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∙185 700‚1050‚1400 95∙6‚119∙5‚143∙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·