D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.12.005 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 铁水包吹气排渣过程的模拟 赵新宇 张炯明吴苏州 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要设计喷枪置于铁水包后部（相对于扒渣嘴），在扒渣开始前，通过此喷枪向铁水内喷吹气体，气体上浮后排开一定面 积渣层，使表面渣向扒渣嘴方向聚集，为下一步扒渣机的操作提供便利条件，从而减少扒渣次数，提高效率，降低铁损·使用 1:3.5比例设计铁水包水模型，模拟不同工况下，气体排渣的效果.同时采用数值模拟的方法验证水模实验结果。实验表明喷 枪浸入深度从200mm变到400mm,无渣比（无渣区域占总面积的百分比）从10%增加到30%：气体流量从4m3.h-1变到 6m3h-1,无渣比从30%增加到37%.说明浸入深度越大，吹气量越大，排渣的效果越好.数值模拟与水模型符合较好. 关键词铁水包：扒渣；喷枪：水模拟：数值模拟 分类号TF535.2 Simulation of gas blowing slag in a hot metal ladle ZHA O Xin-yu,ZHA NG Jiong-ming:WU Su-zhou School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI A new type of spray gun was placed at the wall of a hot metal ladle(relative to the outlet of slag removal).Before slag removal,high pressure N2 was injected and floated,and slag on the ladle surface was pushed aside to the ladle outlet.The operation is positive to removing slag from the ladle,the efficiency improves,and the loss of hot metal and the time of slag removal decrease.A model in a proportion of 1:3.5 was made to simulate the hot metal ladle.Air was injected to blow slag.The simulation was operated with various parameters.At the same time,numerical simulation was made to testify the result.It is shown that when the submerged depth varies from 200mm to400mm the ratio of lack slag area tosum area rises from10%to0%.When the flux of gas changes from 4mh to 6mh,the ratio of lack"slag area to sum area increases from 30%to 37%.The increases of submerged depth and gas-blowing flux are positive to the quantity of slag removal.The result of water modelling is well accorded with the numerical simulation. KEY WORDS hot metal ladle:slag removal:spray gun:water modelling:numerical model 铁水包主要功能是脱硫、扒渣山，铁水脱硫后， 型，模拟铁水包，用水模拟铁水，在水表面使用油和 铁水表面有一层含硫渣，为了防止回硫，应把这层含 聚苯乙烯粒子的混合物模拟含硫渣，制作喷枪，用 硫渣去除)]，实验采用一种用喷枪向铁水包内部喷 气体压缩机向喷枪内供气，从而搅拌水表面的含硫 吹气体的方法，搅动铁水包上部的含硫渣，形成一定 渣，以达到使渣聚集的效果 面积的无渣区，使渣尽量聚集，继而再用扒渣机将其 水模拟实验装置如图1，喷枪形状如图中放大 扒掉，这样可以很大程度上提高渣的去除率和工作 部分所示. 效率，降低铁损 通过准数相等得出实际和模型之间的比例关 1研究方法与内容 系，从而得到模拟中的各项工况在实际中的对应数 据，通过水模拟研究流场的状况，得出更优工艺， 1.1水模研究方法 影响流体流动的主要因素有流体速度、设备尺 按模型与实际之比为1：3.5的比例制作水模 寸和重力加速度。因此，研究流体流动最重要的准 收稿日期：2009-03-04 基金项目：国家自然科学基金及宝钢联合资助项目(Na.50774109) 作者简介：赵新字(1980一)男，博士研究生；张炯明(1964一)，男，教授，博士生导师，Emai:jm203 @sina-com
