交替吹氣鋼包中示蹤劑傳輸過(guò)程的數(shù)值模擬

齊紅宇，陳 超，薛利強(qiáng)，2，楊榮旺，倪培遠(yuǎn)，尹力賦，辛毓杰

(1.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 煉鋼二廠，太原 030030；3.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

在實(shí)際的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，改善鋼包中鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)提高鋼液潔凈度、消除鋼包溫度梯度和化學(xué)梯度、縮短混勻時(shí)間有著重要的作用[1]?；靹驎r(shí)間是衡量鋼包均勻化程度的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，如何縮短混勻時(shí)間一直是研究者們重點(diǎn)研究的問(wèn)題。有大量研究者采用水模型及數(shù)值模擬的方法[2-3]，探究鋼包吹氣流量、底部透氣塞布置(直徑、個(gè)數(shù)、分離角度、位置[4-7]以及有無(wú)頂渣層的存在[8])、水模型比例[9]、示蹤劑加入量[10-12]等因素對(duì)混勻時(shí)間的影響，并得出了不同情況下的最佳透氣塞布置方式。還有部分研究者通過(guò)改變鋼包底部的吹氣方式，如強(qiáng)弱吹氣、交替吹氣等，改善鋼包中的循環(huán)流。GRYGOROV et al[13]在轉(zhuǎn)爐底部采用強(qiáng)弱吹氣的方式加強(qiáng)鋼液攪拌。王月等[14]采用水模型對(duì)鋼包中交替吹氣進(jìn)行了研究，即開(kāi)始時(shí)采用一側(cè)吹氣孔吹氣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后采用另一側(cè)吹氣孔分別吹氣5 s、10 s、15 s后再切換回來(lái)，結(jié)果表明，當(dāng)交替吹氣時(shí)間為15 s時(shí)，混勻時(shí)間最短。

不同透氣塞布置及不同吹氣方式會(huì)引起鋼包中死區(qū)位置的改變，對(duì)鋼包局部混勻時(shí)間造成影響。KRISHNAMURTHY et al[15]和NARITA et al[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼包底部使用一個(gè)透氣塞時(shí)，若位于中心處，會(huì)在鋼包底部周圍形成死區(qū)，若位于0.5R處，會(huì)在鋼包頂部和底部透氣塞對(duì)應(yīng)另一側(cè)形成死區(qū)；若位于壁面附近，會(huì)在鋼包底部透氣塞附近形成死區(qū)。張丹等[11]通過(guò)數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)在鋼包偏心側(cè)底部存在死區(qū)。LIU et al[17]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼包底部使用兩個(gè)透氣塞時(shí)，會(huì)在底部透氣塞與壁面之間形成死區(qū)。

綜上，對(duì)如何縮短混勻時(shí)間的研究主要集中在改變透氣塞布置，而對(duì)于改變吹氣方式來(lái)縮短鋼包混勻時(shí)間的研究較少，對(duì)于交替吹氣前后鋼包內(nèi)流場(chǎng)的改變和死區(qū)位置的變化缺乏研究。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)130 t鋼包按1/5比例縮小之后的水模型進(jìn)行研究，探究交替吹氣對(duì)鋼包內(nèi)部流場(chǎng)、示蹤劑傳輸過(guò)程、死區(qū)位置、混勻時(shí)間的影響，為水模型實(shí)驗(yàn)及實(shí)際工廠生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 水模型尺寸

本次數(shù)值模擬研究以130 t鋼包按1∶5的比例縮小之后的水模型為建模原型，模擬所用的氣體流量為0.4 m3/h，具體的原型及模型參數(shù)如表1所示。

表1 鋼包原型和水模型尺寸Table 1 Size of prototype and water model of ladle

本次數(shù)值模擬采用的是雙透氣塞交替吹氣，即開(kāi)始時(shí)氮?dú)鈴木嚯x鋼包底部中心0.2R處的右側(cè)吹氣孔吹入，一段時(shí)間后，切換至與右側(cè)透氣塞呈180°對(duì)稱布置的左側(cè)吹氣孔進(jìn)行吹氣，直至示蹤劑達(dá)到混勻，中途不會(huì)再切換至右側(cè)吹氣孔。示蹤劑從頂部中心位置加入。為了監(jiān)測(cè)示蹤劑的混勻時(shí)間，在距液面0.15 m處設(shè)置四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在底部設(shè)置四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖1所示。

