RH 精煉過程中鋼液流場數(shù)值模擬

陳 勇，李廷剛，鄭 偉，馬仲群，孫建鵬，毛 勇

（五礦營口中板有限責(zé)任公司，遼寧 營口 115000）

RH 精煉工藝以其脫氣去夾雜能力強，生產(chǎn)周期短，精煉效果好等特點被當(dāng)代鋼廠廣泛采用[1]。RH精煉爐在高真空條件下將鋼水抽入真空室內(nèi)，并通過通入環(huán)流驅(qū)動氣體驅(qū)動鋼水循環(huán)流動，增強攪拌效果。環(huán)流氣體流量的大小對，直接影響著精煉效果的好壞，環(huán)流氣體流量的最佳值設(shè)定，就成了煉鋼工作者需要攻關(guān)的一個重要課題。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

本文通過對RH 精煉過程鋼水內(nèi)部流場特性的研究，鋼水流動的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用fluent 求解軟件進行求解，對RH 內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬。

1.1 合理假設(shè)

對RH 精煉過程中鋼水內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬時，考慮到計算成本應(yīng)忽略一些對流場分布影響較小的條件，本文對該過程進行了合理假設(shè)，假設(shè)條件如下[2]：

1）將鋼水流動的初始速度設(shè)為定值，作為驅(qū)動鋼水循環(huán)的驅(qū)動力。

2）將真空室內(nèi)的鋼液表面當(dāng)作水平面處理。

3）忽略鋼渣對鋼水流動的影響。

4）將鋼水看作不可壓縮流體，且將整個過程視為穩(wěn)態(tài)流動處理。

5）忽略溫度變化對鋼水黏度、密度等物性參數(shù)的影響。

1.2 幾何模型的建立與網(wǎng)格的劃分

應(yīng)用solidworks 軟件根據(jù)某煉鋼廠精煉爐實際尺寸及生產(chǎn)狀況建立幾何模型，導(dǎo)入CFD 前處理軟件icem 中劃分網(wǎng)格。RH 精煉過程鋼水流體區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)相對較為簡單，因此模型建立的是自動生成的非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)|格，在壁面設(shè)置邊層網(wǎng)格，并在流速較大區(qū)域進行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格視圖

1.3 控制方程

本文將RH 精煉過程中的鋼水流動視為穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流動，應(yīng)用fluent 求解器中的k-ε 模型進行模擬，k-ε 方程如下：

k方程：

ε 方程：

式中：σk 為斷流普朗特數(shù)。

1.4 邊界條件的設(shè)置

取吹氣口上方設(shè)置界面設(shè)置為入口邊界，對應(yīng)下降管道位置設(shè)置為出口邊界，入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口條件設(shè)置為自由流出出口。真空室及鋼包鋼液界面設(shè)置為自由滑移wall 邊界，其余壁面設(shè)置為無滑移wall 界面。

2 實驗與結(jié)果

2.1 實驗方案

根據(jù)某鋼廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備情況，將氣體還流量與鋼水環(huán)流速度進行換算，并設(shè)計出三套實驗方案進行對比，方案具體如表1 所示。

表1 實驗方案

3.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述方案進行模擬運算得出鋼水流場矢量圖如圖2 所示。圖2-1、圖2-2、圖2-3 分別為環(huán)流氣體流量為40 m3/h、50 m3/h、60 m3/h 的鋼水內(nèi)部流場矢量圖，比較分析可得，環(huán)流氣體流量為40 m3/h時鋼水行走路線比較短，由出口流出后較快回到上升管道，攪拌不完全，不利于RH 精煉脫氣去夾雜，環(huán)流氣體流量為50 m3/h、60 m3/h 時鋼水行走路線較長，且形成回流有利于RH 精煉功能的實現(xiàn)。在實際生產(chǎn)過程中，除考慮精煉效果外還需考慮鋼水對耐火材料的沖刷，以及設(shè)備折舊等成本問題，因此綜合考慮，將該公司環(huán)流氣體流量設(shè)置為50 m3/h 為最佳。

圖2 鋼水流場矢量圖

3 結(jié)語

通過對RH 精煉過程的數(shù)值模擬分析可得：RH精煉的精煉處理能力隨著氣體還流量的增加而增加，考慮到設(shè)備問題，本文研究的RH 精煉設(shè)備氣體還流量應(yīng)以50 m3/h 為最佳。