铁水包吹气排渣过程的模拟 赵新宇 张炯明 吴苏州 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 设计喷枪置于铁水包后部（相对于扒渣嘴）在扒渣开始前通过此喷枪向铁水内喷吹气体气体上浮后排开一定面 积渣层使表面渣向扒渣嘴方向聚集为下一步扒渣机的操作提供便利条件从而减少扒渣次数提高效率降低铁损．使用 1∶3∙5比例设计铁水包水模型模拟不同工况下气体排渣的效果．同时采用数值模拟的方法验证水模实验结果．实验表明喷 枪浸入深度从200mm 变到400mm无渣比（无渣区域占总面积的百分比）从10％增加到30％；气体流量从4m 3·h －1变到 6m 3·h －1无渣比从30％增加到37％．说明浸入深度越大吹气量越大排渣的效果越好．数值模拟与水模型符合较好． 关键词 铁水包；扒渣；喷枪；水模拟；数值模拟 分类号 TF535∙2 Simulation of gas blowing slag in a hot metal ladle ZHA O Xin-yuZHA NG Jiong-mingW U Su-z hou School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT A new type of spray gun was placed at the wall of a hot metal ladle （relative to the outlet of slag removal）．Before slag removalhigh pressure N2 was injected and floatedand slag on the ladle surface was pushed aside to the ladle outlet．T he operation is positive to removing slag from the ladlethe efficiency improvesand the loss of hot metal and the time of slag removal decrease．A model in a proportion of 1∶3∙5was made to simulate the hot metal ladle．Air was injected to blow slag．T he simulation was operated with various parameters．At the same timenumerical simulation was made to testify the result．It is shown that when the submerged depth varies from 200mm to400mmthe ratio of lack-slag area to sum area rises from 10％ to30％．When the flux of gas changes from 4m 3·h －1to6m 3·h －1the ratio of lack-slag area to sum area increases from 30％ to37％．T he increases of submerged depth and gas-blowing flux are positive to the quantity of slag removal．T he result of water modelling is well accorded with the numerical simulation． KEY WORDS hot metal ladle；slag removal；spray gun；water modelling；numerical model 收稿日期：2009-03-04 基金项目：国家自然科学基金及宝钢联合资助项目（No．50774109） 作者简介：赵新宇（1980－）男博士研究生；张炯明（1964－）男教授博士生导师E-mail：jmz203＠sina．com 铁水包主要功能是脱硫、扒渣［1］．铁水脱硫后 铁水表面有一层含硫渣为了防止回硫应把这层含 硫渣去除［2］．实验采用一种用喷枪向铁水包内部喷 吹气体的方法搅动铁水包上部的含硫渣形成一定 面积的无渣区使渣尽量聚集继而再用扒渣机将其 扒掉这样可以很大程度上提高渣的去除率和工作 效率降低铁损． 1 研究方法与内容 1∙1 水模研究方法 按模型与实际之比为1∶3∙5的比例制作水模 型模拟铁水包．用水模拟铁水在水表面使用油和 聚苯乙烯粒子的混合物模拟含硫渣．制作喷枪用 气体压缩机向喷枪内供气从而搅拌水表面的含硫 渣以达到使渣聚集的效果． 水模拟实验装置如图1喷枪形状如图中放大 部分所示． 通过准数相等得出实际和模型之间的比例关 系从而得到模拟中的各项工况在实际中的对应数 据．通过水模拟研究流场的状况得出更优工艺． 影响流体流动的主要因素有流体速度、设备尺 寸和重力加速度．因此研究流体流动最重要的准 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．005