圖1 水模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、吹氣位置和示蹤劑加入位置示意圖Fig.1 Diagram of monitoring points position, gas stirring position, and tracer injection position in water model

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1模型假設(shè)條件

1) 氣液兩相均為不可壓縮的黏性流體，氮?dú)庠谏仙^(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

2) 固體壁面設(shè)為非滑移壁面，在近壁面處應(yīng)用壁面函數(shù)；

3) 不考慮溫度的影響；

4) 在模擬過(guò)程中默認(rèn)氣泡的尺寸為常數(shù)，且在傳輸過(guò)程中不發(fā)生聚合和破裂行為。

1.2.2計(jì)算方程

本文所采用的模型包括歐拉-歐拉多相流模型、Realizablek-ε湍流模型、示蹤劑傳輸模型。采用歐拉-歐拉模型和湍流模型求解連續(xù)性方程及動(dòng)量方程，并計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。在穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，使用瞬態(tài)模型計(jì)算示蹤劑的傳輸過(guò)程。計(jì)算時(shí)考慮了KCl溶液的密度、擴(kuò)散系數(shù)等性質(zhì)。模型介紹在文獻(xiàn)[11]中已有報(bào)道，此處不再贅述。

1.2.3求解過(guò)程

本文使用STAR-CCM+軟件來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分及求解計(jì)算方程。網(wǎng)格劃分采用定向網(wǎng)格的劃分方法，主體部分是六面體網(wǎng)格構(gòu)成，情況如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)為427 382個(gè)。

圖2 鋼包網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of ladle

2 結(jié)果與討論

2.1 單孔吹氣流場(chǎng)及示蹤劑傳輸過(guò)程

2.1.1單孔吹氣流場(chǎng)

圖3為吹氣孔位于鋼包右側(cè)時(shí)，鋼包內(nèi)的流場(chǎng)分布圖以及速度場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)氣體從吹氣孔進(jìn)入時(shí)，在上升過(guò)程中會(huì)形成氣-液兩相區(qū)，氣體到達(dá)鋼包上表面并溢出，液相從氣柱中心向四周擴(kuò)散，在氣柱左側(cè)形成一個(gè)大循環(huán)流，在氣柱右側(cè)上方形成一個(gè)較小的循環(huán)流，在右側(cè)下方形成一個(gè)較大的循環(huán)流。

圖3 底吹鋼包水模型中流場(chǎng)分布Fig.3 Flow field distribution in water model of bottom gas-stirred ladle

2.1.2單孔吹氣示蹤劑傳輸過(guò)程

單孔吹氣時(shí)，示蹤劑在吹氣孔縱截面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖4所示，從圖中可以看出，示蹤劑在3 s時(shí)完全加入到鋼包中并由頂部中心位置開(kāi)始向鋼包內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，具體可概括為以下三個(gè)階段：

圖4 單孔吹氣方案中示蹤劑傳輸過(guò)程Fig.4 Tracer transport process in one plug stirring case

1) 示蹤劑首先沿著加入位置垂直向下運(yùn)動(dòng)，隨后受到氣柱羽流的作用，小部分示蹤劑運(yùn)動(dòng)至右上方小循環(huán)流進(jìn)行擴(kuò)散。

2) 大部分的示蹤劑沿著左側(cè)大循環(huán)流在鋼包內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，沿左側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)至鋼包底部氣柱附近時(shí)，一部分示蹤劑沿著氣柱直接向上運(yùn)動(dòng)至自由表面，另一部分在鋼包底部沿氣柱兩側(cè)運(yùn)動(dòng)至右側(cè)壁面，隨著右側(cè)循環(huán)流在鋼包中擴(kuò)散混勻。

3) 當(dāng)示蹤劑運(yùn)動(dòng)至鋼包底部右側(cè)時(shí)，有一部分示蹤劑在壁面附近滯留較長(zhǎng)時(shí)間，逐漸向鋼包其他位置擴(kuò)散，最終達(dá)到混勻。

2.2 交替吹氣流場(chǎng)及示蹤劑傳輸過(guò)程

2.2.1交替吹氣時(shí)間選擇依據(jù)

