刘福海等：承德100t顶吹脱磷钢包流场特性研究 ·63* 气作为顶吹和底吹气气源.由于黏性力并非影响实验 对熔池进行电导率测定.每炉次记录时间为2min,电 的主要因素，因此实验采用蒸馏水（运动黏度0.9× 导率采集时间间隔为1s.实验结束后观察生成的电导 105m2/s)代替钢液，同时模型底吹布置方式与原型 率变化曲线，观察三个电极测得的电导率值，直到其电 相同. 导率与溶池平均电导率相差小于1%时，即为熔池混 在记录混匀时间过程中，三个电极(A,B和C)分 匀的时刻，通过这种方法可以测定熔池流场的混匀 别布置在熔池不同位置，已检测熔池电导率变化规律. 时间 每次实验取100mL饱和KCl溶液作为示踪剂，实验过 实验过程中采用录影机记录冲击凹坑形貌变化规 程吹气稳定后，快速将KC溶液倒入正在进行顶底复 律，并根据图像测出冲击直径与冲击深度，模型与原型 吹的实验模型中，利用连接在电极上的电导率仪连续 的复吹流量与枪位如表2所示 表2模型与原型的复吹流量与枪位 Table 2 Gas flows and lance heights of prototype and model 参数 顶吹流量/(m3,h1) 枪位/mm 底吹流量/(L·minl) 原型 2500/2750/3000/3250/3500 500/6001/700/800 100 模型 30.65/33.72/36.79/39.85142.92 125/150/175/200 1.20 能量守恒方程： 2数值模拟 为对比不同倾角角度对熔池流量的影响，本文对 oE)+.(pE+门= 脱磷钢包进行了气液两相流分布的三维数值模拟.数 7[kT-∑h+(行mu)]+s:(6) 值模拟模型的顶吹流量、底吹流量和枪位分别为3000 m3.h-l、l00 L.min-和500mm 为了追踪半钢包内的气一渣一金多相但互不混合 考虑到在钢包脱磷实际过程中，熔池内部时刻进 流体间的界面（即金一渣、气一渣、气一金间的界面）移 动，模拟采用了多相流VOF模型m.在VOF模型中， 行着复杂的物理化学反应，如炉渣的泡沫化和喷溅、半 钢内部元素与氧的氧化反应、炉气中的C0气体的二 各相分别有各自的体积分数α，对于某一相的体积分 次燃烧等.这些物理化学变化的发生是随机、紊乱的， 数控制方程可以表达成下面的守恒形式： 因此对半钢包半钢脱磷中射流特性和流场进行精确的 c+(u-t)a=0. (7) O 数值模拟计算是很难实现的.为了便于建立数学模 在计算区域内的任意一个单元体中，各相的体积 型，现提出4点假设： 分数之和为1，即： (1)金属、熔渣均为牛顿流体，氧气为理想的可压 缩气体，且彼此之间互不渗透： 立= (8) (2)模拟时不考虑熔池内的化学反应，且不考虑 对于熔池内的气一渣一金三相流，各单元体内的三 熔渣的泡沫化影响； 相的体积分数α之和为1，即： (3)氧枪喷头管壁和半钢包炉壁均假设为光滑壁 ag +us amu=1. (9) 面，流体与壁面间的摩擦力可忽略不计： 同样，传输方程中出现的参数密度p和黏度4也 (4)半钢包熔池内的温度假设是恒定的，始终保 可采用体积平均法通过各相的体积分数α得到： 持在1625℃. p=aP+PameuP a (10) 2.1控制方程 =guss+C+ametalll metal (11) 假设氧枪喷头内部所有连接处都很光滑，忽略摩 在VOF模型中网，不同的液体被建模成单一连 擦作用，氧枪壁面为绝热面.射流运动过程中的控制 续体且遵守同一套控制方程，不同的液体要通过体积 方程如下叨： 分数场来辨别. 连续性方程： 连续性方程： +Vpu=0. (4) at 品ap)+ap=+ (m-mg）, 动量守恒方程： (12) 是o）+(u)=-p+.(同+pg+R 动量守恒方程： (5) pw）+7·ow=刘福海等: 承德 100 t 顶吹脱磷钢包流场特性研究 气作为顶吹和底吹气气源． 由于黏性力并非影响实验 的主要因素，因此实验采用蒸馏水( 运动黏度 0. 9 × 10 － 5 m2 / s) 代替钢液，同时模型底吹布置方式与原型 相同． 在记录混匀时间过程中，三个电极( A，B 和 C) 分 别布置在熔池不同位置，已检测熔池电导率变化规律． 