張維維，李忠武，廖相巍，尚德禮

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021）

LF是一種經(jīng)濟(jì)適用而且簡(jiǎn)單易行的爐外精煉設(shè)備。鋼包底吹氬氣是LF精煉過(guò)程中的主要技術(shù)之一，通過(guò)吹氬對(duì)鋼水進(jìn)行攪拌，可以改善鋼水動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)鋼-渣間反應(yīng)，提高脫氧、脫硫能力并有效地均勻鋼水溫度和成分，因此該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。底吹氬氣過(guò)程中，會(huì)使鋼水產(chǎn)生 “渣眼”（鋼包鋼-渣界面上渣層吹開后出現(xiàn)的裸露鋼水的位置），底吹氬氣流量的變化會(huì)使 “渣眼”面積產(chǎn)生相應(yīng)的變化，同時(shí)鋼水在鋼包內(nèi)運(yùn)行特性和 “死區(qū)”（鋼包內(nèi)鋼液流動(dòng)速度非常小的區(qū)域）比例也會(huì)隨之變化。因此，選擇最佳吹氣量對(duì)鋼包吹氬取得良好效果至關(guān)重要。許多研究者對(duì)此做過(guò)物理模擬和數(shù)學(xué)模擬，但多數(shù)局限于二維體系下的氣、液兩相流動(dòng)，無(wú)法如實(shí)反映鋼包內(nèi)液、氣兩相并存的三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。國(guó)外學(xué)者開展的三維數(shù)值模擬研究表明，提高吹氬量可以促進(jìn)鋼-渣反應(yīng)，有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，提高脫硫率。

本文針對(duì)100 t鋼包精煉底吹氬氣的具體工況，建立了LF精煉三維吹氬模型，采用ANSYS CFX18.0軟件進(jìn)行計(jì)算，得到鋼包內(nèi)氣、液兩相并存的三維流動(dòng)狀態(tài)。分析不同吹氬量下鋼水的流動(dòng)行為，提出最優(yōu)的氬氣吹入量，對(duì)鋼包精煉過(guò)程節(jié)能降耗提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型和參數(shù)

1.1 控制方程

根據(jù)混相理論，多相流總變量仍然遵守基本的流體力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程。其中連續(xù)方程、動(dòng)量方程和浮力方程分別如下：

由于鋼液和氬氣密度差異很大，會(huì)產(chǎn)生較大的向上浮力推動(dòng)氬氣泡上浮，同時(shí)帶動(dòng)附近的鋼液流動(dòng)。為了研究鋼液和氬氣兩相流動(dòng)行為，采用多相流動(dòng)體積法（VOF）進(jìn)行求解，要求相間不能相互混合，每一相引入一個(gè)變量，對(duì)應(yīng)一個(gè)體積分?jǐn)?shù)。在每個(gè)控制容積中，所有相的體積分?jǐn)?shù)之和為 1，即：

式中，φ和φ分別為氬氣和鋼液的體積分?jǐn)?shù)。

采用歐拉-拉格朗日兩相流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行求解計(jì)算，其中液體定義為連續(xù)流體，氣體為分散相。

透氣磚星線槽設(shè)為氣體入口，假設(shè)氣體流量在各個(gè)星線槽內(nèi)均勻分布。入口條件采用速度入口，鋼包表面渣層設(shè)為自由液面，鋼水可以產(chǎn)生向上和向下的波動(dòng)，鋼水與鋼包的接觸面為光滑、無(wú)滑移壁面。設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)具有浮力，由密度差產(chǎn)生。

1.2 模型參數(shù)

鋼包有關(guān)操作參數(shù)見表1，鋼包、透氣磚、星線槽模型見圖1。

表1 鋼包有關(guān)操作參數(shù)Table 1 Relevant Operation Parameters for Ladle Furnace

圖1 鋼包、透氣磚、星線槽模型Fig.1 Models for Ladle,Purging Plug and Star-Lines

2 模型計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 鋼包內(nèi)的鋼液運(yùn)動(dòng)

吹氬量為 50、100、200、300、400、500 L/min 時(shí)鋼包內(nèi)鋼液運(yùn)動(dòng)規(guī)律分別見圖2～圖7所示，各圖中（a）～（d）均分別為鋼渣界面速度云圖、鋼渣界面速度矢量圖、中心平面速度云圖和中心平面速度矢量圖。

