D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.08.013 第29卷第8期 北京科技大学学报 Vol.29 No.8 2007年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2007 F精炼炉盖内惰性气氛的流动模拟 温良英 陈登福张生富白晨光龙战军 重庆大学材料科学与工程学院，重庆400030 摘要采用耦合数值求解的方法，计算并分析了LF精炼炉盖内气体流动的速度分布状态以及液面附近惰性气体氩(A)的 流动行为和分布.结果表明：露弧加热期和埋弧加热期炉盖的合理抽气压力分别为一200~一250Pa和一120Pa:底吹氩气量 过小不能在液面上部弥散，而增大到20~503h-1,在液面附近弥散且流动分布状态相似，有利于液面附近惰性气氛的保 持：液面距钢包上边缘的距离增大，氩气在液面上部回旋的区域扩大，可防止钢液增[N]或[O]· 关键词炉盖：气体流动；数值模拟：惰性气体：抽气压力 分类号TF061 LF钢包精炼炉内钢液（或液渣）表面与上部炉 口，间隙1为冷风混入口（炉盖主烟道与排烟道联 盖之间的空间内存在大量的气体流动和换热行为· 结处)，裙边缝隙2，缝隙3主要包括测温取样孔、观 在抽力作用下进入包盖内的气体携带着精炼过程中 察孔、合金加入孔、事故时顶吹氩孔等，间隙4是电 产生的炉尘进入除尘系统，抽吸进入的气体量、气体 极圆与电极间的间隙，均根据设计图纸确定，I为 的流动分布状况对钢液表面附近气氛的保持、除尘 上部水平烟道，Ⅱ为裙边立弯烟道，A面为LF炉盖 系统的烟气捕集效率及治理效果等均具有重要影 的烟道出口，B面为排放抽吸烟道吸风口 响)，通过流场、温度场耦合数值求解的方法分 析盖内空间的气体流动状态、底吹气体(A)的流动 行为，对保持液面附近有浓度较高的惰性气体，防止 钢液增[N]、[0]具有重要意义，本文主要研究炉盖 空间内的气体流动、液面附近氩气流动分布规律. 1流动传热过程的数学描述 1.1控制方程 LF精炼炉盖内的气体主要是在排烟管道上的 抽力作用下，从炉盖周围吸入的空气、液面溢出的底 吹氩气和精炼过程中产生气体。假设气体在盖内空 间的流动为不可压缩的湍流流动，在流动过程中与 图1F炉炉盖内腔结构的示意图 三相高温电弧和炽热的钢液进行能量交换，描述其 Fig.1 Schematic diagram of interior structure of the LF furnace 流动、传热的基本方程为连续性方程、运动方程和能 lid 量守恒方程，湍流模型采用工程上广泛应用的k一e 从液面溢出进入炉盖内的气体包括两部分：一 双方程模型3] 部分是底吹氩气，假设氩气从钢包底部进入钢液后 1.2边界条件 受热膨胀上浮进入炉盖空间，计算过程中，按气体在 针对如图1所示的LF炉盖内气体的流动、传 钢液内上浮、扩张近似估算钢液内气泡流动区域的 热过程，边界条件可以描述如下， 直径-可，确定各氩气吹入量的入口速度，另一部 (1)流动边界条件，假设固体壁面为无滑移边 分是浸入渣中的石墨电极与渣中氧化物反应及石墨 界，出口边界上速度分布均匀，沿流动方向各流动参 电极氧化产生的气体，由于这部分气体量相对于从 数的导数为零.图1中缝隙1、2、3和4是空气吸入 炉盖裙边周围吸入的空气量小得多，本模拟计算中 收稿日期：2007-03-02修回日期：2005-05-11 可不考虑 作者简介：温良英(1966一)，女，副教授 (②)热边界条件，高温电弧是LF炉内的主要
LF 精炼炉盖内惰性气氛的流动模拟 温良英 陈登福 张生富 白晨光 龙战军 重庆大学材料科学与工程学院重庆400030 摘 要 采用耦合数值求解的方法计算并分析了 LF 精炼炉盖内气体流动的速度分布状态以及液面附近惰性气体氩（Ar）的 流动行为和分布．结果表明：露弧加热期和埋弧加热期炉盖的合理抽气压力分别为－200～－250Pa 和－120Pa；底吹氩气量 过小不能在液面上部弥散而增大到20～50m 3·h －1在液面附近弥散且流动分布状态相似有利于液面附近惰性气氛的保 持；液面距钢包上边缘的距离增大氩气在液面上部回旋的区域扩大可防止钢液增［N］或［O］． 关键词 炉盖；气体流动；数值模拟；惰性气体；抽气压力 分类号 TF061 收稿日期：2007-03-02 修回日期：2005-05-11 作者简介：温良英（1966－）女副教授 LF 钢包精炼炉内钢液（或液渣）表面与上部炉 盖之间的空间内存在大量的气体流动和换热行为． 在抽力作用下进入包盖内的气体携带着精炼过程中 产生的炉尘进入除尘系统抽吸进入的气体量、气体 的流动分布状况对钢液表面附近气氛的保持、除尘 系统的烟气捕集效率及治理效果等均具有重要影 响［1－2］．通过流场、温度场耦合数值求解的方法分 析盖内空间的气体流动状态、底吹气体（Ar）的流动 行为对保持液面附近有浓度较高的惰性气体防止 钢液增［N］、［O］具有重要意义．