优化条件的RH 流场数值模拟研究

优化条件的RH流场数值模拟研究

薛利强，何平，张海风，李相臣

(钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081)

摘要：采用欧拉模型数值模拟方法，通过采用更接近实际的边界计算条件和初始条件对170tRH熔池流场进行了模拟分析。研究结果表明：改进后模型计算出的流场状态和循环流量结果与试验结果很一致；上升管内钢液速度呈M型分布，且气泡在上升管内的流动具有波动性，下降管内钢液流速度分布均匀，上升管内壁比下降管内壁更容易侵蚀。

关键词：RH精炼；流场；数值模拟；质量入口

RH的冶金功能如真空脱碳脱氧、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等都是在真空条件下通过钢液的循环流动来实现的，RH熔池的流动行为和状况影响其精炼效率。自1975年Nakanishi[1]提出的RH装置熔池内钢液流动的二维数学模型以来已有很多研究者[2-7]对RH循环精炼过程中钢液循环流动进行了数值模拟研究，为认识RH熔池内流体流动行为提供了依据。但其数学模型的边界条件设置具有一定的局限性：1)将上升管吹气孔设置为速度入口，这对于可压缩气体来说会导致计算结果误差较大；2)把氩气温度视为常温，没有考虑钢液温度对氩气密度的影响；3)氩气气泡直径为一定值，不随吹气量以及上浮等条件的变化而变化；4)真空室液面高度设为定值或真空室出口为硬性边界条件，导致钢液没有充分自由发展。这些将势必影响RH熔池内流场速度及形态、循环流量等的计算可靠性。

为了对RH熔池内的钢液流动行为进行研究，将钢包与RH装置视为一个整体，吹气孔采用质量入口，初始时真空室无钢液，随着抽真空与吹气的进行，RH熔池内钢液面上升，最后达到稳定，真空室内的钢液液面是充分自由发展的。在此更接近实际的边界计算条件下，采用大型CFD软件建立了欧拉模型对170tRH-KTB设备的流场进行了三维数值模拟研究。其结果采用水力学模拟试验、国外文献经验数据进行了验证，并对RH浸管内钢液流场分布与管壁冲刷关系进行了分析。

1 数模模型

1．1物理模型

以某钢铁厂RH-KTB设备为原型，处理容量170t左右。钢包内径底部为Φ2834mm，包口Φ3192mm；上升管、下降管长度1600mm，内径Φ550mm；真空室内径为Φ1910mm；上升管吹氩孔为12孔双层分布，上下层各6孔均呈60°分布，上下层孔交错30°，层间距150mm。物理模型的几何尺寸与原型一致。

1．1．1假设条件

在RH设备中，由于气泡的提升、搅拌和真空度抽吸作用以及温度场变化对流动的影响，钢液的流动状态为复杂的湍流。为了便于建立模型，特作以下假设：1)钢液温度不变，不考虑温度场变化对流动的影响；2)气体进入钢液后的温度与钢液温度一致；3)气泡的浮力是驱动钢液循环流动的主要驱动力。

1．1．2边界条件

1)为便于计算和模拟，包口液面上方设置为压力入口。压力为101．325kPa；2)真空室出口为压力出口，此处仅考虑轻处理下的真空度，压强为1kPa；3)上升管的吹氩孔为质量入口，对吹入的氩气进行了压力和温度修正，产生的气泡随吹气量和压力而变化，吹氩流量与实际生产一样；4)壁面边界采用标准壁面函数。

1．1．3控制方程

RH内钢液流动遵循的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程及能量守恒方程．采用k-ε方程来描述整个熔池中的紊流状态。由于RH熔池内流体的流动涉及吹氩，其流体流动为标准的两相流，采用欧拉模型对气液两相区进行处理。

1．1．4参数设定

氩气、钢液的各项参数如表1[8-9]所示，其中对吹入RH熔池中的氩气密度进行了温度与压力修正。

注：V L为单位时间内进入上升管内的氩气流量，m3／min；g为重力加速度，9．8m／s2根据理想气体方程有：

P0V0／T0=P1V1／T1(1)

ρ1=ρ0T0P1／(T1P0) (2)

