承钢100 t钢包底吹数值模拟研究

王　琪　魏跃军　王立新

(1.河钢集团承钢公司技术中心；　2.河钢集团承钢公司长材事业一部)



承钢100 t钢包底吹数值模拟研究

王琪1魏跃军1王立新2

(1.河钢集团承钢公司技术中心；2.河钢集团承钢公司长材事业一部)

钢包底吹工艺是钢包冶金的一种重要手段，底吹的布置及底吹参数对工艺效果影响较大，承钢对100 t钢包底吹工艺进行了深入研究，利用FLUENT软件对流场进行三维数值模拟研究，模拟结果表明在底吹流量为500 L/min时，改进后的底吹位置比原型有更好的循环流动效果，较小的相对死区和裸露面积，有利于钢水成分和温度的均匀，减少二次氧化，并促进夹杂物上浮。

数值模拟钢包底吹改进

0　前言

钢包吹氩系统是一种简单而有效的炉外精炼装置。通过氩气的发泡，气洗和搅拌作用可使钢水温度和成分均匀同时使钢水净化。钢包吹氩工艺吹成率高，操作简单，安全可靠。但实际生产中，往往存在因其气量过大而造成卷渣，底吹孔位置不准确而造成均混时间变长，流速与吹氩时间难以把握及流场的不合理分布等问题。

钢包吹氩工艺通过安装在钢包底部的透气砖向钢水吹入氩气，带动钢液流动，从而均匀钢液温度和成分，去除气体，减少钢中的夹杂，改善钢水质量。承钢100 t钢包在实际生产过程中由于双孔底吹砖0.7 R，120 °夹角的布置不尽合理，以致出现钢液搅拌不均匀、包壁严重冲刷和喷溅等问题。利用FLUENT软件对流场进行三维数值模拟研究，对原型和优化后进行了数值模拟计算，得到钢包底吹最优参数为0.4 R，60 °夹角。

1　数值模拟

1.1模拟方案

方案一：原型钢包(底双孔吹砖布置0.7 R，120 °夹角)，底吹气量500 L/min。

方案二：改进钢包(底双孔吹砖布置0.4 R，60 °夹角)，底吹气量500 L/min。

1.2控制方程及定解条件

研究利用Fluent模拟软件采用1：1比例模型对不同底吹情况对钢包流场的影响进行模拟，利用VOF模型模拟多相流的相互影响，采用标准k-ε湍流模型、无滑移壁面和标准壁面函数。计算过程中，压力和速度采用PISO算法耦合，进行非稳态计算。压力采用Body force weighted方法进行差分，体积分数采用Ger-Reconstruct进行差分，其余变量采用一阶迎风格式差分。

根据实验情况给定边界条件，入口边界为气体质量入口，出口边界为钢包顶端气体压力出口，其他壁面为绝热面。初始条件中设定合理的气液两相体积比例和初始速度。时间步长为非稳态步长，迭代时间为10-5s，均方根残差收敛标准为10-4。

1.3模型建立

采用三维几何模型，使用Gambit2.2.30软件建立几何模型并划分网格，采用六面体网格形式，最小网格尺寸位于气体入口处，计算域中最大网格尺寸为18 mm，网格数约为13万，网格质量0.4以上，钢包网格形式如图1所示。

图1　钢包模型网格图

2　模拟结果分析

原型钢包和改进后钢包(底部吹气量为500 L/min时)的内截面上速度矢量图如图2所示。

(a) 原型钢包

(b) 改进后钢包

从图2可以看出，气泡不断的从喷孔喷出，在钢液浮力作用下上升，同时带动周围钢液向上运动，处于喷孔正上方的液体形成强烈的向上股流。当气液两相区形成的上升流达到熔池液面后，气体溢出熔池，而达到液面的钢水被线面驱动流向四周运动，遇到钢包壁后向下流动，从而形成循环流动。

钢包中各项分布示意图如图3所示(图中，蓝色部分未氩气，红色为钢渣，绿色为钢液)。

图3钢包内各项分布示意图

从图3可以看出，钢包内气泡分布状态及大小，因气体流量、钢包内钢液压力及温度影响，气泡大小形状各不相同，经测量原钢包底吹分布(右侧)下气泡直径约为17.1 mm，改进后钢包底吹分布(左侧)下气泡直径约为16.8 mm。

