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D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.s2.075 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2007 透气砖在炉底位置与钢液吹氩行为的数值模拟 薛文东宋文孙加林洪彦若 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要以精炼钢包为研究对象，在不同的透气砖位置的条件下，采用多相流模型计算了吹氩后钢包内钢液的流场，通过对 流场数值的多元回归，计算了透气砖在钢包底部的最佳位置.结果表明：随着透气砖在钢包底部位置的变化，吹氩对钢液的搅 拌效果也有很大的影响，当透气砖位置在钢包底部距中心位置为0.44R0~0.48R0之间时，底吹氩对钢液搅拌得更均匀· 关键词精炼：吹氩；透气砖；数值模拟 分类号T175 向金属池中吹入气体使金属液产生强烈的循环 气液两相流，气相和液相分别有自己的质量守恒方 流动，改善反应动力学条件，可强化治炼过程，该技 程，能量守恒方程，两相的速度和温度通过相间力和 术在钢铁治金生产中得到了广泛应用.其中，钢包 热传递产生联系 底吹氩应用最广，并在其基础上发展了钢包喷粉及 1.3计算条件 CAS-OB等许多钢包精炼新技术.自70年代起，对 边界条件与初始条件：对流体单元，其自由度包 底吹氩钢包中的气液两相区行为、混合和搅拌作用、 括流量、压力、温度、紊动动能、紊动动能耗散，在求 流动及传质传热进行了很多研究]. 解区域边界上，应指定各自由度值，对钢包流场轴 通过钢包底部的透气砖吹入氩气，能强化钢水 对称有限元模型，应施加的边界条件列于表1，表中 搅拌，均匀钢水的成分和温度，促进夹杂物上浮，但 给出了一个实例的具体边界数值. 是透气砖在钢包底部的位置与吹入氩气对钢液的搅 表1钢包流场的边界条件与初始条件 拌效果有很大的影响，目前，大都采用水模型的方 边界 边界条件与初始条件 式来研究，但研究成本太高且与实际条件相差太远， 透气砖出0=5L/(1(s):P=p°（大气压）十p'(钢液压 所以结果不精确。本文以实际钢包为物理模型，并 气口 力)：VFRC(初始体积分数)=0 利用实验测定的边界条件数值求解底吹氩钢包内的 钢包包壁 V,=0:V,=0:T=1893K 流场，来研究钢包底吹氩流场与透气砖位置的关系， 自由液面 P=p:T=1893K: 从而找寻透气砖在钢包底部的最佳位置， 环境条件 g,=9.81m/g2:p°=1.013X10pa 1数学模型 初始条件主要描述了零时刻流动区域的状态， 1.1模型假设 对钢包流场，主要指VFRC值，一般设全部单元的 在建立多相流模型时，采用了以下假设：(1)钢 初始VFRC为空， 包内钢液为稳态粘性不可压缩流体；(2)钢液液面设 几何参数有钢包底部直径D(半径R)、钢包 置为自由液面；(3)在钢包流场里，钢液的温度为恒 顶部直径D1、钢包的高度H、钢包中钢水液面的高 定的，而吹入氩气降低钢液的温度不是太大，忽略对 度H1、透气砖的直径D2及透气砖在钢包底部的位 流换热带来的影响：(4)氩气泡尺寸均匀一致，氩气 置X0等，钢包的尺寸与钢包的容量有关，本实验主 温度与钢液的温度相同；(5)透气砖入口处氩气分布 要以100t钢包为模拟对象，所以几何参数为实际钢 均匀， 包尺寸，透气砖中心距钢包中心的距离分别为0， 1.2多相流模型 Ro/5,2Bo/5,3Ro/5,4Ro/5,Ro- 在多相流模型中，每一相有自己的一套求解方 钢水和氩气的物性参数列于表2. 程，各相的传输量通过相间传输项发生联系，对于 1.4数值求解 收稿日期：2007-10-15 采用Ansys计算软件，对上述模型进行了计算. 