陳紹春 ， 李京社， 朱 榮， 何春來(lái)

（1. 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350001; 2. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083）

電弧爐用氧技術(shù)是利用氧槍將氧氣從熔池上方噴射入電弧爐中，利用超音速氧氣射流為煉鋼提供氧氣助熔，并促進(jìn)熔池的攪拌，將極大提高電弧爐冶煉效率，而其中用氧技術(shù)是射流技術(shù)核心[1-4]。利用多相流計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬手段研究超音速氧氣射流和熔池的相互作用[5-6]，考察在高溫（1500～1600℃）冶煉過(guò)程中的常規(guī)檢測(cè)手段難以檢測(cè)到電弧爐熔池多相流間的物理、化學(xué)作用，研究開(kāi)發(fā)射流技術(shù)的更有效應(yīng)用，對(duì)電弧爐冶煉工藝的提高有著十分積極的意義[7-8]。

本研究使用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 6.3，利用多相流VOF模型建立了某鋼廠150t電弧爐冶煉過(guò)程中不同供氧流量下氧氣射流沖擊熔池的三維三相流數(shù)值模型，研究電弧爐熔池在爐壁側(cè)吹氧槍作用下的流場(chǎng)分布及其變化情況，探討氧氣射流對(duì)電弧爐熔池的物理作用，為進(jìn)一步研究煉鋼熔池中的物理化學(xué)反應(yīng)打下基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型

1.1 基本假設(shè)

在數(shù)值模型建立過(guò)程中分別采取了氧氣射流、渣液和鋼液均為牛頓流體；氧氣為可壓縮流體，渣液和鋼液為不可壓縮流體；氧氣、渣液和鋼液不可滲透混合；采用無(wú)滑移壁面和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)等4個(gè)假設(shè)。

1.2 控制方程

使用多相流VOF模型。VOF模型中，每一相都有各自的體積分?jǐn)?shù)αq，在任意一個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)，各相的體積分?jǐn)?shù)之和為1。

控制體中的變量和參數(shù)利用各相體積百分?jǐn)?shù)通過(guò)體積平均的方法計(jì)算得到。密度ρ的計(jì)算公式如下

其他的物理屬性也通過(guò)這種方式求得。

VOF中的連續(xù)性方程如下

其中mij為第i相流向第j相的質(zhì)量；mji為第j相流向第i相的質(zhì)量。

動(dòng)量守恒方程如下

其中的密度等屬性通過(guò)體積平均方式求得。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε通過(guò)以下兩式求得

1.3 幾何形狀和操作條件

電弧爐模型的尺寸為某鋼廠 150t電弧爐爐型尺寸，該電弧爐繞爐壁分布四支氧槍。模型建立過(guò)程中，對(duì)爐門(mén)、偏心爐底等作了一定的簡(jiǎn)化。電弧爐熔池模型的形狀及網(wǎng)格劃分如圖1所示、相關(guān)尺寸如表1所示、模擬計(jì)算中三相物質(zhì)的熱物理屬性參數(shù)如表2所示。

1.4 初始和邊界條件

模擬初始時(shí)刻，熔池未受氧氣射流沖擊。渣液層均勻分布在鋼液面上。氧槍入口采用壓力入口，其壓力根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的供氧模式確定。具體在文中采用的4種供氧流量下對(duì)應(yīng)的入口壓力如表3所示。爐頂出口壓力為微正壓，3000 Pa。

圖1 電弧爐熔池模型的形狀及網(wǎng)格劃分

表1 電弧爐物理模型的主要參數(shù)

表2 三相的物理屬性參數(shù)表

表3 不同供氧模式下的供氧壓力

1.5 計(jì)算方法

模擬采用流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT6.3來(lái)完成。計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1,024,621，壓力和速度采用PISO算法耦合，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。壓力采用Body force weighted方法進(jìn)行離散，體積分?jǐn)?shù)采用CICSAM進(jìn)行離散，其余變量采用一階迎風(fēng)格式離散。收斂標(biāo)準(zhǔn)以殘差達(dá)到系統(tǒng)默認(rèn)值，即除能量達(dá)10-6外，其他達(dá)到10-3，同時(shí)凈進(jìn)出計(jì)算域的總質(zhì)量小于總進(jìn)入質(zhì)量的5%。利用HP Optiplex 960計(jì)算120小時(shí)可以計(jì)算實(shí)際流場(chǎng)約2s左右的數(shù)據(jù)。