交替吹氣時(shí)間根據(jù)單孔吹氣下示蹤劑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定：當(dāng)示蹤劑加入10 s左右時(shí)，示蹤劑剛好在表面擴(kuò)散完畢；25 s時(shí)，左側(cè)示蹤劑剛好隨逆時(shí)針主環(huán)流運(yùn)動(dòng)至左側(cè)透氣塞上方，此時(shí)采用左側(cè)吹氣，會(huì)有一大部分示蹤劑被新形成的氣柱帶至鋼包表面進(jìn)行擴(kuò)散；30 s時(shí)，示蹤劑前沿已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至右側(cè)壁面附近，大部分示蹤劑位于鋼包底部，并隨著右側(cè)氣柱向鋼包表面擴(kuò)散；42 s時(shí)，示蹤劑在鋼包中完成第一次循環(huán)；48 s時(shí)，示蹤劑在鋼包中開(kāi)始第二次循環(huán)，并在鋼包表面進(jìn)行擴(kuò)散，此時(shí)更換吹氣位置可以加速示蹤劑在鋼包表面擴(kuò)散；56 s時(shí)，示蹤劑在鋼包中進(jìn)行第二次循環(huán)并有大股示蹤劑運(yùn)動(dòng)至鋼包左側(cè)，此時(shí)采用左側(cè)吹氣孔吹氣，會(huì)將左側(cè)示蹤劑帶至鋼包表面進(jìn)行擴(kuò)散。本文選擇如上時(shí)刻作為交替吹氣的時(shí)間。

2.2.2交替吹氣流場(chǎng)分析(以25 s為例)

在25 s進(jìn)行交替吹氣，流場(chǎng)變化如圖5所示。從圖中可以看出，更換吹氣位置后，左側(cè)氣柱會(huì)在交替后1 s左右形成，并且位于右側(cè)上方的小循環(huán)流會(huì)隨著流場(chǎng)變化逐漸消失。30 s時(shí)，左側(cè)吹氣的氣柱逐漸穩(wěn)定，新的流場(chǎng)開(kāi)始逐漸形成，右側(cè)上方開(kāi)始出現(xiàn)順時(shí)針流向的小循環(huán)流，且壁面兩個(gè)渦流開(kāi)始逐漸向著氣柱附近靠近。50 s時(shí)，右側(cè)重新形成的小循環(huán)流逐漸擴(kuò)大。在65 s時(shí)，側(cè)壁的兩個(gè)渦流已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至氣柱附近消失，右側(cè)下方的循環(huán)流已經(jīng)消失不見(jiàn)。在75 s時(shí)，左側(cè)上方逆時(shí)針小循環(huán)流開(kāi)始形成，右側(cè)的順時(shí)針大循環(huán)流已經(jīng)完全形成。在90 s時(shí)，左上方小循環(huán)流已經(jīng)形成，氣柱左右兩側(cè)流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終形成了與交替前完全鏡像的流場(chǎng)。

圖5 25 s交替吹氣流場(chǎng)轉(zhuǎn)變過(guò)程Fig.5 Flow field transformation process of alternate stirring at 25 s

在采用交替吹氣方案之前，鋼包中的流場(chǎng)與右側(cè)單孔吹氣時(shí)一致，當(dāng)更換吹氣位置后，新的氣柱快速形成，鋼包內(nèi)的流場(chǎng)被迅速打亂，右側(cè)的順時(shí)針小循環(huán)流逐漸擴(kuò)大率先形成大循環(huán)流，當(dāng)左上側(cè)逆時(shí)針小循環(huán)流形成時(shí)，鋼包內(nèi)的流場(chǎng)基本達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)形成與右側(cè)單孔吹氣呈鏡像的流場(chǎng)。對(duì)于25 s交替的方案，從更換吹氣位置到形成鏡像流場(chǎng)約需要65 s時(shí)間。每個(gè)方案從開(kāi)始更換吹氣位置到形成左側(cè)小循環(huán)流即為達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)所需時(shí)間。圖6為交替吹氣各方案達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)所需的時(shí)間，在10 s左右開(kāi)始進(jìn)行交替吹氣時(shí)，所用時(shí)間最長(zhǎng)，大約為76 s，而其他各交替吹氣方案的時(shí)間均在50～65 s左右。這和本研究的計(jì)算模型[11]中考慮了KCl溶液示蹤劑的密度差對(duì)流場(chǎng)的影響有關(guān)，即加入示蹤劑后流場(chǎng)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