本文主要研究炉盖 空间内的气体流动、液面附近氩气流动分布规律． 1 流动传热过程的数学描述 1∙1 控制方程 LF 精炼炉盖内的气体主要是在排烟管道上的 抽力作用下从炉盖周围吸入的空气、液面溢出的底 吹氩气和精炼过程中产生气体．假设气体在盖内空 间的流动为不可压缩的湍流流动在流动过程中与 三相高温电弧和炽热的钢液进行能量交换．描述其 流动、传热的基本方程为连续性方程、运动方程和能 量守恒方程湍流模型采用工程上广泛应用的 k－ε 双方程模型［3－4］． 1∙2 边界条件 针对如图1所示的 LF 炉盖内气体的流动、传 热过程边界条件可以描述如下． （1） 流动边界条件．假设固体壁面为无滑移边 界出口边界上速度分布均匀沿流动方向各流动参 数的导数为零．图1中缝隙1、2、3和4是空气吸入 口．间隙1为冷风混入口（炉盖主烟道与排烟道联 结处）裙边缝隙2缝隙3主要包括测温取样孔、观 察孔、合金加入孔、事故时顶吹氩孔等间隙4是电 极圆与电极间的间隙均根据设计图纸确定．Ⅰ为 上部水平烟道Ⅱ为裙边立弯烟道．A 面为 LF 炉盖 的烟道出口B 面为排放抽吸烟道吸风口． 图1 LF 炉炉盖内腔结构的示意图 Fig．1 Schematic diagram of interior structure of the LF furnace lid 从液面溢出进入炉盖内的气体包括两部分：一 部分是底吹氩气假设氩气从钢包底部进入钢液后 受热膨胀上浮进入炉盖空间计算过程中按气体在 钢液内上浮、扩张近似估算钢液内气泡流动区域的 直径［5－6］确定各氩气吹入量的入口速度．另一部 分是浸入渣中的石墨电极与渣中氧化物反应及石墨 电极氧化产生的气体由于这部分气体量相对于从 炉盖裙边周围吸入的空气量小得多本模拟计算中 可不考虑． （2） 热边界条件．高温电弧是 LF 炉内的主要 第29卷 第8期 2007年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．8 Aug．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．08．013
第8期 温良英等：F精炼炉盖内惰性气氛的流动模拟 .823 热量来源，电弧柱的形态与电弧电压和电流密切相 Mixture模型].以某厂设计参数为基础，利用 关，电弧柱外侧温度约6000℃[门.从钢包底部吹入 GAMBIT2.O建立LF炉盖计算模型，考虑到炉盖各 的氩气进入钢液后受热膨胀上浮到液面溢出进入炉 部分尺寸相差较大，采用分离几何体划分网格，即炉 盖空间，认为其与钢液的温度相当，为1600℃左右， 盖主体区域、裙边盖体区域、抽气环箱、立弯管道、上 LF炉盖周围的空气温度为环境温度35℃左右，冷 部水平直管道和冷风混入口六个部分，各部分的网 却水进口温度为环境温度，进出口温差为10℃.LF 格类型均采用非结构四面体(TGd)网格，根据求 炉盖主体是无缝钢管焊制成的水冷炉盖，管内为水 解模拟计算中对时间属性的设定，迭代求解分为稳 强制对流冷却，根据设计参数用迪图斯一贝尔特 态求解和非稳态求解 (Dittus Boelter)经验公式核算确定).LF炉盖腔 2.2流体参数及属性 体内的辐射传热计算，采用处理具有局部热源问题 从炉盖周围吸入的空气因受热，温度升高而体 最好的离散坐标辐射模型，即D0模型. 积膨胀，密度降低，气体的密度与温度的关系式为： (3)组分条件.空气由氮和氧组成，底吹气体 9=/(1+B) (1) 为纯氩(A)·三组分间不发生化学反应，在炉盖内 式中，？、%分别为气体在t℃及标准状态下的密 腔中只有流动、混合和热量交换，计算中将空气中 度；3为气体的温度膨胀系数，B=1/273.采用用户 氧和氨视为一体，体积分数为1.两者在炉盖腔体内 自定义函数导入FLUENT6.18应用软件的核心计 的组分传输模型为混合(Mixture)模型 算程序进行模拟计算. 2模拟计算方法及相关参数的确定 氩气从底部进入LF精炼炉内，在钢液中上浮 并被加热，溢出钢液面时温度接近或达到与钢液相 2.1模拟计算方法 当的温度1600℃左右.按气体在钢液内上浮、扩张 采用国际著名商用软件FLUENT6.18耦合求 近似估算钢液内气泡流动区域的直径)]，确定各氩 解流动、传热方程组，流动模型为标准k一E双方程 气吹入的速度，不同底吹氩气量条件下对应的入口 模型，辐射传热模型为D0模型，组分传输模型为 速度见表1. 表1底吹氩气流量及其对应的入口速度 Table 1 Flow rates of Ar bottom blowing and corresponding inlet velocities 底吹氩气供入量/(m3h-l) 5 10 15 90 2分 30 50 氩气入口速度/(ms) 0.06 0.08 0.15 0.23 0.30 0.38 0.45 0.76 注：氩气入口速度是以炉耳轴区域气泡流直径为200mm,温度为1600℃为基准估算的结果 以大气压为基准确定出口处的相对压力值，即 平均温差为10℃左右，按迪图斯一贝尔特(Dittus一 炉盖烟道出口处抽力为一50~一250Pa.