,1526. 北京科技大学学报 第31卷 出口 面 气体压缩机 壁面 喷枪 峡面 图2流场模拟区域XOY截面图 图1水模实验装置图 Fig.2 Simulation district of flow in the XOY section Fig.I Scheme of water model experiment apparatus 数是弗劳德准数(Fr)·它特别适于研究上下垂直流 动量守恒方程： 动的流体 u=-p+日[4 由于实验条件和实际条件的差别，应使用修正 axi 的Fr准数3]，从而换算成工业上的用气量 (4) 修正的Fr准数： 式中，m为密度，kgm3;、西分别为i、j方向速 0u2 度，ms;p为压强，Pa;H。为黏度，Pas;g:为重力 Fre(P-Pg)gL -constant (1) 加速度，ms一2. 则有： 两相流方程： Qactual -23.9 Omodel (2) J(ro.Ua)+V[ra(P.U.U.)]= 式中，P,为气体的密度，kgm一3：A为液体的密度， ra pa+.[rala(Ua+(Ua)T]+ kgm3;v为流体的速度，ms；Qa为实际中的 气体流量，m3s1;Qmda为模型中的气体流量，m3. (FaU-kv.)+swe+M. (5) s1;L为模型尺寸，m 式中，ra为a相的质量分数；P。为a相的密度，kg· 在水模拟实验中，涉及三相流体，包括模拟铁水 m3;Ua为a相的速度，ms1;SMa是引起动量变 的水，模拟渣的聚苯乙烯粒子和模拟氮气的空气，为 化的外力源；M。是由于其他相存在而引起的相间 多相流耦合流动，在实验过程中，涉及的主要流场 是气固两相流，吹气搅拌铁水上的含硫渣，形成气粒 力；U一Ua表示由界面间质量传递引起的动 两相湍流.在两相流中，清华大学周力行等做 量传输 了大量的工作，并提出k一ePDF两相湍流模型阿， 由于实际情况中气体对铁水的搅动过程是十分 实验证明这种模型能很好地和实验结果相对应，北 复杂的，因此需要对铁水包内的流动作一定的简化， 京科技大学刘应书等8)使用多流体模型描述气体 并列出以下假设： 和颗粒两相的运动，建立了直吹管内气一固两相流 (1)不计气体和液体的压缩性； 动及传热的数学模型.王玉会等通过模拟计算表 (2)流体的流动是由纯液相的初始速度和气液 明采用欧拉拉格朗日模型会使计算量增大，容易 两相的密度差来驱动； 导致计算结果的发散，且得到的解不真实或解的精 (③)忽略气体的黏度； 度较差.流场模拟区域的XOY截面如图2所示. 1.3数值模拟过程单值性条件的设置 1.2数模研究方法 (1)固体壁面上.本文采用壁面函数法，湍流 数值模拟方法是使用大型商业软件CFX对整 流动核心采用高低雷诺数均适用的k一ω模型，而在 个铁水包吹气排渣过程进行模拟研究，计算流场应 黏性支层内不布置任何节点，把第1个与壁面相邻的 满足下列方程[10] 内节点布置在旺盛的紊流区内，也就是说与壁面相邻 质量守恒方程： 第1个控制容积取得较大，k、ω由经验公式来确定 a(emui)=0 本文视铁水为黏性流体，与壁面为无滑移边界条件， axj (3) 气体视为非黏性流体，与壁面为自由滑移边界条件
图1 水模实验装置图 Fig．1 Scheme of water model experiment apparatus 数是弗劳德准数（ Fr）．它特别适于研究上下垂直流 动的流体． 由于实验条件和实际条件的差别应使用修正 的 Fr 准数［3］从而换算成工业上的用气量． 修正的 Fr 准数： Frc＝ ρg v 2 （ρ1－ρg） gL ＝constant （1） 则有： Qactual Qmodel ＝23∙9 （2） 式中ρg 为气体的密度kg·m －3 ；ρ1 为液体的密度 kg·m －3 ；v 为流体的速度m·s －1 ；Qactual为实际中的 气体流量m 3·s －1 ；Qmodel为模型中的气体流量m 3· s －1 ；L 为模型尺寸m． 在水模拟实验中涉及三相流体包括模拟铁水 的水模拟渣的聚苯乙烯粒子和模拟氮气的空气为 多相流耦合流动．在实验过程中涉及的主要流场 是气固两相流吹气搅拌铁水上的含硫渣形成气粒 两相湍流．在两相流中清华大学周力行等［4－7］ 做 了大量的工作并提出 k－ε－PDF 两相湍流模型［5］ 实验证明这种模型能很好地和实验结果相对应．北 京科技大学刘应书等［8］ 使用多流体模型描述气体 和颗粒两相的运动建立了直吹管内气－固两相流 动及传热的数学模型．王玉会等［9］通过模拟计算表 明采用欧拉－拉格朗日模型会使计算量增大容易 导致计算结果的发散且得到的解不真实或解的精 度较差．流场模拟区域的 XOY 截面如图2所示． 1∙2 数模研究方法 数值模拟方法是使用大型商业软件 CFX 对整 个铁水包吹气排渣过程进行模拟研究．计算流场应 满足下列方程［10］． 质量守恒方程： ∂（ρm uj） ∂xj ＝0 （3） 图2 流场模拟区域 XOY 截面图 Fig．2 Simulation district of flow in the XOY section 动量守恒方程： ∂（ρm uiuj） ∂xj ＝－ ∂p ∂xi ＋ ∂ ∂xj μe ∂ui ∂xj ＋ ∂uj ∂xi ＋ρm gi （4） 式中ρm 为密度kg·m －3 ；ui、uj 分别为 i、j 方向速 度m·s －1 ；p 为压强Pa；μe 为黏度Pa·s；gi 为重力 加速度m·s －2． 两相流方程： ∂ ∂t （ rαραUα）＋ᐁ·［ rα（ραUα⨂Uα）］＝ － rαᐁ pα＋ᐁ·［ rαμα（ᐁUα＋（ᐁUα） T ］＋ ∑ Np β＝1 （Γ＋ αβUβ－Γ＋ βαUα）＋SMα＋ Mα （5） 式中rα 为α相的质量分数；ρα 为α相的密度kg· m －3 ；Uα为α相的速度m·s －1 ；SMα是引起动量变 化的外力源；Mα 是由于其他相存在而引起的相间 力；Γ＋ αβUβ－Γ＋ βαUα表示由界面间质量传递引起的动 量传输． 由于实际情况中气体对铁水的搅动过程是十分 复杂的因此需要对铁水包内的流动作一定的简化 并列出以下假设： （1） 不计气体和液体的压缩性； （2） 流体的流动是由纯液相的初始速度和气液 两相的密度差来驱动； （3） 忽略气体的黏度； 1∙3 数值模拟过程单值性条件的设置 （1） 固体壁面上．