圖6 各交替吹氣方案達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)所需時(shí)間Fig.6 Transition time of steady flow field after alternate stirring of each scheme

2.2.3交替吹氣示蹤劑傳輸過(guò)程

交替吹氣時(shí)間為25 s時(shí)，吹氣孔縱向截面的示蹤劑運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖7所示，從圖中可以看出，示蹤劑的傳輸過(guò)程大致可以分為四步：

1) 交替吹氣前，示蹤劑傳輸過(guò)程與單孔吹氣的傳輸過(guò)程一致。

2) 在25 s時(shí)，更換至左側(cè)吹氣孔單孔吹氣，隨著左側(cè)氣柱形成，會(huì)將底部位于氣柱附近的大股示蹤劑帶至自由表面，加快示蹤劑擴(kuò)散。

3) 由于鋼液流動(dòng)具有慣性，少量未能被氣柱帶到頂部的示蹤劑會(huì)繼續(xù)沿著底部向鋼包右側(cè)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，到達(dá)右側(cè)壁面中間高度后，隨著新形成的順時(shí)針循環(huán)流進(jìn)行擴(kuò)散。

4) 隨著新的流場(chǎng)形成，位于右側(cè)壁面的示蹤劑運(yùn)動(dòng)到底部并向左側(cè)移動(dòng)，經(jīng)過(guò)氣柱時(shí)，大部分的示蹤劑會(huì)隨著氣柱運(yùn)動(dòng)至自由表面并沿著順時(shí)針循環(huán)流擴(kuò)散。另一部分示蹤劑運(yùn)動(dòng)至鋼包左側(cè)底部并進(jìn)入到新形成的左側(cè)循環(huán)流中進(jìn)行擴(kuò)散，最終達(dá)到混勻。

圖7 25 s交替吹氣方案中示蹤劑傳輸過(guò)程Fig.7 Tracer transport process in alternate stirring case from 25 s

交替吹氣時(shí)間為48 s時(shí)， 示蹤劑運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8所示?？梢钥闯觯诮惶娲禋庵?，示蹤劑傳輸過(guò)程與單孔吹氣的傳輸過(guò)程一致。當(dāng)更換吹氣位置后，由于鋼液流動(dòng)具有慣性，大部分示蹤劑仍會(huì)從右側(cè)壁面以逆時(shí)針向鋼包表面擴(kuò)散，隨著新的流場(chǎng)的形成，在80 s左右時(shí)鋼包底部的示蹤劑會(huì)隨著新形成的順時(shí)針循環(huán)流沿鋼包底部向左側(cè)移動(dòng)。經(jīng)過(guò)左側(cè)氣柱附近時(shí)，示蹤劑被氣柱帶至鋼包表面，沿著鏡像流場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)散。由于交替時(shí)間較晚，示蹤劑在鋼包中已經(jīng)完成第一次循環(huán)，在鋼包左側(cè)區(qū)域示蹤劑濃度較為均勻。少部分示蹤劑繞過(guò)底部左側(cè)吹氣孔，擴(kuò)散至鋼包左側(cè)底部，但是沒(méi)有引起示蹤劑濃度的顯著變化。

2.3 各方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱濃度曲線

2.3.1頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱濃度曲線

圖9(a)為各方案鋼包右上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的無(wú)量綱濃度曲線，從圖中可以看出，各方案在10 s左右時(shí)會(huì)有一個(gè)較小的峰值，這是由于在示蹤劑剛剛加入之后，會(huì)在自由表面向四周擴(kuò)散，在10 s左右時(shí)會(huì)有一部分示蹤劑到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)1附近濃度快速升高。當(dāng)采用10 s交替時(shí)，新形成的流場(chǎng)會(huì)迅速將監(jiān)測(cè)點(diǎn)1附近的示蹤劑帶走，所以在20～30 s時(shí)，示蹤劑濃度先快速降低。當(dāng)交替時(shí)間為10 s、25 s、30 s時(shí)，由于更換吹氣位置時(shí)間較早，不會(huì)再有大股的示蹤劑運(yùn)動(dòng)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，在流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程中，逐漸有示蹤劑擴(kuò)散至監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，濃度緩慢上升。當(dāng)交替時(shí)間為42 s、48 s、56 s時(shí)，由于更換吹氣位置時(shí)間較晚，示蹤劑已經(jīng)完成在鋼包內(nèi)的第一次循環(huán)，由于鋼液流動(dòng)具有慣性，示蹤劑仍會(huì)從右側(cè)壁面以逆時(shí)針向鋼包表面擴(kuò)散，在40～50 s左右監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的示蹤劑濃度曲線存在峰值。隨后更換至左側(cè)吹氣孔，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的示蹤劑會(huì)隨著新形成的流場(chǎng)快速擴(kuò)散。