为保证炉 Boelter)经验公式[8]核算确定管内平均传热系数，见 盖不“冒气”，其他孔隙处为0Pa 表2. 2.3水冷炉盖的平均传热系数 某厂水冷炉盖管内冷却水的平均温度为35℃， 表2水冷炉盖管内平均对流传热系数 Table 2 Average convective heat transfer coefficients in the water pipe of the furnace lid 水流速度/(ms) 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 2.75 3.0 对流传热系数/(Wm-2.k) 4319 5160 5970 6755 7516 8259 8985 9697 10396 布情况，未标明处的液面基准位置均为860mm, 3 模拟计算结果及分析 3.1F炉盖内气体流动矢量及分布 通过数值模拟计算了LF精炼炉内三相电弧露 速度矢量图可以反映计算区域内气体流动的方 弧加热期、埋弧加热期，炉盖合金孔开或关、液面变 向和大小.图2和图3分别为LF炉炉盖处于最恶 化等不同条件下，进入炉盖腔体内气体的流动速度、 劣的工作条件，即三相电弧以最大功率露弧加热、炉 温度、压力的分布及变化规律.下面主要研究炉盖 盖合金孔开启或关闭时，炉盖内纵剖(y=0)面上气 内典型截面上气体的流动和液面附近的氩气流动分 体流动的速度矢量分布
热量来源电弧柱的形态与电弧电压和电流密切相 关电弧柱外侧温度约6000℃［7］．从钢包底部吹入 的氩气进入钢液后受热膨胀上浮到液面溢出进入炉 盖空间认为其与钢液的温度相当为1600℃左右 LF 炉盖周围的空气温度为环境温度35℃左右冷 却水进口温度为环境温度进出口温差为10℃．LF 炉盖主体是无缝钢管焊制成的水冷炉盖管内为水 强制对流冷却根据设计参数用迪图斯－贝尔特 （Dittus－Boelter）经验公式核算确定［8］．LF 炉盖腔 体内的辐射传热计算采用处理具有局部热源问题 最好的离散坐标辐射模型即 DO 模型． （3） 组分条件．空气由氮和氧组成底吹气体 为纯氩（Ar）．三组分间不发生化学反应在炉盖内 腔中只有流动、混合和热量交换．计算中将空气中 氧和氮视为一体体积分数为1．两者在炉盖腔体内 的组分传输模型为混合（Mixture）模型． 2 模拟计算方法及相关参数的确定 2∙1 模拟计算方法 采用国际著名商用软件 FLUENT6∙18耦合求 解流动、传热方程组流动模型为标准 k－ε双方程 模型辐射传热模型为 DO 模型组分传输模型为 Mixture 模型［9］．以某厂设计参数为基础利用 GAMBIT2∙0建立 LF 炉盖计算模型考虑到炉盖各 部分尺寸相差较大采用分离几何体划分网格即炉 盖主体区域、裙边盖体区域、抽气环箱、立弯管道、上 部水平直管道和冷风混入口六个部分各部分的网 格类型均采用非结构四面体（TGrid）网格．根据求 解模拟计算中对时间属性的设定迭代求解分为稳 态求解和非稳态求解． 2∙2 流体参数及属性 从炉盖周围吸入的空气因受热温度升高而体 积膨胀密度降低．气体的密度与温度的关系式为： ρt＝ρ0／（1＋βt） （1） 式中ρt、ρ0 分别为气体在 t ℃及标准状态下的密 度；β为气体的温度膨胀系数β＝1／273．采用用户 自定义函数导入 FLUENT6∙18应用软件的核心计 算程序进行模拟计算． 氩气从底部进入 LF 精炼炉内在钢液中上浮 并被加热溢出钢液面时温度接近或达到与钢液相 当的温度1600℃左右．按气体在钢液内上浮、扩张 近似估算钢液内气泡流动区域的直径［2］确定各氩 气吹入的速度不同底吹氩气量条件下对应的入口 速度见表1． 表1 底吹氩气流量及其对应的入口速度 Table1 Flow rates of Ar bottom blowing and corresponding inlet velocities 底吹氩气供入量／（m 3·h －1） 3 5 10 15 20 25 30 50 氩气入口速度／（m·s －1） 0∙06 0∙08 0∙15 0∙23 0∙30 0∙38 0∙45 0∙76 注：氩气入口速度是以炉耳轴区域气泡流直径为200mm温度为1600℃为基准估算的结果 以大气压为基准确定出口处的相对压力值即 炉盖烟道出口处抽力为－50～－250Pa．为保证炉 盖不“冒气”其他孔隙处为0Pa． 2∙3 水冷炉盖的平均传热系数 某厂水冷炉盖管内冷却水的平均温度为35℃ 平均温差为10℃左右按迪图斯－贝尔特（Dittus－ Boelter）经验公式［8］核算确定管内平均传热系数见 表2． 