本文采用壁面函数法湍流 流动核心采用高低雷诺数均适用的 k－ω模型而在 黏性支层内不布置任何节点把第1个与壁面相邻的 内节点布置在旺盛的紊流区内也就是说与壁面相邻 第1个控制容积取得较大．k、ω由经验公式来确定． 本文视铁水为黏性流体与壁面为无滑移边界条件 气体视为非黏性流体与壁面为自由滑移边界条件． ·1526· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 赵新宇等：铁水包吹气排渣过程的模拟 ,1527. 对于液体在壁面处为无滑移边界条件，即有： 1=1=01=1==0 ayayayay ay (9) 1=0 (6) 对于气体在壁面处为自由滑移边界条件，即有： 对于气体有： 32g=0 4=0= (7) wg二0 ayayay (10) 式中，1为液体速度，g为气体速度 式中，u1、v1和D1为液相的x、y和z方向速度， (2)入口，根据质量守恒，入口进入铁水的气 ms1;山g、心g和wg为气相的x、y和z方向速度， 体量和从上出口处流出的气体量相等，由工况分别 ms:k1为液体湍动能系数，m2s2:为湍动能 给定入口气体流量 耗散系数，m2s一3 (③)出口.在出口截面上，只有气体的溢出 (4)物性参数设定，计算区域几何参数与物性 对于液体有： 参数分别如表1、表2所示. v1=0 (8) 表1计算区域几何参数 Table 1 Dimensional parameter in the simulation region 几何参数 铁水包有效容积/m3 铁水质量： 铁水包底面直径/mm枪入口直径/mm 枪出口直径/mm 数值 47.4 315 2400 220 80 表2计算区域物性参数 Table 2 Physical parameters in the simulation region 密度，P 分子黏性系数/ 重力加速度/ 气体密度/ 气体流量/ 物性参数 (kg'm-3) (kg'm1.s1) (kg'm-3) 浸入深度/mm (ms2) (m3.h-) 数值 7080 0.0062 9.81 1.185 700,1050,1400 95.6,119.5,143.4 2实验结果及分析 图.从图上可以看出，无论是水模拟，还是数值模 拟，气体浮出表面后形成的形状大致相同，即为扇形 2.1表面排渣情况 分布，且均在喷枪附近，这是由于铁水包与地面法 水模拟和数值模拟的结果表明，通过喷枪向包内 线方向有30°的夹角，设计喷枪与包壁平行，喷枪内 喷吹气体，气体在浮力作用下上升，在铁水包表面形成 部气体上浮后，与包后壁相撞，形成向前的推力，在 气体分布区，在气体分布区内，表层渣被气体排开，在 推力的作用下，气体在表面形成用来排开含硫渣的 铁水表面形成无渣区，然后配合扒渣机进行下一步工 扇形区，形成无渣区，水模拟设定无渣区域面积占 作，可以减少扒渣机来▣次数，提高效率，降低铁水损失， 铁水包表面总面积的百分比为无渣比，使用无渣比 图3是水模拟与数值模拟得出的表面气体排渣 来评价不同工况的优劣 (a) 气体体积分数 5.000x10 4.444x10* 3889hx10 3333×10 2778x10 2222×101 1.667x10 1.111×10 04m 5.556x10+ 图3表面气体排渣图，(a)水模拟；(b)数值模拟 Fig.3 Diagram of slag blowing on the surface:(a)water modelling:(b)numerical simulation 数值模拟使用气体体积分数超过0.5%的部分 好，如图3（凸）为出口处气体分布的整体图，图中红 来区分不同工况下的气体分布，气体超过0.5%的 色区域即为气体体积分数超过0.5%的区域，红色 部分面积越大，说明气体排开面积越大，排渣效果越 区域面积越大，说明气体排开渣的面积越大，排渣效
对于液体在壁面处为无滑移边界条件即有： v1＝0 （6） 对于气体在壁面处为自由滑移边界条件即有： ∂v g ∂n ＝0 （7） 式中v1 为液体速度v g 为气体速度． （2） 入口．根据质量守恒入口进入铁水的气 体量和从上出口处流出的气体量相等由工况分别 给定入口气体流量． （3） 出口．在出口截面上只有气体的溢出． 对于液体有： v1＝0 （8） ∂u1 ∂y ＝ ∂v1 ∂y ＝ ∂w1 ∂y ＝ ∂k1 ∂y ＝ ∂ω1 ∂y ＝0 （9） 对于气体有： ∂ug ∂y ＝ ∂v g ∂y ＝ ∂wg ∂y ＝0 （10） 式中u1、v1 和 w1 为液相的 x、y 和 z 方向速度 m·s －1 ；ug、v g 和 wg 为气相的 x、y 和 z 方向速度 m·s －1 ；k1 为液体湍动能系数m 2·s －2 ；ω1 为湍动能 耗散系数m 2·s －3． （4） 物性参数设定．计算区域几何参数与物性 参数分别如表1、表2所示． 表1 计算区域几何参数 Table1 Dimensional parameter in the simulation region 几何参数 铁水包有效容积／m 3 铁水质量／t 铁水包底面直径／mm 枪入口直径／mm 枪出口直径／mm 数值 47∙4 315 2400 220 80 表2 计算区域物性参数 Table2 Physical parameters in the simulation region 物性参数 密度ρ／ （kg·m －3） 分子黏性系数／ （kg·m －1·s －1） 重力加速度／ （m·s －2） 气体密度／ （kg·m －3） 浸入深度／mm 气体流量／ （m 3·h －1） 数值 7080 0∙0062 9∙81 1∙185 70010501400 95∙6119∙5143∙4 2 实验结果及分析 2∙1 表面排渣情况 水模拟和数值模拟的结果表明通过喷枪向包内 喷吹气体气体在浮力作用下上升在铁水包表面形成 气体分布区在气体分布区内表层渣被气体排开在 铁水表面形成无渣区然后配合扒渣机进行下一步工 作可以减少扒渣机来回次数提高效率降低铁水损失． 