由圖2～圖7可以看出，鋼包吹氬過(guò)程中，在氬氣泡的推動(dòng)下，鋼水向上運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到鋼-渣界面即自由液面。吹氬量增大后，鋼包內(nèi)鋼液在自由液面的最大速度增大，分布形態(tài)也相應(yīng)發(fā)生變化。鋼包中心平面上的鋼液速度隨之增大，最大速度出現(xiàn)在透氣磚出口位置。表征了氬氣自透氣磚出口吹入后，帶動(dòng)周圍的鋼液向上運(yùn)動(dòng)，氣流逐漸分散、速度減小，形成下部寬上部窄的氣柱。氣流量越小，達(dá)到自由液面的分散程度越大。

圖2 吹氬量為50 L/min時(shí)鋼包內(nèi)鋼液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖3 吹氬量為100 L/min時(shí)鋼包內(nèi)鋼液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖4 吹氬量為200 L/min時(shí)鋼包內(nèi)鋼液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖5 吹氬量為300 L/min時(shí)鋼包內(nèi)鋼液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖6 吹氬量為400 L/min時(shí)鋼包內(nèi)鋼液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖7 吹氬量為500 L/min時(shí)鋼包內(nèi)鋼液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

鋼-渣界面的波動(dòng)將改變液渣層的厚度分布，部分鋼包頂渣被吹開形成“渣眼”。若吹氬量過(guò)大，波動(dòng)過(guò)于劇烈就會(huì)產(chǎn)生鋼、渣過(guò)度卷混，使鋼水純凈度下降，產(chǎn)生不利影響。文獻(xiàn)表明，當(dāng)鋼-渣界面鋼水流動(dòng)速度大于0.3 m/s時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鋼、渣卷混現(xiàn)象，因此該值為臨界速度，大于這個(gè)速度時(shí)，鋼液會(huì)將渣層吹開，形成“渣眼”。

計(jì)算得到100 t鋼包吹氬過(guò)程中各個(gè)吹氣量形成的“渣眼”直徑、面積及其占自由面的面積百分比，如表2所示。

表2 “渣眼”直徑、面積及其百分比Table 2 Diameters,Areas and Percentages of Slag Holes

2.2 鋼包內(nèi)活躍區(qū)體積的變化

一般對(duì)“死區(qū)”的研究較少。本文定義鋼水運(yùn)動(dòng)速度小于0.01 m/s的區(qū)域?yàn)椤八绤^(qū)”，其他區(qū)域?yàn)榛钴S區(qū)。不同吹氬量下的鋼水“死區(qū)”體積百分比變化情況見表3。

表3 “死區(qū)”體積百分比變化情況Table 3 Changes of Volume Percentages for Dead Region

從表3可以看出，吹氬量為50～200 L/min時(shí)，“死區(qū)”體積比例明顯減少；吹氬量為200 L/min時(shí)，比例僅為7.15%；吹氬量大于200 L/min后，比例降低幅度明顯減??；吹氬量為300～500 L/min時(shí)，“死區(qū)”體積比例接近。

綜合分析吹氬量對(duì)“渣眼”和“死區(qū)”體積的影響可以發(fā)現(xiàn)，在吹氬量提升到300 L/min時(shí)，“渣眼”面積提高幅度很大，“死區(qū)”體積也有所減小；100～200 L/min區(qū)間內(nèi)，兩個(gè)指標(biāo)變化不大。因此，當(dāng)吹氬量達(dá)到300 L/min時(shí)，鋼包內(nèi)流動(dòng)和自由表面即鋼-渣界面的流動(dòng)有較大變化，可以使鋼水產(chǎn)生較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)，會(huì)更有利于脫硫的進(jìn)行，同時(shí)“渣眼”面積不大，不會(huì)引起鋼、渣的過(guò)多混合而影響鋼水純凈度。

3 結(jié)論

（1）LF精煉鋼包底吹氬氣攪拌的過(guò)程中，當(dāng)吹氬量在50～500 L/min的范圍內(nèi)時(shí)，增大氬氣流量有利于增大“渣眼”面積，強(qiáng)化鋼水運(yùn)動(dòng)，縮小“死區(qū)”體積比例，有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。但當(dāng)吹氬量超過(guò)300 L/min時(shí)，“死區(qū)”體積比例降低幅度變緩。

（2）綜合最佳“渣眼”面積和“死區(qū)”比例，確定100 t鋼包的最佳吹氬量為300 L/min。