表2 水冷炉盖管内平均对流传热系数 Table2 Average convective heat transfer coefficients in the water pipe of the furnace lid 水流速度／（m·s －1） 1∙0 1∙25 1∙5 1∙75 2∙0 2∙25 2∙5 2∙75 3∙0 对流传热系数／（W·m －2·K －1） 4319 5160 5970 6755 7516 8259 8985 9697 10396 3 模拟计算结果及分析 通过数值模拟计算了 LF 精炼炉内三相电弧露 弧加热期、埋弧加热期炉盖合金孔开或关、液面变 化等不同条件下进入炉盖腔体内气体的流动速度、 温度、压力的分布及变化规律．下面主要研究炉盖 内典型截面上气体的流动和液面附近的氩气流动分 布情况．未标明处的液面基准位置均为860mm． 3∙1 LF 炉盖内气体流动矢量及分布 速度矢量图可以反映计算区域内气体流动的方 向和大小．图2和图3分别为 LF 炉炉盖处于最恶 劣的工作条件即三相电弧以最大功率露弧加热、炉 盖合金孔开启或关闭时炉盖内纵剖（ y＝0）面上气 体流动的速度矢量分布． 第8期 温良英等： LF 精炼炉盖内惰性气氛的流动模拟 ·823·
,824 北京科技大学学报 第29卷 入盖内的气体可以基本上被抽引吸入烟道而排出 当盖上合金孔关闭，抽气压力为一200Pa时，进入盖 内的气体就可以全部被抽引吸入烟道内排出，如 图3所示. LF精炼钢包炉进入埋弧加热期，没有高温电弧 的热冲击作用，盖内气体更容易抽吸进入烟道而不 从盖内溢出，图4为埋弧加热、炉盖合金孔关闭时， 纵剖(y=0)面上气体流动的速度矢量分布.由图4 可见，抽气压力为一120Pa时炉盖各间隙处就没有 00d流影 气体冒出，且继续增加抽气压力会造成盖内负压，对 维持盖内微正压或液面惰性气氛不利，因此，烟道 图2炉盖内气体流动速度分布（露弧，孔开，一250Pa) 上的抽气压力以炉盖不冒气为宜 Fig.2 Gas flow velocity distribution in the LF lid (emerged arc, orifice opened,-250 Pa) ete以ga2流 图4炉盖内气体流动速度分布（埋弧，孔关，一120P) Fig.4 Gas flow velocity distribution in the LF lid (subemerged 图3炉盖内气体流动速度分布（露弧，孔关，一200Pa) arc,orifice closed.-120Pa) Fig.3 Gas flow velocity distribution in the LF lid (emerged arc, orifice closed.-200 Pa) 3.2液面附近的惰性气体流动分布 以合金孔关闭、露弧加热的合理抽气压力为 在起弧加热初期由于较大的热冲击的作用，为 一200Pa为例，研究底吹氩气流量、液面位置对液面 使炉盖上的各间隙处不冒气，需要较大的抽气压力， 附近的惰性气体流动分布的影响， 由图2可见，当盖上合金孔开启时，烟道抽气压力增 (1)底吹氩气流量的影响.图5为液面基准位 大至一250Pa时，除电极缝处有少量气体冒出外，进 置为860mm、底吹氩气流量为3m3h-和20m3h1 27 (a 10 (b) 225 2 .22 26 0000 + 38 FLD 图5不同底吹氩气量炉盖内气体流动迹线.(a)3m3h1;(b)20m3h-1 Fig.5 Gas flow trace in the LF lid with different rates of Ar-blowing:(a)3mh;(b)20mh
图2 炉盖内气体流动速度分布（露弧孔开－250Pa） Fig．2 Gas flow velocity distribution in the LF lid （emerged arc orifice opened－250Pa） 图3 炉盖内气体流动速度分布（露弧孔关－200Pa） Fig．3 Gas flow velocity distribution in the LF lid （emerged arc orifice closed－200Pa） 在起弧加热初期由于较大的热冲击的作用为 使炉盖上的各间隙处不冒气需要较大的抽气压力． 由图2可见当盖上合金孔开启时烟道抽气压力增 大至－250Pa 时除电极缝处有少量气体冒出外进 入盖内的气体可以基本上被抽引吸入烟道而排出． 当盖上合金孔关闭抽气压力为－200Pa 时进入盖 内的气体就可以全部被抽引吸入烟道内排出如 图3所示． LF 精炼钢包炉进入埋弧加热期没有高温电弧 的热冲击作用盖内气体更容易抽吸进入烟道而不 从盖内溢出．图4为埋弧加热、炉盖合金孔关闭时 纵剖（ y＝0）面上气体流动的速度矢量分布．