图3是水模拟与数值模拟得出的表面气体排渣 图．从图上可以看出无论是水模拟还是数值模 拟气体浮出表面后形成的形状大致相同即为扇形 分布且均在喷枪附近．这是由于铁水包与地面法 线方向有30°的夹角设计喷枪与包壁平行喷枪内 部气体上浮后与包后壁相撞形成向前的推力在 推力的作用下气体在表面形成用来排开含硫渣的 扇形区形成无渣区．水模拟设定无渣区域面积占 铁水包表面总面积的百分比为无渣比使用无渣比 来评价不同工况的优劣． 图3 表面气体排渣图．（a） 水模拟；（b） 数值模拟 Fig．3 Diagram of slag blowing on the surface：（a） water modelling；（b） numerical simulation 数值模拟使用气体体积分数超过0∙5％的部分 来区分不同工况下的气体分布气体超过0∙5％的 部分面积越大说明气体排开面积越大排渣效果越 好．如图3（b）为出口处气体分布的整体图图中红 色区域即为气体体积分数超过0∙5％的区域红色 区域面积越大说明气体排开渣的面积越大排渣效 第12期 赵新宇等： 铁水包吹气排渣过程的模拟 ·1527·
,1528 北京科技大学学报 第31卷 果越好，从图中可以看到气体基本上分布在枪浸入 相对应的浸入深度下，气体在铁水表面的分布形状 的附近，为能直观地分析气体的分布区别，在下面的 大致相同，即在浸入深度为水模拟200mm,数值模 图中均取在枪附近的局部图 拟700mm的情况下，气体排开面积的形状类似于 2.2浸入深度对吹渣效果的影响 心形，在喷枪附近出现窝向喷枪的含渣区，这部分残 水模拟将气体流量固定为4m3h-1,依次将枪 留渣不利于下一步扒渣机的工作.在浸入深度为水 的浸入深度变化为200mm、300mm和400mm,实 模拟400mm,数值模拟1400mm的情况下，气体排 验记录了吹出渣面的形状及吹开面积.根据相似 开面积类似于扇形，且排开面积相比小浸入深度的 比，对应的实际情况为气体流量95.6m3h1,浸入 情况下更大.图6为水模拟不同浸入深度下的无渣 深度分别为700mm、1050mm和1400mm,数值模 比.从图上可以看出：当浸入深度为200mm时，无 拟则采用实际浸入深度模拟气体在铁水包表面的分 渣比为10%左右：随着浸入深度的增加，无渣比显 布云图 著增加，当浸入深度为400mm时，无渣比已经接近 图4、图5分别为不同浸入深度下水模拟的排 30%.说明较深的浸入深度，有利于无渣区形成更 渣图和数值模拟的气体分布图，从图中可以看出， 好的形状和更大无渣面积， 图4水模拟不同浸入深度的气体排渣图.(a)200mm:(b)300mm;(c)400mm Fig.4 Diagram of slag blowing in different immersing depths in water modelling:(a)200mm:(b)300mm:(c)400mm ((信体积分数 气体体积分数 5.000x10 ■S(M0x10 “气体体积分数 (c) 4444x10 4444×10 50×I0 444410 32xI》 h【0 39x10 3333×10 3333x10 3333x10 2778.10 2778x10 2778x10 2222×10 2222×10 2222x10 1667x10 1《,70 1667x10 1.111x10 1.111×10 1111×10 5556x10 5556x10 5.35610 04m 图5数值模拟不同浸入深度下的气体分布云图.(a)700mm:(b)1050mm:(c)1400mm Fig.5 Distribution of gas in different immersing depths in numerical simulation:(a)700mm:(b)1050mm:(c)1400mm 了吹出渣面的形状及吹开面积 数值模拟实际情况，根据相似比，得到对应水模 20 拟4m3h-1、5m3h和6m3h-的气体流量，在实 际中的气体流量分别为95.6m3h-1、119.5m3h-1 和143.4m3h-1,浸入深度为1400mm. 200 300 400 图7、图8分别为不同气体流量下水模拟的排 浸人深度mm 渣图和数值模拟的气体分布图.从图中可以看出， 图6水模拟不同浸入深度的无渣比 随着气体流量的增加，气体排开渣的面积增加，相 Fig.6 Ratio of lack slag area to sum area in different immersing 对应数模和水模结果，气体分布形状相似，图9为 depths in water modelling 水模拟不同气体流量下的无渣比，从图中可以看 2.3气体流量对吹渣效果的影响 出，随着气体流量的增加，无渣比从气体流量 水模拟将浸入深度固定为600mm,依次变化气 4m3h-1时的30%左右，变到了6m3h1时的37% 体流量为4m3h-1,5m3h-和6m3h-1,实验记录 左右，气体流量越大，无渣区域越大，在实际生产
