48 工程科学学报.第42卷，增刊1 KEY WORDS EAF steelmaking;submerged gas-solid injection;impact characteristics;numerical simulation;water model experi- ment 电弧炉炼钢以废钢为基本原料，熔清后磷含 金各相体积分数之和满足： 量波动大，且受炉型结构限制，反应动力学条件 agas +a'slag +metal =1 (2) 差，深脱磷困难斗：全废钢冶炼熔清碳含量低， 单元体内的流体密度一般采用体积加权平均 熔池内C-O反应缺乏，气泡产生数量少；且吹 法计算.对于气-渣-金三相流动，单元体内流体密 氧强化搅拌造成渣中FeO含量高、钢液易过氧 度p通过式(3)计算 化1因此，电弧炉埋入式气-固喷吹冶炼新工艺 p=agasPgas+aslagPslag+metalpmetal (3) 得以开发，通过向熔池内部直接喷射石灰粉或碳 粉，加快冶炼节奏，提升钢液品质？-0在电弧炉埋 连续性方程： 入式气-固喷吹冶炼技术中，气体或气-粉通常以 10 Pap）+7.(ap) Sa+ mi-mii (4) 高速射流的形式射入熔池内部，不仅能够高效供 给冶金反应介质，也可以大幅度强化熔池搅拌，然 式中，P,和a,分别是第i相的密度和体积分数； 而，由于电弧炉特殊的炉型结构，喷枪的埋人深 y是i方向的速度分量；m,是i相流向j相的质量： 度、安装角度、喷吹参数等对电弧炉熔池流动、喷 m:是j相流向i相的质量；1是时间；Sa是自定义 吹元件寿命等会产生重要影响.因此，须研究 源项 电弧炉熔池内气体或气-固喷吹的流体流动和变 动量守恒方程： 化内在规律，为该冶炼工艺的工业化应用提供指 导依据 e+p)-p+4+p8+i 本文结合数值模拟和水力学模拟等手段，研 (5) 究了金属熔池内埋人式气体喷吹和气-固喷吹的 式中，p是气体密度；v是流体的瞬时速度：p是静 冲击特征规律，分析了不同气体流量、喷粉速率条 压；μ是黏度；F是微元体受其他外力的合力 件下的埋入式气体射流穿透行为特征 能量守恒方程： a(pE) 数值模拟 +V.(ue(pE+p))=V.(ker VT)+Sh (6) 本研究采用VOF(The volume of fluid)模型s-1m 式中，4是有效黏性应力，km是有效导热系数， 和DPM(Discrete Phase Model)模型u&1y模拟金属 E是能量，T是温度，S是自定义源项 熔池内埋入式气体喷吹和气-固喷吹的气-渣-金 本研究采用标准k-e方程20四进行计算.湍 三相流动情况，获取较为精确的冲击区形貌.模型 动能k和湍动能耗散率ε分别由式(7)和式(8)进 建立过程中提出以下主要假设： 行计算 (1)不考虑吹入气体介质与金属熔池内的化 a(pk)(pkvi) 0 +Gk+Gb-ps-YM+Sk 学反应； (7) (2)喷枪和壁面均假设为光滑壁面，流体与壁 a(ps),a(pevi）_ 面间摩擦力忽略不计； (3)钢液温度假设是恒定的，始终为1873K. 1.1控制方程 Cie元(G+C3eGm)-C2aP元+Se (8) 本数值模拟采用VOF模型和DPM模型.相 关控制方程如下： =pCw (9) 在计算域内的任意一个单元体内，各相分别 式中，G是由层流速度梯度产生的湍流动能； 有各自的体积分数a,各相体积分数总和为1. G,是由浮力产生的湍流动能；YM是可压缩湍流中 = (1) 过度扩散产生的波动；Sk是自定义源项；C1gC2e, C3e,k,0和C1分别取值为144,1.92,0.8,1.0,0.9 对于气-渣-金三相流动，其单元体内气、渣、 和0.009.KEY WORDS    EAF steelmaking；submerged gas –solid injection；impact characteristics；numerical simulation；water model experi￾ment 电弧炉炼钢以废钢为基本原料，熔清后磷含 量波动大，且受炉型结构限制，反应动力学条件 差，深脱磷困难[1‒ 2] ；全废钢冶炼熔清碳含量低， 熔池内 C – O 反应缺乏 ，气泡产生数量少 ；且吹 氧强化搅拌造成渣中 FeO 含量高、钢液易过氧 化[3–6] . 