由图4 可见抽气压力为－120Pa时炉盖各间隙处就没有 气体冒出且继续增加抽气压力会造成盖内负压对 维持盖内微正压或液面惰性气氛不利．因此烟道 上的抽气压力以炉盖不冒气为宜． 图4 炉盖内气体流动速度分布（埋弧孔关－120Pa） Fig．4 Gas flow velocity distribution in the LF lid （subemerged arcorifice closed－120Pa） 3∙2 液面附近的惰性气体流动分布 以合金孔关闭、露弧加热的合理抽气压力为 －200Pa为例研究底吹氩气流量、液面位置对液面 附近的惰性气体流动分布的影响． （1） 底吹氩气流量的影响．图5为液面基准位 置为860mm、底吹氩气流量为3m 3·h －1和20m 3·h －1 图5 不同底吹氩气量炉盖内气体流动迹线．（a）3m 3·h －1；（b）20m 3·h －1 Fig．5 Gas flow trace in the LF lid with different rates of Ar-blowing： （a）3m 3·h －1；（b）20m 3·h －1 ·824· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第8期 温良英等：F精炼炉盖内惰性气氛的流动模拟 .825 时，盖内气体的流动迹线分布状态，由图5可以看 分布状态相似，变化不明显 出：当底吹氩气量较小时，氩气离开液面进入炉盖空 (2)液面位置的影响，图6是底吹氩气流量为 间后不能弥散在液面上部，在抽力的作用下稍作停 20m3h-1,液面位置分别为570mm和1160mm时 留便被抽进烟道中被排出，当底吹氩气量增大到 盖内气体的流动迹线分布状态，比较图5(b)和图6 20m3h-时，如图5(b)所示氩气就可以弥散并在 可以看出：随着液面距钢包上边缘的距离增大 液面上部回旋，然后被抽吸进入烟道排出，有利于保 (570~1160mm),氩气在钢包上部净空高度上的回 护暴露的钢液，防止钢液增[N]或[O],且底吹氩气 旋区域扩大，抽吸进入炉盖空间的空气均不能到达 量15~50m3h一范围内，液面附近氩气的流动迹线 液面，可有效防止钢液增[N]或[O] (b) 2910 27￥10 265×1D 210 109g10 1210 331×109 1,66￥10 LUT 1 0 uema1kgga从 图6不同液面炉盖内气体流动迹线，(a)570mm:(b)1160mm Fig-6 Gas flow trace in LF lid with different liquid levels:(a)570mm;(b)1160mm 4结论 或[0] (1)在不同加热时期，达到使LF炉盖消烟除尘 参考文献 不冒气的效果时抽气压力不尽相同，在炉盖处于最 [1】童占荣，梁联通.LF型钢包精炼炉排烟除尘相关问题的探讨， 恶劣的工作状况，即炉盖上合金孔开启，三相电弧露 工业加热，2002(3)：41 弧加热时合理抽气压力为一250Pa;电弧露弧而合 [2]李卫，炉盖排风罩在精炼炉除尘系统中的应用，工业安全与 环保，2001,27(11)：12 金孔关闭时的合理抽气压力为一200Pa;进入埋弧 [3]Coelho P J.Numerical simulation of radiative heat transfer from 加热期，合金孔关闭的合理抽气压力为一120Pa· nongray gases in three-dimensional enclosures.JQuant Spectrosc (2)在合理抽气压力条件下，底吹氩气量对液 Radiat Transfer.2002.74(3):307 面附近的惰性气氛的流动分布和保持有一定影响， [4]陶文铨.数值传热学.西安：西安交通大学，1995：416 当底吹氩气量较小(3m3h)时，氩气离开液面进 [5]朱苗勇，萧泽强。钢的精炼过程数学物理模拟.北京：冶金工 入炉盖空间后不能弥散在液面上部，在抽力的作用 业出版社，1998：45 下稍作停留便被抽进烟道中排出；当底吹氩气量增 [6]周云，董元篪，王海川炉外精炼中钢包底吹氩流场的数学模 大(20m3h-1)时，氩气弥散并在液面上部回旋停 拟.安徽工业大学学报，2002,19(2)：91 [7]南条敏夫，炼钢电弧炉设备与高效益运行.北京：冶金工业出 留，然后被抽吸进入烟道排出，有利于液面附近惰性 版社，2000：66 气氛的保持，防止钢液增[N]或[O] [8]高家锐。动量、热量、质量传输原理.重庆：重庆大学出版社， (3)在其他条件相同的情况下，随着液面距钢 1987:190 包上边缘的距离增大(570~1160mm),氩气在钢包 [9]laccarino G.Prediction of the turbulent flow in a diffuser with 上部净空高度上的回旋区域扩大，抽吸进入炉盖空 commercial CFD codes//Annual Research Briefs 2000.Stanford: 间的空气均不能到达液面，可防止钢液增[N] CTR Press.2000,271