作者简介：薛文东(1968一)男，副教授，博士 提高求解稳定性的主要方法是调整松弛因子和设置透气砖在炉底位置与钢液吹氩行为的数值模拟 薛文东 宋 文 孙加林 洪彦若 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 以精炼钢包为研究对象在不同的透气砖位置的条件下采用多相流模型计算了吹氩后钢包内钢液的流场通过对 流场数值的多元回归计算了透气砖在钢包底部的最佳位置．结果表明：随着透气砖在钢包底部位置的变化吹氩对钢液的搅 拌效果也有很大的影响当透气砖位置在钢包底部距中心位置为0∙44R0～0∙48R0 之间时底吹氩对钢液搅拌得更均匀． 关键词 精炼；吹氩；透气砖；数值模拟 分类号 T175 收稿日期：2007-10-15 作者简介：薛文东（1968—）男副教授博士 向金属池中吹入气体使金属液产生强烈的循环 流动改善反应动力学条件可强化冶炼过程该技 术在钢铁冶金生产中得到了广泛应用．其中钢包 底吹氩应用最广并在其基础上发展了钢包喷粉及 CAS—OB 等许多钢包精炼新技术．自70年代起对 底吹氩钢包中的气液两相区行为、混合和搅拌作用、 流动及传质传热进行了很多研究［1—3］． 通过钢包底部的透气砖吹入氩气能强化钢水 搅拌均匀钢水的成分和温度促进夹杂物上浮但 是透气砖在钢包底部的位置与吹入氩气对钢液的搅 拌效果有很大的影响．目前大都采用水模型的方 式来研究但研究成本太高且与实际条件相差太远 所以结果不精确．本文以实际钢包为物理模型并 利用实验测定的边界条件数值求解底吹氩钢包内的 流场来研究钢包底吹氩流场与透气砖位置的关系 从而找寻透气砖在钢包底部的最佳位置． 1 数学模型 1∙1 模型假设 在建立多相流模型时采用了以下假设：（1）钢 包内钢液为稳态粘性不可压缩流体；（2）钢液液面设 置为自由液面；（3）在钢包流场里钢液的温度为恒 定的而吹入氩气降低钢液的温度不是太大忽略对 流换热带来的影响；（4）氩气泡尺寸均匀一致氩气 温度与钢液的温度相同；（5）透气砖入口处氩气分布 均匀． 1∙2 多相流模型 在多相流模型中每一相有自己的一套求解方 程各相的传输量通过相间传输项发生联系．对于 气液两相流气相和液相分别有自己的质量守恒方 程能量守恒方程两相的速度和温度通过相间力和 热传递产生联系． 1∙3 计算条件 边界条件与初始条件：对流体单元其自由度包 括流量、压力、温度、紊动动能、紊动动能耗散在求 解区域边界上应指定各自由度值．对钢包流场轴 对称有限元模型应施加的边界条件列于表1表中 给出了一个实例的具体边界数值． 表1 钢包流场的边界条件与初始条件 边界 边界条件与初始条件 透 气 砖 出 气口 Q＝5L／（t （s）；P＝ P 0（大气压）＋ P 1（钢液压 力）；VFRC（初始体积分数）＝0 钢包包壁 V x＝0；V y＝0；T＝1893K 自由液面 P＝ P 0；T＝1893K； 环境条件 gy＝9．81m／s 2；P 0＝1．013×105Pa 初始条件主要描述了零时刻流动区域的状态． 对钢包流场主要指 VFRC 值一般设全部单元的 初始 VFRC 为空． 几何参数有钢包底部直径 D0（半径 R0）、钢包 顶部直径 D1、钢包的高度 H、钢包中钢水液面的高 度 H1、透气砖的直径 D2 及透气砖在钢包底部的位 置 X0 等钢包的尺寸与钢包的容量有关．本实验主 要以100t 钢包为模拟对象所以几何参数为实际钢 包尺寸．透气砖中心距钢包中心的距离分别为0 R0／52R0／53R0／54R0／5R0． 钢水和氩气的物性参数列于表2． 1∙4 数值求解 采用 Ansys 计算软件对上述模型进行了计算． 提高求解稳定性的主要方法是调整松弛因子和设置 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．075