉(zhuǎn)化系數(shù)。(3)夾雜物-夾雜物Stokes碰撞效率

顆粒上浮碰撞過程中，大顆粒周圍流場對小顆粒運(yùn)動軌跡的影響沒有被考慮。夾雜物-夾雜物Stokes碰撞

在冶金反應(yīng)器中，夾雜物-夾雜物的Stokes碰撞是夾雜物碰撞聚合的重要因素之一。碰撞速率夾雜物顆粒間尺寸差別越大，夾雜物之間的Stokes

碰撞速率就越大。表示兩個不同尺寸夾雜物在Stokes上浮過程中的實(shí)際碰撞概率。

(4)夾雜物湍流隨機(jī)運(yùn)動在湍流流場中，伴隨著湍流能量產(chǎn)生與耗散，渦旋會不斷的形成與分裂，其中，分解后最小的旋渦尺寸被稱為柯爾莫哥洛夫微尺寸（Kolmogorovmicroscale）夾雜物被包含中最小渦旋中，并在粘性力作用下跟隨液體一起運(yùn)動。在流場中，夾雜物在液體湍流旋渦的碰撞下，呈現(xiàn)湍流隨機(jī)運(yùn)動。Eddiesingas-stirredladle湍流隨機(jī)運(yùn)動速度Kolmogorovmicroscale夾雜物-夾雜物湍流隨機(jī)碰撞

夾雜物-氣泡湍流隨機(jī)碰撞夾雜物湍流隨機(jī)上浮湍流隨機(jī)運(yùn)動的幾種方式夾雜物湍流隨機(jī)運(yùn)動對夾雜物的碰撞聚合、去除有著重要影響，并主要體現(xiàn)以下幾種方式：For

表示夾雜物湍流隨機(jī)碰撞概率—湍流隨機(jī)碰撞速率—夾雜物-氣泡湍流隨機(jī)碰撞速率For—夾雜物湍流隨機(jī)運(yùn)動的上浮概率氣泡尾渦●氣泡上升過程中，在氣泡底部，一對尾渦會周期性地形成與脫離●在渣-金界面附近的夾雜物會被氣泡尾渦捕捉，并被帶入渣層而去除.(5)氣泡尾渦捕捉—?dú)馀菸矞u捕捉夾雜物的去除速率

—尾渦與氣泡的體積比(6)渣圈的影響●在渣圈中，粘附在氣泡上的夾雜物會隨著氣泡的破裂而重新返回進(jìn)入鋼液。渣圈渣圈尺寸渣圈面積鋼液高度渣層厚度氣體流量數(shù)學(xué)模型CFD-PBM耦合模型的求解方案鋼包頂部直徑3115mm鋼包底部直徑2578mm鋼包高度3200mm底吹氬氣流量10-200NL/min鋼液密度7100kg/m3氣液表面張力1.4N/m氬氣密度0.865kg/m3夾雜物密度3900kg/m3鋼液的黏度0.0055Pas●鋼包底部和邊壁被設(shè)置為無滑移固體壁面，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來描述近壁面處的湍流流動?！皲摪禋鍑娮煸O(shè)置為氣體速度入口，氣體速度根據(jù)氣體流量計(jì)算?！?/p>

鋼包頂部為自由液面，氣體可逸出。●鋼包中4—200μm的夾雜物尺寸被考慮計(jì)算與邊界條件在低氣流量下，夾雜物聚合長大主要是依靠湍流剪切碰撞和Stokes碰撞共同作用，其中Stokes碰撞是主導(dǎo)作用，而湍流隨機(jī)碰撞基本可以忽略。夾雜物碰撞聚合機(jī)理10NL/min50NL/min

隨著氣流量的增加，湍流剪切碰撞作用增強(qiáng)，并變成夾雜物聚合長大的主導(dǎo)作用。另外，湍流隨機(jī)碰撞作用逐漸增強(qiáng)，而

Stokes上浮碰撞作用逐漸減弱。夾雜物碰撞聚合機(jī)理100NL/min200NL/min200NL/min●吹氣攪拌初期，夾雜物去除主要是由氣泡尾渦捕捉和氣泡-夾雜物浮力碰撞起主導(dǎo)作用●吹氣攪拌中期和后期，隨著夾雜物聚合長大，氣泡-夾雜物湍流隨機(jī)碰撞作用逐漸增強(qiáng)，并逐漸成為夾雜物去除的主要方式。夾雜物去除機(jī)理中心單吹、偏心單吹、雙嘴吹的影響●噴嘴由中心移到偏心，氣泡群向壁面彎曲，增大氣泡停留時間，氣泡-夾雜物浮力碰撞和氣泡尾渦捕捉夾雜物作用有所增強(qiáng)。但由于氣泡柱中湍動能的降低，氣泡-夾雜物湍流碰撞作用明顯降低。●雙孔噴吹時，氣泡在鋼包中的分散性更好，氣泡-夾雜物浮力碰撞和氣泡尾渦撲捉作用明顯增加?？偟膩碚f，在相同吹氣條件下，雙孔噴吹去夾雜物效果最好，單孔偏心去夾雜物效果最差。

中心偏心雙孔●當(dāng)45deg被采用時，兩個氣泡柱流股距離很近，并相互吸引重疊，氣泡利用率較低，且氣泡柱中心的湍動能也相對較低。因而夾雜物總?cè)コ首畹??！耠S著角度的增加，兩個氣泡流逐漸分離，且流股中心湍動能也逐漸增大，因而夾雜物總的去除速率增加?！窠嵌瘸^135deg時，夾雜物去除效果相差不大。噴嘴布置角度的影響45deg90deg135deg噴嘴徑向距離的影響0.3R0.5R0.7R●當(dāng)0.3R被采用時，氣泡流股相互重疊，且流股中心湍動能最弱，因而夾雜物的去除率最低?！耠S著徑向距離的增加，氣泡流股逐漸分散，且流股中心湍動能逐漸增強(qiáng)，夾雜物去除率逐漸增強(qiáng)。●當(dāng)徑向距離超過0.7R時，氣泡流股受到壁面阻擋，氣泡分散性較差，夾雜物去除率降低。氣流量的影響隨著氣流量的增加，夾雜物去除率逐漸增加，但當(dāng)氣流量超過300NL/min時，夾雜物去除率變化較小。

較低吹氣流量下,夾雜物-夾雜物湍流剪切碰撞和Stokes碰撞是夾雜物聚合長大的主導(dǎo)因素。隨吹氣流量的增加，湍流剪切碰撞作用逐漸增強(qiáng)并成為夾雜物聚合長大的主導(dǎo)機(jī)理，當(dāng)氣流量超過100NL/min時，湍流隨機(jī)碰撞聚合變得更重要。

采用CFD-PBM

耦合模型描述了底吹氬鋼包中的氣泡湍流行為、夾雜物傳輸、碰撞聚合及去除行為，揭示了不同條件下各個機(jī)理和現(xiàn)象在夾雜物聚合、去除行為的作用規(guī)律。

吹氣攪拌初期，夾雜物去除主要是由氣泡尾渦撲捉和氣泡-夾雜物浮力碰撞起主導(dǎo)作用。吹氣攪拌中期和后期，隨著夾雜物的聚合長大，氣泡