氩气流量对REDA精炼钢液流动影响的数值模拟

侯鹏，艾立群，许少霞，石鑫越

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山 063009)

随着我国经济社会的发展，对钢铁材料性能的要求日益提高，这迫使钢铁企业不断改进现有工艺设备以生产出满足市场需求的产品。1991年，日本新日铁公司开发了一种名为REDA(Revolutionary Degassing Activator，即革命性脱气激励器，我国称为单嘴精炼炉或单嘴RH)的新型真空精炼装置，它将RH的双浸渍管真空室结构改为单浸渍管真空室，将RH上升管处的环吹氩改为钢包底部偏心吹氩［1-2］。在保证精炼效果的同时提高了钢液的循环流量，强化了真空脱碳能力，并且可节约大量氩气降低冶炼成本［3］。为了掌握REDA这种新型真空精炼装置的冶炼规律，本研究借助计算流体力学软件(CFD)对REDA精炼过程的钢液流动行为进行仿真模拟，并重点分析了氩气流量对精炼过程流场及循环流量的影响，以期为REDA真空精炼工艺的优化提供参考。

1 数学模型

1.1 模型基本假设

REDA真空精炼过程钢液的流动为多相湍流，提出必要的假设条件可以简化模型减少运算量，假设内容如下:

(1)将钢包和真空室内的钢液看作整体，体系内气液两相均为粘性不可压缩流体，并且将两相流动过程视为稳态。

(2)将氩气泡在钢液中的上浮视为理想化的刚性球体，气泡平均直径为10mm，气泡的浮力是钢液循环流动的主要驱动力。

(3)忽略温度场对精炼过程钢液流动的影响。

1.2 控制方程

(1)连续性方程:

(2)动量方程:

(3)湍动能(k)方程:

(4)湍动能耗散(ε)方程:

式(1)～(4)中:ρ为流体密度，kg/m3;ui、uj为不同方向上的流体速度，m/s;P为压力，Pa;μeff为有效黏度系数，Fi为体积力N/m3，k为湍动能，m2/s2，ε为湍动能耗散率，m2/s3，Gk为源项;σk、σε分别为经验常数。

1.3 边界条件

(1)自由表面:在真空室和钢包熔池表面，表面切应力很小可忽略不计，且允许气体以到达表面的速度离开。

(2)入口边界条件:将钢包底部透气砖喷嘴平面作为速度入口，方向垂直所在截面向上。(3)出口边界条件:将真空室熔池表面和钢包钢液表面设为压力出口。

1.4 模型参数及求解

模拟以300t REDA真空精炼装置为研究对象，在直角坐标系下建立模型，所建模型与原型的比例为1∶1，见图1。模拟所使用的相关工艺参数见表1。将真空室和钢包中钢液所在空间作为计算域整体进行网格划分，网格划分方式为45×45×37。采用相间滑移法(ISPA)求解。

表1 模型主要工艺参数

图1 REDA法示意图与几何模型

2 REDA真空精炼过程钢液流场形态

在真空度133Pa、氩气流量为1200NL/min的条件下，REDA精炼过程中钢液的流场形态如图2、图3所示。从图2中可以看出，REDA区别于其它真空精炼装置比较显著的特点是利用其钢包底部的喷嘴偏心吹氩实现钢液的循环流动。气体由底吹透气砖进入钢液内上浮形成柱状的羽流区，羽流区为钢液和氩气的混合流，在上升过程中速度由羽流区柱芯向外逐渐扩张。羽流区中气体到达真空室熔池表面后逸出，上升流股运动方向发生改变形成下降流股，并在浸渍管顶部形成一个涡流。下降流股与上升流股之间存在着干扰但对钢液的循环流动影响不大。下降流股在钢包内大部分空间以较分散的方式流向包底，对钢包底部冲击较轻，撞击之后的钢液沿包底向四周扩散，其中部分钢液汇入羽流区再次上浮，从而在钢包及真空室内部形成主循环区。同时在钢包的四个角部区域，钢液的流动速度较低，这些区域的流动还需改善。

图4为沿Z轴方向不同高度下钢液流场截面图。图4(a)为距钢包底部0.2 m处流场横截面图，下降流股对钢包底部熔池冲击后钢液沿包底向四周扩散，说明下降流股对钢包底部的冲击面积较大;图4(b)为浸渍管下端出口3.6 m流场横截面图，图中贴近浸渍管壁且矢量方向比较密集的区域为上升流股，上升流股被下降流股环绕，并且截面内下降流股的面积远大于上升流股的面积，但下降流的速度却明显低于上升流;图4(c)为真空室熔池表面流场横截面图，截面内上升流股的速度矢量方向发生偏转，形成速度矢量向下的下降流股。