2 模擬的結(jié)果及分析

本研究分別模擬了 150t電弧爐供氧流量為500m3/h、1450 m3/h、1800m3/h和2000m3/h時(shí)，氧槍開(kāi)始供氧后約 2s后的射流沖擊作用下的熔池流場(chǎng)。研究氧氣射流對(duì)熔池的沖擊面積、深度的影響，反映熔池對(duì)氧氣的吸附面積；研究了熔池在射流作用下的速度場(chǎng)，反映射流對(duì)熔池的攪拌能力。

2.1 熔池速度

不同供氧流量下鋼液面下0.2 m處鋼液的速度分布圖如圖2所示。圖3為不同供氧流量下，渣層中間水平橫截面，即渣面下0.05m處的水平橫截面上與過(guò)氧槍軸線的縱截面交線上的渣液速度變化統(tǒng)計(jì)情況。從圖3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，熔池由射流沖擊得到的流動(dòng)速度（動(dòng)能）以波的形式向熔池中心傳遞，供氧流量為 2000 m3/h、1800m3/h、1450 m3/h和500 m3/h時(shí)，渣層的最大速度分別可達(dá)到0.26m/s、0.17m/s、0.13m/s和0.09m/s。在距熔池中心1m以?xún)?nèi)的區(qū)域，速度較小，在0.05～0.13m/s的范圍內(nèi)。結(jié)合圖 2圖3分析可以看出，隨著供氧流量的增加，熔池中鋼液和渣液的流速增加。熔池速度分布呈現(xiàn)“周?chē)?、中心低，表層高、底部低”的趨?shì)。在氧槍正下方的熔液速度最大，由于流動(dòng)渣液鋼液將加重對(duì)爐襯耐火材料的侵蝕，流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果就很好解釋了實(shí)際生產(chǎn)中氧槍下方爐襯侵蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象。

圖2 不同供氧流量鋼液面下0.2 m處熔池的速度分布

圖3 渣層中間水平截面的渣液速度變化（1#氧槍縱截面處）

圖4是過(guò)氧槍軸線并與水平面呈42o角的斜截面上的流場(chǎng)矢量軌跡圖。分析可知，射流的沖擊在熔池內(nèi)部生成渦流，促使熔池中心鋼液向沖擊凹坑處匯集。渦流中心的速度很小，是鋼液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的軸心。射流的沖擊強(qiáng)度不一樣，在熔池中形成的速度場(chǎng)相應(yīng)變化，但流動(dòng)規(guī)律一致。

各種供氧流量下渦流中心位置如表4所示。結(jié)果顯示，供氧流量的增加，渦流中心距氧槍的水平距離越遠(yuǎn)，從500 m3/h到1450m3/h渦流中心變深，但當(dāng)流量超過(guò) 1450m3/h時(shí)，渦流中心的深度在0.20～0.26 m區(qū)域變動(dòng)，不再隨流量增加而變深。渦流中心的位置及深度變化反應(yīng)了射流影響范圍和鋼液成分及對(duì)溫度混勻能力及效果，反應(yīng)了射流的攪拌能力。結(jié)合上面研究結(jié)果可知，隨著供氧流量的增加，熔池流場(chǎng)流速增加，射流攪拌能力加強(qiáng)，影響范圍加大，促進(jìn)熔池成分及溫度的均勻，促進(jìn)熔池的各項(xiàng)氧化反應(yīng)。

圖4 1#氧槍軸線斜截面上不同供氧流量下的流場(chǎng)矢量軌跡圖

表4 不同供氧流量下的渦流中心位置

2.2 沖擊凹坑

當(dāng)熔池表面受到高速氧氣射流的沖擊后，形成沖擊凹坑。凹坑在氧氣射流沖擊力和鋼液渣液靜壓力的綜合作用，形狀不斷變化。沖擊凹坑形狀的變化引起熔池液面的波動(dòng)。由于沖擊凹坑形狀不規(guī)則，對(duì)其表面積的準(zhǔn)確測(cè)量比較困難，因此研究以渣層中間水平橫截面上沖擊凹坑截面面積（沖擊面積）和沖擊凹坑最大沖擊深度來(lái)反映沖擊凹坑的形狀和表面積。