果越好．从图中可以看到气体基本上分布在枪浸入 的附近为能直观地分析气体的分布区别在下面的 图中均取在枪附近的局部图． 2∙2 浸入深度对吹渣效果的影响 水模拟将气体流量固定为4m 3·h －1依次将枪 的浸入深度变化为200mm、300mm 和400mm．实 验记录了吹出渣面的形状及吹开面积．根据相似 比对应的实际情况为气体流量95∙6m 3·h －1浸入 深度分别为700mm、1050mm 和1400mm数值模 拟则采用实际浸入深度模拟气体在铁水包表面的分 布云图． 图4、图5分别为不同浸入深度下水模拟的排 渣图和数值模拟的气体分布图．从图中可以看出 相对应的浸入深度下气体在铁水表面的分布形状 大致相同即在浸入深度为水模拟200mm数值模 拟700mm 的情况下气体排开面积的形状类似于 心形在喷枪附近出现窝向喷枪的含渣区这部分残 留渣不利于下一步扒渣机的工作．在浸入深度为水 模拟400mm数值模拟1400mm 的情况下气体排 开面积类似于扇形且排开面积相比小浸入深度的 情况下更大．图6为水模拟不同浸入深度下的无渣 比．从图上可以看出：当浸入深度为200mm 时无 渣比为10％左右；随着浸入深度的增加无渣比显 著增加当浸入深度为400mm 时无渣比已经接近 30％．说明较深的浸入深度有利于无渣区形成更 好的形状和更大无渣面积． 图4 水模拟不同浸入深度的气体排渣图．（a）200mm；（b）300mm；（c）400mm Fig．4 Diagram of slag blowing in different immersing depths in water modelling：（a）200mm；（b）300mm；（c）400mm 图5 数值模拟不同浸入深度下的气体分布云图．（a）700mm；（b）1050mm；（c）1400mm Fig．5 Distribution of gas in different immersing depths in numerical simulation：（a）700mm；（b）1050mm；（c）1400mm 图6 水模拟不同浸入深度的无渣比 Fig．6 Ratio of lack-slag area to sum area in different immersing depths in water modelling 2∙3 气体流量对吹渣效果的影响 水模拟将浸入深度固定为600mm依次变化气 体流量为4m 3·h －1、5m 3·h －1和6m 3·h －1实验记录 了吹出渣面的形状及吹开面积． 数值模拟实际情况根据相似比得到对应水模 拟4m 3·h －1、5m 3·h －1和6m 3·h －1的气体流量在实 际中的气体流量分别为95∙6m 3·h －1、119∙5m 3·h －1 和143∙4m 3·h －1浸入深度为1400mm． 图7、图8分别为不同气体流量下水模拟的排 渣图和数值模拟的气体分布图．从图中可以看出 随着气体流量的增加气体排开渣的面积增加．相 对应数模和水模结果气体分布形状相似．图9为 水模拟不同气体流量下的无渣比．从图中可以看 出随 着 气 体 流 量 的 增 加无 渣 比 从 气 体 流 量 4m 3·h －1时的30％左右变到了6m 3·h －1时的37％ 左右气体流量越大无渣区域越大．在实际生产 ·1528· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 赵新宇等：铁水包吹气排渣过程的模拟 .1529. 中，应在可能的情况下增加气体的流量，从而使得铁 水表面形成更大的无渣区， (b) 图7水模拟不同气体流量下的气体分布云图.(a)4m3h-l;(b)5m3h1:(c)6m3h-1 Fig.7 Diagram of slag blowing in different gas fluxes in water modelling:(a)4m (b)5mh;(c)6m3h 气体体积分数 气体体积分数 气体体积分数 5.000x10 (a) 5.000x103 (bl 5.000x103 (e) 4.444×102 4.444×101 4.444×103 389x10 3.w9x10 3.8w9x101 31 3.333x10 3333×10 2.778×10 2778×10 2778x10 2.222×101 2.222×10 2222×101 1.667x10 1667x10- 1667x10-3 1.111×103 1.111x1o L.1LI×103 5.556x104 5.556x104 5.556x104 04m 04m 0.4m 图8数值模拟不同气体流量下的气体分布云图.(a)95.6m3h-1;(b)119.5m3h-1;(c)143.4m3.h-1 Fig.8 Distribution of gas in different gas fluxes in numerical simulation:(a)95.6mh (b)119.5mh (c)143.4mh 40 参考文献 30 [1]Zhang L Q.Tian N Y,Xu A J.et al.Research on realization of 25 ladle multifunction.J Univ Sci Technol Beijing.2007.29(4): 20 424 15 (张龙强，田乃媛，徐安军，等.实现铁水包多功能技术的研 气体流量m,h) 究.北京科技大学学报，2007,29(4)：424) [2]Ma C K.Overview of hot metal desulphurization and slag skim- 图9水模拟不同气体流量下的无渣比 ming in Anshan Iron and Steel Group Corporation.China Met- Fig.9 Ratio of lack-slag area to sum area in different gas fluxes in all,2004,8:10 water simulation (马传凯.