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