圖8 48 s交替吹氣方案中示蹤劑傳輸過(guò)程Fig.8 Tracer transport process in alternate stirring case from 48 s

圖9(b)為各方案鋼包左上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的無(wú)量綱濃度曲線，從圖中可以看出，各方案在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的濃度曲線基本一致。示蹤劑加入之后，在5～10 s左右時(shí)示蹤劑沿著逆時(shí)針環(huán)流到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，在10 s左右示蹤劑濃度曲線存在峰值，隨后逐漸在鋼包內(nèi)擴(kuò)散混勻。

圖9(c)為各方案鋼包前上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的無(wú)量綱濃度曲線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的濃度曲線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處比較相似。不同的是，交替吹氣的時(shí)機(jī)會(huì)影響示蹤劑濃度變化走勢(shì)及二次峰值。

圖9 不同交替時(shí)間方案下頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of concentration curves of top monitoring points under different alternate time schemes

2.3.2底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱濃度曲線

圖10(a)為各方案鋼包左下方監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的無(wú)量綱濃度曲線。從圖中可以看出，在15 s左右時(shí)，示蹤劑會(huì)沿交替吹氣前的逆時(shí)針環(huán)流運(yùn)動(dòng)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)6，在30 s左右示蹤劑濃度曲線存在峰值。當(dāng)交替時(shí)間變化時(shí)，這一峰值不會(huì)變化。交替時(shí)間為10 s、25 s、30 s時(shí)，大部分示蹤劑位于鋼包左側(cè)壁面及鋼包底部，并且濃度較高，大股的示蹤劑會(huì)隨著氣柱運(yùn)動(dòng)至自由表面，并沿著順時(shí)針環(huán)流運(yùn)動(dòng)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)6，引起局部濃度增加，示蹤劑濃度曲線分別在80 s、100 s、120 s存在二次峰值。

交替時(shí)間為42 s、48 s、56 s時(shí)，交替吹氣前，大部分示蹤劑位于鋼包右側(cè)壁面靠上位置，更換吹氣位置后，示蹤劑仍會(huì)沿著交替吹氣前的流場(chǎng)以逆時(shí)針向鋼包表面擴(kuò)散。此時(shí)，鋼包左側(cè)區(qū)域示蹤劑濃度較為均勻。之后，僅有小股示蹤劑會(huì)隨著新形成的順時(shí)針循環(huán)流沿鋼包底部向監(jiān)測(cè)點(diǎn)6移動(dòng)，示蹤劑濃度變化較小，且無(wú)交替時(shí)間較早時(shí)產(chǎn)生的濃度曲線的二次峰值。

圖10(b)為各方案鋼包前下方監(jiān)測(cè)點(diǎn)7的無(wú)量綱濃度曲線。類似于監(jiān)測(cè)點(diǎn)6，在20 s左右示蹤劑會(huì)沿交替吹氣前的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)7，在40～45 s左右示蹤劑濃度曲線存在峰值。交替吹氣后，示蹤劑仍會(huì)在慣性作用下繼續(xù)沿著逆時(shí)針環(huán)流傳輸。新的流場(chǎng)形成并達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，鋼包右側(cè)壁面上方的示蹤劑隨著順時(shí)針循環(huán)流到達(dá)鋼包底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)7，引起局部濃度增加，濃度曲線出現(xiàn)一個(gè)較大的“臺(tái)階”。交替時(shí)間為10 s、25 s、30 s時(shí)，濃度曲線在90～100 s左右出現(xiàn)“臺(tái)階”，該臺(tái)階持續(xù)時(shí)間在20～30 s左右，表明在此處存在死區(qū)。交替時(shí)間為42 s、48 s、56 s時(shí)，濃度曲線有“臺(tái)階”的形狀，但波動(dòng)較大，甚至?xí)霈F(xiàn)三次峰值。但是，臺(tái)階出現(xiàn)的時(shí)間并不是隨著交替時(shí)間的延長(zhǎng)而延后，這和達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)所需時(shí)間有關(guān)。例如10 s交替方案達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)所需時(shí)間最長(zhǎng)，但濃度曲線形成臺(tái)階的時(shí)間要晚于交替時(shí)間為25 s、30 s、42 s的方案。