鞍钢铁水脱硫扒渣发展综述.中国冶金，2004,8： 10) 3结论 [3]WangS L.Research on Method of Simulation Experiment in Ferrous Metallurgy.Shenyang:Northeastern University of (1)通过设计的新型喷枪在铁水包内部喷吹气 Technology Press.1991:112 体的方法，可以在铁水表面形成一定的无渣区域，无 (王舒黎，钢铁冶金模拟实验研究方法，沈阳：东北工学院出 渣区域越大，则越有利于下一步的扒渣操作 版社，1991：112) (2)当浸入深度较小时，气体排开的面积为心 [4]Zhou L X.Experimental studies on swirling and recirculating two- phase flow field in a cold model of dualinlet sudden expansion 型，会有明显的内向凹陷，这会增加扒渣次数，甚至 combustor.Chin J Aeronaut.2000,13:193 会使渣扒与枪相碰.因此应该在可能的情况下增加 [5]Li Y,Zhou L X.A PDF two-phase turbulence model for sim 枪的浸入深度.浸入深度从200mm变到400mm, ulating gas particle flows behind a backward-facing step.Eng 无渣比从10%增加到30%. Thermophys.1996(5):12 (3)随着气体流量的增加，形成的无渣区面积 (李勇，周力行.k一EPDF两相湍流模型和台阶后方气粒两 相流动的模拟.工程热物理学报，1996(5)：12) 越大，排渣效果越好.气体流量从4m3.h1变到 [6]Zhou L X.Li Y.A new statistical theory and a kPDF model 6m3h-1,无渣比从30%增加到37%. for simulating turbulent gas particle flowsInternational Sym (4)水模实验为现场采用喷吹方法聚渣提供了 posia on Mathematical Modeling of Turbo Flows.Tokyo.1995 理论指导，水模拟与数值模拟有很好的吻合性， 399
中应在可能的情况下增加气体的流量从而使得铁 水表面形成更大的无渣区． 图7 水模拟不同气体流量下的气体分布云图．（a）4m 3·h －1；（b）5m 3·h －1；（c）6m 3·h －1 Fig．7 Diagram of slag blowing in different gas fluxes in water modelling：（a）4m 3·h －1；（b）5m 3·h －1；（c）6m 3·h －1 图8 数值模拟不同气体流量下的气体分布云图．（a）95∙6m 3·h －1；（b）119∙5m 3·h －1；（c）143∙4m 3·h －1 Fig．8 Distribution of gas in different gas fluxes in numerical simulation：（a）95∙6m 3·h －1；（b）119∙5m 3·h －1；（c）143∙4m 3·h －1 图9 水模拟不同气体流量下的无渣比 Fig．9 Ratio of lack-slag area to sum area in different gas fluxes in water simulation 3 结论 （1） 通过设计的新型喷枪在铁水包内部喷吹气 体的方法可以在铁水表面形成一定的无渣区域无 渣区域越大则越有利于下一步的扒渣操作． （2） 当浸入深度较小时气体排开的面积为心 型会有明显的内向凹陷这会增加扒渣次数甚至 会使渣扒与枪相碰．因此应该在可能的情况下增加 枪的浸入深度．浸入深度从200mm 变到400mm 无渣比从10％增加到30％． （3） 随着气体流量的增加形成的无渣区面积 越大排渣效果越好．气体流量从4m 3·h －1变到 6m 3·h －1无渣比从30％增加到37％． （4） 水模实验为现场采用喷吹方法聚渣提供了 理论指导．水模拟与数值模拟有很好的吻合性． 参 考 文 献 ［1］ Zhang L QTian N YXu A Jet al．Research on realization of ladle multifunction．J Univ Sci Technol Beijing200729（4）： 424 （张龙强田乃媛徐安军等．实现铁水包多功能技术的研 究．北京科技大学学报200729（4）：424） ［2］ Ma C K．Overview of hot metal desulphurization and slag skimming in Anshan Iron and Steel Group Corporation．China Metall20048：10 （马传凯．鞍钢铁水脱硫扒渣发展综述．中国冶金20048： 10） ［3］ Wang S L．Research on Method of Simulation Experiment in Ferrous Metallurgy． Shenyang： Northeastern University of Technology Press1991：112 （王舒黎．钢铁冶金模拟实验研究方法．