1） 沖擊面積

以渣層中間水平橫截面上渣的體積分?jǐn)?shù)小于0.5的區(qū)域面積作為氧氣射流沖擊凹坑的沖擊面積。圖5為渣層中間水平橫截面上的渣體積分?jǐn)?shù)分布圖，該圖直觀表達(dá)出沖擊凹坑沖擊面積。對(duì)4支氧槍在不同供氧流量下形成的沖擊面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。4支氧槍沖擊面積的平均值如表5所示。

圖5 渣層中間截面渣體積分布圖，供氧流量1800 m3/h

圖6 沖擊面積對(duì)比

表5 不同供氧流量下沖擊凹坑沖擊特性

對(duì)3相的體積分?jǐn)?shù)的分析表明，除供氧流量為500m3/h以外，其它3種供氧流量下射流均穿透熔池表面渣層；而所有強(qiáng)度射流均在熔池表面形成沖擊出凹坑。對(duì)沖擊面積的分析表明，隨著供氧流量的增大，沖擊凹坑沖擊面積等比例增大。沖擊凹坑的沖擊面積與供氧流量回歸公式可以表示為

其中，S：沖擊面積，單位為m2；QO2：供氧流量，單位為m3/h。

2） 沖擊深度

在射流的作用下，熔池液面不斷波動(dòng)，沖擊凹坑的深度也不斷變化。依照慣例研究設(shè)定以射流沖擊出的最大沖擊深度代表沖擊凹坑的沖擊深度。

利用過(guò)氧槍軸線的縱截面上的鋼液體積分布模擬，如圖7所示。假設(shè)以鋼液體積分?jǐn)?shù)為0.85的面為鋼液表面及沖擊凹坑邊界，測(cè)得4支氧槍在不同供氧流量下對(duì)熔池的沖擊深度。不同供氧流量下的4支氧槍沖擊深度平均值如表5所示。結(jié)果顯示，隨著供氧流量的增大，射流的沖擊深度變大。結(jié)合對(duì)供氧流量和沖擊凹坑沖擊面積關(guān)系研究結(jié)果表明，隨著供氧流量增大，射流沖擊凹坑沖擊面積和沖擊深度均相應(yīng)增加，射流沖擊凹坑表面面積增加，熔池吸附氧氣的面積增大，促進(jìn)熔池氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖7 縱截面的鋼液體積分?jǐn)?shù)分布圖（1#氧槍?zhuān)?/p>

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某鋼廠 150t電弧爐冶煉過(guò)程中不同供氧流量下超音速氧氣射流沖擊熔池流場(chǎng)進(jìn)行三維三相流數(shù)值模擬，研究電弧爐熔池在爐壁側(cè)吹氧槍作用下的流場(chǎng)分布及其變化情況，探討超音速氧氣射流對(duì)電弧爐熔池的物理作用，得到以下結(jié)論：

1） 熔池由射流沖擊得到的速度（動(dòng)能）以波的形式由沖擊點(diǎn)向熔池中心傳遞，熔池的速度場(chǎng)呈現(xiàn)“周?chē)?、中心低，表層高、底部低”的趨?shì)，在氧槍正下方的鋼液渣液速度最大。

2） 由于射流的作用，熔池中形成渦流。渦流中心是鋼液循環(huán)的中心，對(duì)速度場(chǎng)有重要作用。隨著供氧流量的增加，渦流中心越遠(yuǎn)離氧槍?zhuān)以谌鄢刂猩疃仍缴?，同時(shí)熔池中鋼液和渣液的流速增加，反應(yīng)射流作用強(qiáng)度及范圍均加大，攪拌能力增強(qiáng)。

3） 隨著供氧流量增大，射流沖擊凹坑沖擊面積和沖擊深度均相應(yīng)增加，射流沖擊凹坑表面面積增加，反應(yīng)熔池吸附氧氣的面積增大。

4） 氧氣射流沖擊凹坑沖擊面積S(m2)和供氧流量QO2(m3/h)成線性關(guān)系，可表示為

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