圖10(c)為各方案鋼包右下方監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的無(wú)量綱濃度曲線。類似于監(jiān)測(cè)點(diǎn)6和7，示蹤劑濃度曲線分別在30 s左右開(kāi)始升高并在50 s左右達(dá)到峰值。該峰值時(shí)間不會(huì)受交替時(shí)間變化影響。表明鋼液流動(dòng)具有慣性，鋼包底部的逆時(shí)針環(huán)流并未改變。采用交替吹氣后，當(dāng)新流場(chǎng)形成后，在80～105 s鋼包右側(cè)壁面上方的示蹤劑會(huì)隨著順時(shí)針循環(huán)流到達(dá)鋼包底部右下方監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，該處示蹤劑濃度下降較為緩慢，甚至在無(wú)量綱濃度曲線上出現(xiàn)較小的峰值。

2.4 混勻時(shí)間分析

表2為各方案各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混勻時(shí)間(95%標(biāo)準(zhǔn))。從表中可以看出，對(duì)于單孔吹氣方案，頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混勻時(shí)間在59～82 s，底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混勻時(shí)間在90～98 s.對(duì)于交替吹氣方案，頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)混勻時(shí)間在51～80 s，底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)混勻時(shí)間在90～160 s.交替吹氣之后，頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混勻時(shí)間較單孔吹氣時(shí)有所減少，底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混勻時(shí)間則有所增加。

對(duì)于各交替吹氣方案，當(dāng)流場(chǎng)穩(wěn)定后，示蹤劑均會(huì)在新形成的順時(shí)針環(huán)流的作用下從鋼包右側(cè)運(yùn)動(dòng)至鋼包底部，造成示蹤劑在監(jiān)測(cè)點(diǎn)5附近停留時(shí)間較長(zhǎng)，為120～130 s左右，且不受交替吹氣時(shí)間的影響。示蹤劑在鋼包底部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在監(jiān)測(cè)點(diǎn)7與監(jiān)測(cè)點(diǎn)8處形成死區(qū)，造成該位置的混勻時(shí)間較長(zhǎng)，為160 s左右。

圖10 不同交替時(shí)間方案下底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of concentration curves of bottom monitoring points of different alternate time schemes

表2 各方案各監(jiān)測(cè)點(diǎn)混勻時(shí)間對(duì)比Table 2 Comparison of mixing time at each monitoring point of each scheme

當(dāng)交替時(shí)間為10 s、25 s、30 s時(shí)，大股示蹤劑會(huì)在順時(shí)針環(huán)流的作用下從鋼包底部運(yùn)動(dòng)至鋼包左側(cè)，使監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的混勻時(shí)間延長(zhǎng)，為110～150 s左右。當(dāng)交替時(shí)間為42 s、48 s、56 s時(shí)，示蹤劑在逆時(shí)針環(huán)流的作用下在鋼包左側(cè)分布較為均勻，并且只有小股示蹤劑在新形成的順時(shí)針環(huán)流的作用下從鋼包右側(cè)運(yùn)動(dòng)至鋼包底部，示蹤劑濃度變化較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的混勻時(shí)間較短，為90～100 s左右。綜上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的混勻時(shí)間會(huì)隨著交替時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。

2.5 討論

與單孔吹氣相比，采用交替吹氣時(shí)，鋼包內(nèi)的流場(chǎng)轉(zhuǎn)變，原先單孔吹氣時(shí)的逆時(shí)針主循環(huán)流被破壞，右上方的順時(shí)針小循環(huán)流逐漸擴(kuò)大為順時(shí)針大循環(huán)流，當(dāng)左側(cè)上方的小循環(huán)流形成時(shí)，新的流場(chǎng)形成并達(dá)到穩(wěn)定，最后形成與單孔吹氣呈鏡像的流場(chǎng)。對(duì)于不同交替吹氣方案，其達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)所需的時(shí)間也不同，采用10 s交替吹氣時(shí)所用時(shí)間最久，為76 s，其他各方案均在55～65 s之間。這和加入KCl溶液示蹤劑后流場(chǎng)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化有關(guān)。