沈阳：东北工学院出 版社1991：112） ［4］ Zhou L X．Experimental studies on swirling and recirculating twophase flow field in a cold model of dua-l inlet sudden-expansion combustor．Chin J Aeronaut200013：193 ［5］ Li YZhou L X．A k-ε-PDF two-phase turbulence model for simulating gas-particle flows behind a backward-facing step．J Eng Thermophys1996（5）：12 （李勇周力行．k－ε－PDF 两相湍流模型和台阶后方气粒两 相流动的模拟．工程热物理学报1996（5）：12） ［6］ Zhou L XLi Y．A new statistical theory and a k-ε-PDF model for simulating turbulent gas-particle flows∥ International Symposia on Mathematical Modeling of T urbo Flows．Tokyo1995： 399 第12期 赵新宇等： 铁水包吹气排渣过程的模拟 ·1529·
,1530 北京科技大学学报 第31卷 [7]Gu H X,Zhou L X.A non-linear two phase turbulence [9]Wang Y H,Qu X H.He X B.Numerical simulation models of model.JAerasp Power,2001,16(3):267 powder injection molding multiphase filling flow process.I Univ (谷红霞，周力行.两相湍流的非线性k一一k。模型.航空动 Sei Technol Beijing.2007.29(7):717 力学报，2001,16(3)：267) (王玉会，曲选辉，何新波.粉末注射成形多相流动过程数值模 [8]Liu Y S.Yang T J.Cang D Q.et al.Numerical modeling of gas- 拟模型.北京科技大学学报，2007,29(7)：717) solid flow and heat transfer in blow pipe of BF oxycoal injection. [10]Gan Y,Qiu S T:Xiao Z Q.et al.Mathematical and Physical J Univ Sci Technol Beijing.1998.20(3):224 Simulation on Continuous Casting.Beijing:Metallurgical In- (刘应书，杨天钧，苍大强，等。局部富氧喷煤直吹管内气固两 dustry Press,2001 相流动及传热数值模拟.北京科技大学学报，1998,20(3)： (干勇，仇圣桃，萧泽强，等.连续铸钢过程数学物理模拟 224) 北京：冶金工业出版社，2001) (上接第1515页) zontal fractures.Acta Pet Sin.2004.25(1):74 [10]Shi C E.Li J.Lei Q H.Research and practice on well pattern (张士诚，温庆志，王风，等.水平缝四点井网整体压裂裂缝参 type of ultralow permeability oil field.Pet Explor Dev,2002. 数优化设计.石油学报，2004,25(1)：74) 29(5):59 [13]Li Y.Design of vector well pattern and optimization of integral (史成恩，李健，雷启鸿·特低渗透油田井网形式研究及实践 fracturing in low permeability reservoir.J Univ Pet China, 石油物探与开发，2002,29(5).59) 2005,29(6):53 [11]Yang S Y,Song X M.Numerical simulation for the well pattern (李阳·低渗透油藏矢量井网设计与整体压裂优化研究·石油 of low permeability oil reservoirs.Pet Explor Dev,2001.28 大学学报，2005,29(6)：53) (5):64 [14]Dake L P.Fundamentals of Reservoir Engineering.Liu X E. (杨思玉，宋新民·特低渗透油藏井网型式数值模拟研究·石 Hu J B.Translated.Beijing:Petroleum Industry Press,1984; 油勘探与开发，2001,28(6)：64) 168 [12]Zhang S C.Wen QZ,Wang F,et al.Optimization design of in- (达克LP.油藏工程原理刘翔鄂，胡靖邦，译.北京：石油工 tegral fracturing parameters for four-spot well pattern with hori- 业出版社，1984：168)
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