150 t复吹转炉底吹布置的优化与应用

单以刚　吴国平　谢生元

(南京钢铁股份有限公司)



150 t复吹转炉底吹布置的优化与应用

单以刚吴国平谢生元

(南京钢铁股份有限公司)

基于水模拟实验优选出的4种底吹布置方案(A1～A4)与现有底吹布置方案(O1)，利用数值模拟软件FLUENT对不同布置下的转炉熔池内多相流流动进行了研究，以确定最佳底吹方案。研究结果表明，方案A1与A4的熔池搅拌效果明显优于其他方案；但由于前者的侵蚀面积更大，最终采用方案A4。工业试验表明，优化后的底吹布置方案对熔池搅拌的效果更优，改善了熔池内动力学条件，冶炼时间缩短0.9 min，终点磷含量降低0.002%。

转炉底吹数值模拟

0　引言

复吹转炉技术源于20世纪70年代中期的欧美地区。复吹转炉相比顶吹转炉表现出更优的冶金特性。这是由于底吹气体强化了对转炉熔池的搅拌，促进了钢-渣-气反应的进行，具体体现在：促进了钢液温度与成分的均匀，降低了钢渣过氧化程度，降低了钢液中的磷含量等方面[1]。为了最大化底吹气体的搅拌效果，需要选择适宜的底吹布置方案。而转炉冶炼过程是一个高温物理化学过程，难以直接对底吹气体的搅拌效果进行量化，目前国内外的主要研究手段包括物理模拟即水模拟与数值模拟两种，而数值模拟较水模拟更为接近炉内真实情况，今年来在相关研究中得到了广泛应用[2-7]。

应生产所需，在水模拟实验得到4种较优底吹布置的基础上，利用大型CFD商业软件FLUENT研究了在各种布置方案下的转炉熔池内“气-渣-金”三相流流场特性，以选出最优方案。最后进行了60炉次工业试验，以校验模拟结果的正确性。

1　数值模拟研究

150 t复吹转炉熔池直径为5198 mm，钢液面高度为1513 mm，渣层厚度为350 mm。研究的五种底吹布置方案如图1所示。其中，方案A1～A4为水模实验选出的较优布置方案，O1为现有布置方案。图中各圆环直径由内到外依次为0.3D，0.4D，0.5D，0.6D与D，相邻直线夹角为15 °(O1中最小夹角为5 °)。底吹气体采用氮气，总流量为270 Nm3/h。

图1五种底吹布置方案示意图

1.1数学模型

在建立数学模型的过程中，做出如下假设与简化：(1)将钢液、渣、氮气均视为牛顿流体；(2)忽略钢液温度对流动的影响；(3)无任何质量源项；(4)将底吹砖简化为圆管。

1.1.1多相流模型

本研究使用VOF多相流模型追踪氮气、钢液及渣层的相间界面。质量守恒方程如下：

(1)

式中：αq——第q相体积分数，1；

ρq——第q相密度，kg/m3；

→ν——速度矢量，m/s。

动量方程如式(2)所示，其与各相分布的关系表现在密度ρ与粘度μ上面。

(2)

式中：p——静压，Pa；

ρ→g——重力，N/m3。

ρ与μ如下式：

ρ=ρmαm+ρsαs+ρgαg

(3)

μ=μmαm+μsαs+μgαg

(4)

式中：α——体积分数，1；

m、s与g分别代表钢液、渣与氮气。

1.1.2湍流模型

本研究所使用的湍流模型为标准κ-ε 双方程模型，湍动能κ与湍流耗散率ε计算方法如下：

(5)

(6)

式中：Gk——平均速度梯度引起的湍动能，kg/(m·s3)；μt——湍动粘度，m/s。

二者的计算方法如下：

(7)

(8)

式中：C1ε、C2ε、Cμ、κ与ε为常数，分切取1.44、1.92、0.09、1.0与1.3。

1.1.3边界条件与求解方法

本研究底吹入口使用质量入口，出口使用压力出口边界，取值均为真实值，壁面为无滑移绝热壁面，使用标准壁面函数进行处理。压力与速度耦合采用PISO算法，以在保证计算稳定性的前提下提高计算效率。由于熔池中压力梯度较大，对压力使用PRESTO!格式差分，其余变量采用一阶迎风格式。相间界面使用几何重构方法处理，使用一阶隐式格式处理瞬态问题。

1.2模拟结果

湍动能可以很好的表征底吹气体对熔池的搅拌效果， 5种底吹布置下转炉熔池不同截面的湍动能分布如图2所示。左侧为垂直截面，中部为距熔池底部不同距离(距底部200 mm、750 mm、1300 mm)的三个水平截面，右侧为靠近熔池底部的水平截面。可以发现，随着底吹氮气的上升，气流与钢液相互作用，湍动能逐渐由底吹氮气向钢液转移，且在钢液中传递时持续衰减，而在炉壁处由于流体的附壁效应，湍动能达到最小值。