时盖内气体的流动迹线分布状态．由图5可以看 出：当底吹氩气量较小时氩气离开液面进入炉盖空 间后不能弥散在液面上部在抽力的作用下稍作停 留便被抽进烟道中被排出．当底吹氩气量增大到 20m 3·h －1时如图5（b）所示氩气就可以弥散并在 液面上部回旋然后被抽吸进入烟道排出有利于保 护暴露的钢液防止钢液增［N］或［O］．且底吹氩气 量15～50m 3·h －1范围内液面附近氩气的流动迹线 分布状态相似变化不明显． （2） 液面位置的影响．图6是底吹氩气流量为 20m 3·h －1液面位置分别为570mm 和1160mm 时 盖内气体的流动迹线分布状态．比较图5（b）和图6 可以看出：随着液面距钢包上边缘的距离增大 （570～1160mm）氩气在钢包上部净空高度上的回 旋区域扩大抽吸进入炉盖空间的空气均不能到达 液面可有效防止钢液增［N］或［O］． 图6 不同液面炉盖内气体流动迹线．（a）570mm；（b）1160mm Fig．6 Gas flow trace in LF lid with different liquid levels： （a）570mm；（b）1160mm 4 结论 （1） 在不同加热时期达到使 LF 炉盖消烟除尘 不冒气的效果时抽气压力不尽相同．在炉盖处于最 恶劣的工作状况即炉盖上合金孔开启三相电弧露 弧加热时合理抽气压力为－250Pa；电弧露弧而合 金孔关闭时的合理抽气压力为－200Pa；进入埋弧 加热期合金孔关闭的合理抽气压力为－120Pa． （2） 在合理抽气压力条件下底吹氩气量对液 面附近的惰性气氛的流动分布和保持有一定影响． 当底吹氩气量较小（3m 3·h －1）时氩气离开液面进 入炉盖空间后不能弥散在液面上部在抽力的作用 下稍作停留便被抽进烟道中排出；当底吹氩气量增 大（20m 3·h －1）时氩气弥散并在液面上部回旋停 留然后被抽吸进入烟道排出有利于液面附近惰性 气氛的保持防止钢液增［N］或［O］． （3） 在其他条件相同的情况下随着液面距钢 包上边缘的距离增大（570～1160mm）氩气在钢包 上部净空高度上的回旋区域扩大抽吸进入炉盖空 间的空气均不能到达液面可防止钢液增 ［ N ］ 或［O］． 参 考 文 献 ［1］ 童占荣梁联通．LF 型钢包精炼炉排烟除尘相关问题的探讨． 工业加热2002（3）：41 ［2］ 李卫．炉盖排风罩在精炼炉除尘系统中的应用．工业安全与 环保200127（11）：12 ［3］ Coelho P J．Numerical simulation of radiative heat transfer from non-gray gases in three-dimensional enclosures．J Quant Spectrosc Radiat Transfer200274（3）：307 ［4］ 陶文铨．数值传热学．西安：西安交通大学1995：416 ［5］ 朱苗勇萧泽强．钢的精炼过程数学物理模拟．北京：冶金工 业出版社1998：45 ［6］ 周云董元篪王海川．炉外精炼中钢包底吹氩流场的数学模 拟．安徽工业大学学报200219（2）：91 ［7］ 南条敏夫．炼钢电弧炉设备与高效益运行．北京：冶金工业出 版社2000：66 ［8］ 高家锐．动量、热量、质量传输原理．重庆：重庆大学出版社 1987：190 ［9］ Iaccarino G．Prediction of the turbulent flow in a diffuser with commercial CFD codes∥Annual Research Briefs2000．Stanford： CTR Press2000：271 第8期 温良英等： LF 精炼炉盖内惰性气氛的流动模拟 ·825·
.826. 北京科技大学学报 第29卷 Numerical simulation of inert gas flow in ladle furnace lid WEN Liangying,CHEN Dengfu,ZHA NG Shengfu;BAI Chenguang,LONG Zhanjun Materials Science and Engineering School,Chongqing University,Chongqing 400030,China ABSTRACI Based on the coupling numerical solving method,the velocity distribution and flow behavior of Ar in a ladle furnace lid was calculated and analyzed by numerical