钢包底吹氩过程夹杂物去除数值模拟研究

2012-10-13郭永谦李京社

河南冶金 2012年6期

郭永谦李京社黄婷

(北京科技大学)

0 前言

随着社会的发展，对钢的强度、韧性、寿命和加工性能的要求日趋严格，对钢的化学成分和组织均匀性的要求也日趋严格。钢中非金属夹杂物的存在是影响钢制品性能的重要因素，有时甚至是决定性因素。钢包底吹氩技术由于具有加速渣金反应，均匀钢水温度和成分以及有效去除非金属夹杂物等优点，目前被冶金企业广泛使用。针对钢包底吹氩过程中夹杂物的去除行为，许多学者对此开展了研究，但由于钢水的高温特性，难以进行直接的观察，因此数值模拟方法得到了广泛运用［1］。本研究以LF炉底吹氩气钢包为原始模型，选择Al2O3为夹杂物颗粒参照物，通过使用Fluent商业软件，进行合理假设后，建立离散相数学模型(DPM)，研究不同夹杂物粒径为过程中的运动及去除情况。

1 数学模型

1.1 控制方程

采用大型商业软件FLUENT，在拉格朗日坐标下对x，y，z三个方向上的夹杂物颗粒，在钢液中的运动轨迹进行计算，模拟流场中离散的第二项，由球形颗粒构成的第二项分布在连续相中。以x方向为例，夹杂物颗粒作用力在直角坐标系下可由以下公式表示［2］：

式中：FD——为夹杂物颗粒的单位质量曳力;

V——流体相速度;

Vp——颗粒速度;

ρ——流体密度;

ρp——颗粒密度。

公式(1)中夹杂物颗粒的单位质量曳力可由以下公式计算得出：

式中：dp——颗粒直径;

Re——相对雷诺数(颗粒雷诺数)。

对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，公式(2)中的 a1，a2，a3为常数［3］。

1.2 模型假设

为了便于研究，模型做出了以下假设：

1)假设夹杂物形状为球形颗粒;

2)钢包夹杂物去除主要是表面渣层吸附，假设夹杂物运动到液面就认为被渣层吸附;

3)忽略夹杂物颗粒间聚合长大过程及钢包壁面对夹杂物的吸附过程;

4)夹杂物运动过程认为所受力为粘性力和重力，忽略其它力的影响。

1.3 模型参数

研究对象为某钢厂的150 t钢包，钢包几何尺寸和材料物理属性见表1、表2。

表1 钢包几何尺寸

表2 材料物理属性

模型的计算区域共划分了85118个单元网格，其网格划分情况和坐标系如图1所示。两个吹气孔相对圆心成90°夹角，距离圆心的距离为567 mm。

图1 钢包计算域和网格图

2 计算方案

模拟中以单颗粒夹杂物为研究对象，分别选择夹杂物颗粒粒径为 5 μm、50 μm、100 μm 三种大小，在拉格朗日法下的颗粒追踪轨迹模型跟踪计算夹杂物颗粒参数，底吹氩气体流量为400 L/min，计算方法如下：

1)为研究夹杂物颗粒在钢包内不同位置的运动特质，现将钢包计算区域划分为上、中、下三个不同区域;

2)每个区域内在钢包壁和钢包中心面上选取6个不同特征点，具体划分方式如图2所示;

图2 钢包内夹杂物计算区域划分图

3)对每个区域上的特征点，不同夹杂物粒径(5 μm、50 μm、100 μm)进行数值模拟计算;

4)计算过程中认为夹杂物运动到渣层即为去除;

5)对不同粒径夹杂物在每个区域内运动轨迹、去除时间输出。

3 计算结果及分析

3.1 钢包内不同部位处夹杂物去除时间

钢包内夹杂物去除时间比较长的位置集中在1、2、3;11、22、33;以及111、222、333 区域，即这些区域都是分布在钢包两吹气孔连线中心面(钢包对称面)处。在钢包对称面处靠近钢包上部和钢包底部区域的夹杂物去除时间要长，比较钢包对称面上、中、下区域上的特征点2、22和222三个点夹杂物去除时间可知，2、222号区域夹杂物去除时间分别为601 s和615 s，而中部区域22号夹杂物去除时间高达1050 s，比上、下部区域去除时间高约75%。这是因为在钢包对称面中部区域22处的钢水流场存在较大漩涡，而上部和下部区域是相距该区域较远，而在大漩涡区域的夹杂物运动时间长较难去除。5 μm夹杂物在钢包不用径向截面时的去除时间见表3。

表3 5 μm夹杂物去除时间

靠近钢包对称面和在钢包壁处的夹杂物去除时间明显高于钢包壁与对称面之间区域的夹杂物去除时间。在钢包壁与钢包对称面之间的区域4、5、44、55、444、555夹杂物去除时间最少。以夹杂物之间为5 μm为例，钢包上部位于钢包壁与对称面之间区域(5号区域)夹杂物去除时间为为8 s，而靠近钢包壁面处(6号区域)夹杂物去除时间高达520 s;同时在钢包中部和下部区域同样出现这样的趋势。由于在靠近钢包壁处的钢水处于弱流区域，夹杂物在此位置活动不充分较难上浮到钢包表面被渣层吸附去除。

3.2 夹杂物尺寸对去除时间的影响

夹杂物直径较小时(5 μm)，夹杂物运动受到浮力的影响较小，运动轨迹比较复杂，平均停留时间平均510 s;随着夹杂物颗粒直径的增加，其上浮去除也较快，夹杂物去除因素主要受到钢水作用力和浮力的共同作用;夹杂物直径为50 μm时平均停留时间约426 s，当夹杂物直径增加到100 μm时，夹杂物颗粒在钢包内的运动轨迹更短，经过约320 s后即可上浮到钢包顶部被渣层吸附去除。钢包壁附近中部区域不同直径夹杂物运动轨迹如图3所示。

图3 钢包壁附近不同尺寸夹杂物运动轨迹

数值模拟计算过程中假设夹杂物运动到钢包顶部即可去除，但是在现场操作中存在夹杂物不可去除区域及难去除颗粒，在实际生产过程中，不同粒径夹杂物之间会产生碰撞长大，故此种情况在实际操作中可以避免。通过对不同直径夹杂物在钢包内运动情况研究，对钢包内远离对称面各区域的停留时间进行计算，统计得出夹杂物颗粒在钢包内运动过程中，由于钢水气泡的带动搅拌作用，将一些夹杂物颗粒带入到钢水弱流区，夹杂物在弱流区区域内停留时间较长，在此颗粒轨迹线上停留时间最长的为钢包底部靠近双吹气孔区域，此区域的停留时间为10 min。

3.3 钢包对称面处夹杂物运动轨迹

钢包对称面处夹杂物较难去除区域的钢水流场及对称面大回旋中心处不同直径夹杂物的运动轨迹如图4所示。

图4 钢包对称面处流场及夹杂物运动轨迹

由图4可以看出，在钢包对称面处存在2个回旋区，分别位于两吹气孔连线两侧，靠近吹气孔的钢包壁面处的回旋区域较小，而远离吹气孔位置存在一个大回旋区。夹杂物在远离钢包吹气孔位置的大回旋区漩涡中心处的运动比较复杂，其运动轨迹几乎只在对称面上做二维运动，在漩涡中停留时间也长，直到夹杂物运动到回旋区外才随着钢水的运动上浮到钢包表面被渣层吸收去除。