因此，电弧炉埋入式气–固喷吹冶炼新工艺 得以开发，通过向熔池内部直接喷射石灰粉或碳 粉，加快冶炼节奏，提升钢液品质[7–10] . 在电弧炉埋 入式气–固喷吹冶炼技术中，气体或气–粉通常以 高速射流的形式射入熔池内部，不仅能够高效供 给冶金反应介质，也可以大幅度强化熔池搅拌. 然 而，由于电弧炉特殊的炉型结构，喷枪的埋入深 度、安装角度、喷吹参数等对电弧炉熔池流动、喷 吹元件寿命等会产生重要影响[11–14] . 因此，须研究 电弧炉熔池内气体或气–固喷吹的流体流动和变 化内在规律，为该冶炼工艺的工业化应用提供指 导依据. 本文结合数值模拟和水力学模拟等手段，研 究了金属熔池内埋入式气体喷吹和气–固喷吹的 冲击特征规律，分析了不同气体流量、喷粉速率条 件下的埋入式气体射流穿透行为特征. 1    数值模拟 本研究采用 VOF（The volume of fluid）模型[15–17] 和 DPM（Discrete Phase Model）模型[18‒ 19] 模拟金属 熔池内埋入式气体喷吹和气–固喷吹的气–渣–金 三相流动情况，获取较为精确的冲击区形貌. 模型 建立过程中提出以下主要假设： （1）不考虑吹入气体介质与金属熔池内的化 学反应； （2）喷枪和壁面均假设为光滑壁面，流体与壁 面间摩擦力忽略不计； （3）钢液温度假设是恒定的，始终为 1873 K. 1.1    控制方程 本数值模拟采用 VOF 模型和 DPM 模型. 相 关控制方程如下： 在计算域内的任意一个单元体内，各相分别 有各自的体积分数 α，各相体积分数总和为 1. ∑n i=1 αi = 1 （1） 对于气–渣–金三相流动，其单元体内气、渣、 金各相体积分数之和满足： αgas +αslag +αmetal = 1 （2） 单元体内的流体密度一般采用体积加权平均 法计算. 对于气–渣–金三相流动，单元体内流体密 度 ρ 通过式（3）计算. ρ = αgasρgas +αslagρslag +αmetalρmetal （3） 连续性方程： 1 ρi [ ∂ ∂t (αiρi)+∇ ·(αiρivi) ] = S αi + ∑n i=1 ( mji −mi j) （4） S αi 式中 ， ρi 和 αi 分别是第 i 相的密度和体积分数 ； vi 是 i 方向的速度分量；mij 是 i 相流向 j 相的质量； mji 是 j 相流向 i 相的质量；t 是时间； 是自定义 源项. 动量守恒方程： ∂ ∂t ( ρ ⇀ v ) +∇ ·( ρ ⇀ v ⇀ v ) =−∇p+∇ ·[ µ ( ∇ ⇀ v +∇ ⇀ v T )]+ρ ⇀ g + ⇀ F （5） ⇀ v ⇀ F 式中，ρ 是气体密度； 是流体的瞬时速度；p 是静 压；μ 是黏度； 是微元体受其他外力的合力. 能量守恒方程： ∂(ρE) ∂t +∇ ·(µe(ρE + p)) = ∇ ·(keff∇T)+S h （6） 式中， μe 是有效黏性应力， keff 是有效导热系数， E 是能量，T 是温度，Sh 是自定义源项. 本研究采用标准 k‒ε 方程[20– 22] 进行计算. 湍 动能 k 和湍动能耗散率 ε 分别由式（7）和式（8）进 行计算. ∂(ρk) ∂t + ∂(ρkvi) ∂xi = ∂ ∂xj [(µ+ µt σk ) · ∂k ∂xi ] +Gk+Gb−ρε−YM+S k （7） ∂(ρε) ∂t + ∂(ρεvi) ∂xi = ∂ ∂xj [(µ+ µt σε ) · ∂ε ∂xi ] + C1ε ε k (Gk +C3εGb)−C2ερ ε 2 k +S ε （8） µt = ρCµ ε 2 k （9） 式中 ， Gk 是由层流速度梯度产生的湍流动能 ； Gb 是由浮力产生的湍流动能；YM 是可压缩湍流中 过度扩散产生的波动；Sk 是自定义源项；C1ε，C2ε， C3ε，σk，σε 和 Cμ 分别取值为 1.44，1.92，0.8，1.0，0.9 和 0.009. · 48 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1