simulation.The results show that the appropriate off-gas pressures in the periods of emerged arc and submerged arc are-200--250 Pa and-120 Pa,respec- tively.When the bottom blowing rate is very small,argon cannot disperse on the top of the molten steel surface: as the Arbottom blowing rate increases to 20-50m3h,argon can be dispersive and its flow distribution is similar near the molten steel surface,which is in favor of retaining inactive gas Ar.With the augment of the dis- tance from the molten steel surface to the top ladle edge,the circulating region of Ar enlarges on the top of the molten steel surface,which is in favor of avoiding the increase of [O]or [N]in molten steel. KEY WORDS furnace lid;gas flow:numerical simulation:inert gas;off -gas pressure (上接第784页) Water model study on the mechanism of inclusion removal in a continuous casting tundish ZHA NG Shengjun,ZHENG Shuguo,ZHU Miaoyong Materials and Metallurgy School.Northeastern University.Shenyang 110004.China ABSTRACI The effects of flow control devices,casting speed of liquid steel and inclusion size on inclusion re- moval in a continuous casting tundish were investigated by choosing emulsion drops to simulate inclusions in a water model.The results show that the efficiency of inclusion removal in the tundish with weir and dams is rela- tively high due to the collision and aggregation of inclusions in high turbulence region and the improvement of flow field in the tundish.Although adding turbulence inhibitor into the tundish changes fluid flow little in pour- ing region,it has not much effect on the efficiency of inclusion removal.It seems to be difficult to improve the efficiency of inclusion removal only by optimizing the flow control devices in the tundish with high casting speed of liquid steel. KEY WORDS continuous casting tundish;flow filed;inclusion;water modeling