图2　5种底吹布置方案下转炉熔池不同截面湍动能云图

从图2可以看出，现有方案(O1)在垂直界面上湍动能分布较为均匀，但其值较小，且在熔池中上部水平截面上分布不均。从垂直截面上来看，新的四种底吹布置方案(A1～A4)湍动能均有一定提高，特别是方案A1与A4，极大程度的强化了熔池中部的搅拌效果，但也可以发现各个方案在外围底吹与炉壁之间的湍动能都偏低，这主要是受到了炉壁的抑制。此外，新的4种方案方案在水平截面上的湍动能分布亦更为均匀，尤其是方案A2与A4。

不同底吹布置下转炉熔池不同截面处平均湍动能和平均速度(面积加权平均)分别见表1、表2。

表1　不同底吹布置下转炉熔池不同截面处平均湍动能

表2　不同底吹位置下转炉熔池不同截面处平均速度

由表1可知，方案A1与方案A2在熔池的中下部湍动能相对较低，方案O1与方案A3的湍动能在整个熔池内都偏低，而方案A4在整个熔池内都具有较高的湍动能。对比平均值，最大的是方案A4，其次是方案A1与A2，均在0.02 m2/s2以上。由表2可知，各方案的平均速度相差不大，且均随着底吹气流的上升而增大。平均速度最大的是方案A4，其次是方案A1与A3。

依据熔池内湍动能的分布情况确定的方案优先顺序为：A4，A2，A1，A3，O1，与水模拟实验混匀时间得到的优先顺序相同。依据熔池内流速分布情况确定的方案优先顺序为：A4，A1，A3，A2，O1。

尽管熔池的搅拌效果对于冶炼来讲十分重要，但还需考虑气体以及钢液对底吹砖和炉底的侵蚀作用。图3是靠近炉底处水平截面(距炉底10 mm)上最大湍动能对应的面积，以此来衡量各方案中底吹布置的相对侵蚀程度。从保护炉底的角度来看，底吹布置方案的优先顺序为A2，A4，O1，A3，A1。结合上述分析，最总选定布置方案A4进行工业试验。

图3　5种底吹布置方案下转炉炉底侵蚀面积

2　工业试验

为检验方案A4的实际1效果，共计进行了60炉次工业试验，并对转炉冶炼时间与钢液脱磷情况进行了统计分析。该复吹转炉平均出钢量为150 t，供氧强度3.2 Nm3/(min·t)，脱碳枪位1.5 m，底吹供气强度稳定在0.03 Nm3/(min·t)。图4为各炉次的冶炼时间，试验炉次平均冶炼时间为14.5 min，较原方案的15.4 min缩短0.9 min，满足生产节奏的要求。这是由于新的底吹布置方案强化了熔池搅拌效果，改善了炉内动力学条件，有利于加快生产节奏，缩短冶炼时间。图5是各炉次的终点磷含量，优化前后终点[P]平均值分别为0.0101%、0.0119%，达到要求。

图4　优化前后各炉次冶炼时间对比

图5优化前后终点[P]含量对比图

3　结论

(1)数值模拟结果表明，采用方案A4时，转炉熔池具有最大的平均湍动能与平均速度，表明方案A4对熔池的搅拌效果更优。再考虑到对炉底的侵蚀，方案A4与当前底吹布置方案O1接近，在可接受的范围内，最终采纳方案A4进行工业试验。

(2)工业试验表明，复吹转炉平均冶炼时间为14.5 min，较优化前下降0.9 min，终点[P〗含量平均值为0.0101%，较优化前下降0.0018%。

[1]王新华. 钢铁冶金 炼钢学[M]. 北京：高等教育出版社, 2007：81-86.

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OPTIMIZATION AND APPLICATION OF THE BOTTOM TUYERESCONFIGURATION FOR A 150 T COMBINED BLOWN CONVERTER

Shan YigangWu GuopingXie Shengyuan

(Nanjing Iron and Steel Group Corp.)

On the basis of four bottom tuyeres configurations optimized from the water-model experiment (A1～A4) and the existing configuration (O1), multiphase flow in the converter molten bath under different configurations has been studied by using CFD commercial software FLUENT to determine the most favorable configuration. The results show that the program A1 and A4 has better stirring effect than the other options; but because of the larger erosion area of the former, ultimately determine the use of the program A4 is determined determined. Industrial tests shows that, the optimized configuration has a good performance in bath stirring, provided a better kinetic conditions for the chemical reactions. Smelting time shorten 0.9 min, phosphorus content decreased 0.002%.

converterbottom tuyeres configurationnumerical simulation

2015-12-17

联系人：单以刚，工程师，南钢研究院应用技术研究所所长，江苏.南京(210035)，南京钢铁股份有限公司；