式(1)和式(2)中：T0=298K，T1=1873K；ρ0为标准大气压下的密度，1．6228kg／m3；P0和P1分别为标准大气压强和吹气孔处的压强，Pa。

1．2模型的初始化

该模型初始化时钢液全部处于大包中，分离求解器采用Simple算法，松弛因子系数设置如下表2所示。

2 模型计算结果及讨论

2．1RH气液两相分布与钢液循环流量变化

从吹气量100m3／h、浸渍管插入深度500mm，真空室内真空度1kPa下该模型计算收敛后的相图发现，气体进入上升管后沿着管壁向上运动进入真空室，这一结果与文献1[10-11]描述一致。图1为该数学模型检测其下降管1／2处横截面所得到的循环流量走势图，可以看出，随着抽真空的进行，在前期钢液从下降管内流向真空室内，随着时间的推移，下降管内流向真空室内的钢液速度逐渐减小直到为零(对应于图1中循环流量趋势线的最高点)，之后下降管内钢液速度变向，从真空室流向大包直至稳定。

2．2模型计算流场与水模试验结果对比

在验证钢液流动的数值计算结果方面目前采用的主要方法为水力学模拟试验方法。水模试验对流体流场来说具有可观察性和易测性。

经过水模型试验的验证，数值计算所得的流场方向、分布、特点与水模试验所得的流场所得的流场十分吻合。

2．3数值计算循环流量与经验公式获得结果对比

根据日本文献试验获得的RH钢液循环流量经验关系式与结果进行对比。该模型计算吹气量为72、100、120、130、150m3／h下的循环流量，其与日本小野清熊[12](式(3))和森幸冶[13](式(4))所得的经验公式比较如图2所示。

Q=1．8×10-4D u0.3·Dd1.1·G0.31·H g0.3(3)

Q=2．9×10-3G1/3D4/3{ln(P1／P2)}1/3(4)

式(3)和式(4)中，Q为循环流量，t／min；D u、D d分别为上升管、下降管的直径，mm：D为浸渍管内径．mm；G为吹气量，m3／h；H g为吹气孔距离真空室液面的距离，mm；P1和P2分别为大气压强和真空室压强，Pa。

从图2中可以看出，在本模型计算范围内，其循环流量在小野清熊公式和森幸冶公式计算所得值之间，因此该模型计算的循环流量比较合理。

通过回归分析获得采用本模拟计算的RH循环流量计算式如下：

Q=3．8×10-4G0.5D0.8H g0.7(5)

2．4建立的RH数值计算模型特点

1)将RH装置与钢包看作一个统一的整体，有利于分析钢液的整体循环流动情况。

2)吹气孔入口边界条件为质量入口，吹入的氩气体积经钢水温度和压力修正，产生气泡大小与气体流量有关，这对于可压缩气体氩气更接近实际生产情况。

3)初始条件上，初始化时钢液全在钢包里，通过抽真空与吹气使钢液提升到真空室里然后形成循环，与实际生产一致。

4)大包液面和真空室液面与气相接触，可以自由流动与波动，与类似的数值模型[10]计算结果相比，其下降管内的流速更加合理。

3 RH熔池流场特点分析

3．1RH熔池速度场分析

图3为吹气量100m3／h、浸渍管插入深度500mm，真空室内真空度1kPa时RH装置通过两浸渍管轴心的剖面速度图，可以看出钢液以较大速度从下降管流向大包，主流股基本不发散，与周围液体形成明显的液液两相流(主流股流速为0．97～1．12m／s，周围液体速度为0．08m／s)，下降主流股流向包底与包底撞击后速度迅速减小(从0．97m／s降低到0．29m／s)。包底无弱搅拌区(与CAS精炼在包底形成的弱搅拌区不同[1-4])。由于上升管对大包钢液的抽吸作用，大部分钢液流向上升管，从而在大包与真空室之间形成一个大的流动循环区。同时在大包中下部两浸渍管下方形成了一个漩涡区，漩涡区中心的速度很小为0．02m／s，此外一部分钢液流向下降管右侧包壁，在大包右下部形成了一个小漩涡，在下降管与右侧包壁之间的区域速度很小为0．08m／s。大包内浸渍管侧面与大包壁之间的区域内钢水几乎处于静止状态，其速度为0．02m／s，处于这个区域的精炼渣波动很微弱，降低了渣钢之间的反应速度，对依靠渣钢反应去除硫等有害元素或依靠覆盖渣吸附钢水中夹杂物有很大的影响。