原型钢包底吹气流量为500 L/min时，不同截面处湍流动能云图如图4所示；改进后钢包底吹气流量为500 L/min时，不同截面处湍流动能云图如图5所示。测量原型与改进后钢包内的湍流动能分别为0.143 k和0.157 k，改进后钢包内湍流动能比原型提高9.7%，改进后的底吹位置能够加快钢包中添加剂的均匀分布及钢液温度的均匀化。

(a) 湍流动能云图立体图

(b) 湍流动能云图主视截面图

(c) 湍流动能云图侧视截面图

(d) 湍流动能云图俯视截面图

(a) 湍流动能云图立体图

(b) 湍流动能云图主视截面图

(c) 湍流动能云图侧视截面图

(d) 湍流动能云图俯视截面图

设定湍流强度小于平均动能5%的区域为死区，根据数模结果进行估算原型与改进后钢包内的死区体积分别为钢包体积9.5%和6.7%。

加入示踪剂测定，原型与改进后钢包内的混匀时间分别为258 s和233 s。

从图4、图5可以看出，改进钢包与原型钢包比较两喷孔距离更近，湍动能越较大，搅拌效果较好。这是因为在底部吹气量不大的情况下，上升气流带动的上升液体量小，在顶部周围流动时所能到达的距离也小，其运动对钢包中下部的流体影响不大。而改进后，喷吹流股之间形成循环区，湍流动能较弱区域明显较少。

改进后底吹两喷嘴间距及底吹流量情况下，流股干扰和抵消作用小更小，流动能量损失少，平均湍动能大，死区比例小，混匀时间短。

原型与改进后钢液裸露面积如图6所示，分别为1.57 m2和2.10 m2，改进后的裸露面积为原型的75%。因此,改进后钢包渣层相对原型能够更有效的避免钢液二次氧化，减少钢中夹杂物。并且改进后喷吹位置远离钢包壁，可以降低对包壁侵蚀，提高钢包寿命。

3　结论

通过100 t钢包底吹砖布置改进前后钢包的数值模拟研究得出以下结论:

(a) 原型

(b) 改进后

图6钢液裸露面积对比图

1)原型与改进后钢包内的湍流动能分别为0.143 k和0.157 k，改进后钢包内湍流动能比原型提高9.7%，混匀时间分别为258 s和233 s，混匀时间降低25 s，改进后能够加快钢包中添加剂的均匀分布及温度均匀化。

2)原型与改进后钢包内的死区体积分别为钢包体积9.5%和6.7%，死区降低2.8%，改进后的底吹位置降低了死区，搅拌作用强。

3)原型与改进后钢包钢液裸露面积分别为1.57 m2和2.10 m2，改进后的裸露面积为原型的75%。改进后钢包渣层相对原型能够更有效的避免钢液二次氧化，减少钢中夹杂物。并且改进后喷吹位置远离钢包壁，可以降低对包壁侵蚀，提高钢包寿命。

4)改进后的底吹位置比原型有更好的循环流动效果，较小的相对死区和裸露面积，有利于钢水成分和温度的均匀，减少二次氧化，并促进夹杂物上浮。

[1]朱苗勇，萧泽强.钢的精炼过程数学物理模拟[M].北京：冶金工业出版社，1998，56-64.

[2]韩建军，李士琦，吴龙．钢包底吹氩搅拌特性[J]．北京科技大学学报，2011，(5)：32-36.

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON BOTTOM BLOWING OF 100 t STEEL LADLE IN CHENG STEEL

Wang Qi1Wei Yuejun1Wang Lixin2

(1.Technology Center of Chengde Iron Steel Company, Hesteel Group;2.No.1 Long-Materials Business Department of Chengde Iron Steel Company,Hesteel Group)

Ladle bottom blowing process is an important means of ladle metallurgy, bottom blowing arrangement and bottom blowing parameters of process effect have great influence on the bearing steel. 100 t ladle bottom blowing process are studied, the field by using FLUENT software convection and three dimensional numerical simulations are performed to study and simulation results show that when the bottom blowing flow is 500 L/ min, circular flow effect of the improved bottom blowing location is better than that of the prototype, smaller relative dead zone and bare area is conducive to the composition and temperature of the molten steel of uniform, and reduce secondary oxidation and promote inclusion floatation.

numerical simulationsteel ladlebottom blowingimprove

联系人：王琪，工程师，河北.承德(067002)，河北省钒钛工程技术研究中心；2016—4—11