图4 沿Z方向截面流场矢量图

3 氩气流量对精炼过程流场及循环流量的影响

3.1 氩气流量对精炼过程钢液流场的影响

模拟氩气流量在600～1600 NL/min范围内，氩气流量变化对钢液流动行为的影响，并选取氩气流量在800 NL/min、1000 NL/min、1200 NL/min、1400 NL/min时钢液的流场形态进行分析，模拟结果示于图5。由图5可知，随着氩气流量的提高使上升与下降流股速度矢量均增大，上升流股的流速增加尤为明显，但氩气流量的提高对流场形态的影响不显著。

图5 氩气流量对钢液流场的影响

图6为不同氩气流量下浸渍管出口截面等速线分布情况，图中左侧曲线为下降流股等速线右侧为上升流股等速线。四幅图中图6(a)下降流股等速线围成的截面积最小，图6(d)等速线围成的截面积最大，说明随着氩气流量的升高下降流股的截面积扩大。REDA钢液的循环流量按照通过出口截面下降流股的钢液量计算，因此下降流股横截面积的扩大有助于钢液循环流量的提高。

图6 浸渍管出口截面等速线分布

图7为浸渍管出口截面下降流股一侧监测点速度曲线，各监测点选取位置如图8所示。随着径向距离的增加，各监测点的流速逐渐提高，当距浸渍管壁0.5 m附近时速度达到峰值，超过该点速度值开始逐渐减小。这是因为靠近浸渍管壁一侧监测点由于钢液与管壁间的摩擦力流速较低，随着径向距离的增加摩擦力减弱速度开始增大，距离在0.5 m处时速度达到极大值，当距离超过0.5 m以后下降流受到上升流的干扰速度开始减小。从图中还可以看出，氩气流量的升高使下降流股内各监测点的速度均增大，但对监测点速度曲线的变化趋势影响不大。

3.2 氩气流量对循环流量的影响

图9 氩气流量对循环流量的影响

氩气流量是影响REDA钢液循环流量的重要工艺参数之一。图9为本模拟循环流量的计算结果与Kitamura［4］对新日铁公司330 t REDA循环流量研究结果的对比。

由图9可知，300 t REDA的循环流量与330 t REDA循环流量的计算结果较为接近，以此验证模拟结果的可靠性。随着氩气流量的提高，钢液的循环流量随之增加，当氩气流量提高到1200 NL/min后曲线的增加趋势减缓。这是因为弥散在钢液中的氩气量存在“饱和值”，超过该值氩气泡的聚合作用加剧，氩气与钢液的接触面积减少，导致氩气流量对促进钢液上浮作用减弱，进而影响循环流量的提高。氩气流量由600 NL/min提高到1600 NL/min后，钢液的循环流量可提高70 t/min，表明氩气流量对钢液循环流量的影响效果显著。对于300 t REDA精炼装置氩气流量在1200 NL/min时循环流量可达到210 t/min，该值接近RH在氩气流量4000 NL/min时的循环流量［5］。在保证钢液良好的循环流动状态的前提下，同时考虑底吹透气砖的实际条件，将氩气流量控制在1600 NL/min以内即可满足精炼需要。

4 结论

(1)在真空室和钢包所组成的整体空间内，REDA精炼过程的流场由上升流和下降流形成的主循环区构成。精炼过程中钢液的流场形态合理，能够实现循环流动，但是在流场的角部区域，钢液的流动速度较低，此区域的流动状态还需改善。

(2)氩气流量由600 NL/min提高到1600 NL/min后，钢液的循环流量可提高70 t/min。氩气流量对钢液循环流量的影响效果显著，但对精炼过程钢液流场形态的影响不大。

(3)随着氩气流量的提升，钢液的循环流量随之增加，但增加趋势逐步减缓。当氩气流量为1200 NL/min时，REDA的循环流量接近210 t/min。

［1］Okimori M.Development of Vacuum Decarburization Technologies at Yawata Works，Nippon Steel［J］.Nippon Technical Report，2001，84:53-57.

［2］秦哲，朱梅婷，成国光，等.单嘴精炼炉合金料加入方式及混匀特性水模型研究［J］.特殊钢，2010，31(2):5.

［3］秦哲，潘宏伟，朱梅婷，等.单嘴精炼炉真空处理过程钢液流动行为模拟研究［J］.钢铁，2011，46(3):22.

［4］Kitamura S，Aoki H，Miyamoto K，et al.Development of a Novel Degassing Process Consisting with Single Large Immersion Snorkel and a Bottom Bubbling Ladle［J］.ISIJ International，2000，40(5):455-459.

［5］孙亮，艾立群，赵俊花，等.RH精炼过程钢液流动行为与循环流量数值模拟［J］.钢铁钒钛，2009，30(2):31.