每次实验取 100 mL 饱和 KCl 溶液作为示踪剂，实验过 程吹气稳定后，快速将 KCl 溶液倒入正在进行顶底复 吹的实验模型中，利用连接在电极上的电导率仪连续 对熔池进行电导率测定． 每炉次记录时间为 2 min，电 导率采集时间间隔为 1 s． 实验结束后观察生成的电导 率变化曲线，观察三个电极测得的电导率值，直到其电 导率与溶池平均电导率相差小于 1% 时，即为熔池混 匀的时刻，通过这种方法可以测定熔池流场的混匀 时间． 实验过程中采用录影机记录冲击凹坑形貌变化规 律，并根据图像测出冲击直径与冲击深度，模型与原型 的复吹流量与枪位如表 2 所示． 表 2 模型与原型的复吹流量与枪位 Table 2 Gas flows and lance heights of prototype and model 参数 顶吹流量/( m3 ·h － 1 ) 枪位/mm 底吹流量/( L·min － 1 ) 原型 2500 /2750 /3000 /3250 /3500 500 /600 /700 /800 100 模型 30. 65 /33. 72 /36. 79 /39. 85 /42. 92 125 /150 /175 /200 1. 20 2 数值模拟 为对比不同倾角角度对熔池流量的影响，本文对 脱磷钢包进行了气液两相流分布的三维数值模拟． 数 值模拟模型的顶吹流量、底吹流量和枪位分别为 3000 m3 ·h － 1、100 L·min － 1和 500 mm． 考虑到在钢包脱磷实际过程中，熔池内部时刻进 行着复杂的物理化学反应，如炉渣的泡沫化和喷溅、半 钢内部元素与氧的氧化反应、炉气中的 CO 气体的二 次燃烧等． 这些物理化学变化的发生是随机、紊乱的， 因此对半钢包半钢脱磷中射流特性和流场进行精确的 数值模拟计算是很难实现的． 为了便于建立数学模 型，现提出 4 点假设: ( 1) 金属、熔渣均为牛顿流体，氧气为理想的可压 缩气体，且彼此之间互不渗透; ( 2) 模拟时不考虑熔池内的化学反应，且不考虑 熔渣的泡沫化影响; ( 3) 氧枪喷头管壁和半钢包炉壁均假设为光滑壁 面，流体与壁面间的摩擦力可忽略不计; ( 4) 半钢包熔池内的温度假设是恒定的，始终保 持在 1625 ℃ ． 2. 1 控制方程 假设氧枪喷头内部所有连接处都很光滑，忽略摩 擦作用，氧枪壁面为绝热面． 射流运动过程中的控制 方程如下［17］: 连续性方程: ρ t + Δ ρu = 0． ( 4) 动量守恒方程:  t ( ρu) + Δ ·( ρuu) = － Δ p + Δ ·( τ) + ρ g + F． ( 5) 能量守恒方程:  t ( ρE) + Δ ·［u( ρE + p) ］= [ Δ keff Δ T － ∑ j hj Jj + ( τeffu ] ) + Sh ． ( 6) 为了追踪半钢包内的气--渣--金多相但互不混合 流体间的界面( 即金--渣、气--渣、气--金间的界面) 移 动，模拟采用了多相流 VOF 模型［17］． 在 VOF 模型中， 各相分别有各自的体积分数 α，对于某一相的体积分 数控制方程可以表达成下面的守恒形式: α τ + ( u· Δ ) α = 0． ( 7) 在计算区域内的任意一个单元体中，各相的体积 分数之和为 1，即: ∑ n i = 1 αi = 1． ( 8) 对于熔池内的气--渣--金三相流，各单元体内的三 相的体积分数 α 之和为 1，即: αgas + αslag + αmetal = 1． ( 9) 同样，传输方程中出现的参数密度 ρ 和黏度 μ 也 可采用体积平均法通过各相的体积分数 α 得到: ρ = αgasρgas + αslagρslag + αmetalρmetal ． ( 10) μ = αgasμgas + αslagμslag + αmetalμmetal ． ( 11) 在 VOF 模型中［18］，不同的液体被建模成单一连 续体且遵守同一套控制方程，不同的液体要通过体积 分数场来辨别． 连续性方程: 1 ρ [ i  τ ( aiρi ) + Δ ·( aiρiui ] ) = Sai + ∑ n i = 1 ( mji － mij) ， ( 12) 动量守恒方程:  τ ( ρu) + Δ ·( ρuu) = · 36 ·