隨著流場(chǎng)的改變示蹤劑傳輸過(guò)程也發(fā)生變化。這和交替吹氣的時(shí)機(jī)有關(guān)。當(dāng)交替時(shí)間為10 s、25 s、30 s時(shí)，在交替吹氣之前，大部分的示蹤劑位于鋼包左側(cè)壁面和鋼包底部，還沒(méi)有擴(kuò)散到鋼包右側(cè)壁面。更換吹氣位置后，左側(cè)氣柱會(huì)將底部位于氣柱附近的大股示蹤劑帶至自由表面，這部分示蹤劑隨著新形成的順時(shí)針主循環(huán)流進(jìn)行傳輸。這一過(guò)程會(huì)增加底部位置的混勻時(shí)間，同時(shí)縮短頂部的混勻時(shí)間。

當(dāng)交替時(shí)間為42 s、48 s、52 s時(shí)，此時(shí)示蹤劑已經(jīng)接近或已經(jīng)完成第一次循環(huán)，在交替吹氣之前，鋼包中大部分示蹤劑集中在右側(cè)壁面附近靠近液面中上方位置，由于鋼液流動(dòng)具有慣性，示蹤劑仍以逆時(shí)針向鋼包表面擴(kuò)散，示蹤劑在鋼包左側(cè)濃度較為均勻。在鏡像流場(chǎng)形成后，僅有少量示蹤劑沿著新形成的順時(shí)針主循環(huán)流進(jìn)行擴(kuò)散，該部分示蹤劑不會(huì)引起鋼包底部左下方位置的濃度變化，該位置的混勻時(shí)間有所縮短。

張丹等[11]發(fā)現(xiàn)在右側(cè)單孔吹氣時(shí)，鋼包底部右下方會(huì)形成死區(qū)。采用交替吹氣后，在右下方死區(qū)的示蹤劑會(huì)隨著交替流場(chǎng)的形成先后以逆時(shí)針和順時(shí)針的環(huán)流進(jìn)行傳輸，這一過(guò)程延長(zhǎng)了底部不活躍區(qū)的混勻，此時(shí)的死區(qū)位于與吹氣位置所在中心線呈90°夾角的鋼包壁面底部，即本文的鋼包前下方和后下方監(jiān)測(cè)點(diǎn)7和8.

本研究關(guān)注的重點(diǎn)是交替吹氣后流場(chǎng)的變化及示蹤劑的傳輸過(guò)程。在實(shí)際過(guò)程中，爐渣對(duì)流場(chǎng)有一定影響，在交替吹氣過(guò)程表面的流動(dòng)可能造成鋼包卷渣及二次氧化，應(yīng)在未來(lái)進(jìn)行深入研究。本文所采用的歐拉-歐拉雙相流模型更適用于研究示蹤劑的傳輸過(guò)程，未來(lái)可以使用VOF多相流模型或者大渦模擬[18]研究卷渣過(guò)程。

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行交替吹氣的鋼包水模型中流場(chǎng)的變化、示蹤劑傳輸過(guò)程、對(duì)混勻時(shí)間的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1) 與單孔吹氣相比，采用交替吹氣時(shí)最終會(huì)形成與右側(cè)單孔吹氣呈鏡像的流場(chǎng)。對(duì)于不同交替吹氣的方案，其達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)所需的時(shí)間略有差異，在55～76 s之間。

2) 交替吹氣后，由于慣性，示蹤劑仍會(huì)以逆時(shí)針的環(huán)流向鋼包表面?zhèn)鬏?，交替流?chǎng)形成后，示蹤劑以順時(shí)針的主環(huán)流進(jìn)行傳輸，此時(shí)死區(qū)位于與吹氣位置所在中心線呈90°夾角的鋼包壁面底部，即鋼包底部的前下方和后下方。交替吹氣的時(shí)機(jī)會(huì)影響示蹤劑參與逆時(shí)針的慣性引起的環(huán)流和參與新流場(chǎng)中順時(shí)針主環(huán)流的分配比例。

3) 采用交替吹氣后，頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)示蹤劑的混勻時(shí)間比單孔吹氣時(shí)縮短10 s左右，底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混勻時(shí)間比單孔吹氣時(shí)有所增加。