Numerical simulation of inert gas flow in ladle furnace lid WEN L iangyingCHEN Dengf uZHA NG Shengf uBAI ChenguangLONG Zhanjun Materials Science and Engineering SchoolChongqing UniversityChongqing400030China ABSTRACT Based on the coupling numerical solving methodthe velocity distribution and flow behavior of Ar in a ladle furnace lid was calculated and analyzed by numerical simulation．The results show that the appropriate off-gas pressures in the periods of emerged arc and submerged arc are －200 －250Pa and －120Parespectively．When the bottom blowing rate is very smallargon cannot disperse on the top of the molten steel surface； as the Ar-bottom blowing rate increases to20 50m 3·h －1argon can be dispersive and its flow distribution is similar near the molten steel surfacewhich is in favor of retaining inactive gas Ar．With the augment of the distance from the molten steel surface to the top ladle edgethe circulating region of Ar enlarges on the top of the molten steel surfacewhich is in favor of avoiding the increase of ［O］ or ［N］ in molten steel． KEY WORDS furnace lid；gas flow；numerical simulation；inert gas；off-gas pressure （上接第784页） Water model study on the mechanism of inclusion removal in a continuous casting tundish ZHA NG ShengjunZHENG ShuguoZHU Miaoyong Materials and Metallurgy SchoolNortheastern UniversityShenyang110004China ABSTRACT The effects of flow control devicescasting speed of liquid steel and inclusion size on inclusion removal in a continuous casting tundish were investigated by choosing emulsion drops to simulate inclusions in a water model．The results show that the efficiency of inclusion removal in the tundish with weir and dams is relatively high due to the collision and aggregation of inclusions in high turbulence region and the improvement of flow field in the tundish．Although adding turbulence inhibitor into the tundish changes fluid flow little in pouring regionit has not much effect on the efficiency of inclusion removal．It seems to be difficult to improve the efficiency of inclusion removal only by optimizing the flow control devices in the tundish with high casting speed of liquid steel． KEY WORDS continuous casting tundish；flow filed；inclusion；water modeling ·826· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