優(yōu)化條件的rh流場數(shù)值模擬研究

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1、http://www.gtjia.com優(yōu)化條件的RH流場數(shù)值模擬研究薛利強(qiáng)，何平，張海風(fēng)，李相臣(鋼鐵研究總院冶金工藝研究所，北京100081)摘要：采用歐拉模型數(shù)值模擬方法，通過采用更接近實(shí)際的邊界計(jì)算條件和初始條件對170tRH熔池流場進(jìn)行了模擬分析。研究結(jié)果表明：改進(jìn)后模型計(jì)算出的流場狀態(tài)和循環(huán)流量結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很一致；上升管內(nèi)鋼液速度呈M型分布，且氣泡在上升管內(nèi)的流動(dòng)具有波動(dòng)性，下降管內(nèi)鋼液流速度分布均勻，上升管內(nèi)壁比下降管內(nèi)壁更容易侵蝕。關(guān)鍵詞：RH精煉；流場；數(shù)值模擬；質(zhì)量入口RH的冶金功能如真空脫碳脫氧、吹氧脫碳

2、、噴粉脫硫、溫度補(bǔ)償、均勻溫度和成分等都是在真空條件下通過鋼液的循環(huán)流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，RH熔池的流動(dòng)行為和狀況影響其精煉效率。自1975年Nakanishi[1]提出的RH裝置熔池內(nèi)鋼液流動(dòng)的二維數(shù)學(xué)模型以來已有很多研究者[2-7]對RH循環(huán)精煉過程中鋼液循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為認(rèn)識RH熔池內(nèi)流體流動(dòng)行為提供了依據(jù)。但其數(shù)學(xué)模型的邊界條件設(shè)置具有一定的局限性：1)將上升管吹氣孔設(shè)置為速度入口，這對于可壓縮氣體來說會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大；2)把氬氣溫度視為常溫，沒有考慮鋼液溫度對氬氣密度的影響；3)氬氣氣泡直徑為一定值，不隨吹氣

3、量以及上浮等條件的變化而變化；4)真空室液面高度設(shè)為定值或真空室出口為硬性邊界條件，導(dǎo)致鋼液沒有充分自由發(fā)展。這些將勢必影響RH熔池內(nèi)流場速度及形態(tài)、循環(huán)流量等的計(jì)算可靠性。為了對RH熔池內(nèi)的鋼液流動(dòng)行為進(jìn)行研究，將鋼包與RH裝置視為一個(gè)整體，吹氣孔采用質(zhì)量入口，初始時(shí)真空室無鋼液，隨著抽真空與吹氣的進(jìn)行，RH熔池內(nèi)鋼液面上升，最后達(dá)到穩(wěn)定，真空室內(nèi)的鋼液液面是充分自由發(fā)展的。在此更接近實(shí)際的邊界計(jì)算條件下，采用大型CFD軟件建立了歐拉模型對170tRH-KTB設(shè)備的流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究。其結(jié)果采用水力學(xué)模擬試驗(yàn)、國外文獻(xiàn)

4、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并對RH浸管內(nèi)鋼液流場分布與管壁沖刷關(guān)系進(jìn)行了分析。1數(shù)模模型1．1物理模型以某鋼鐵廠RH-KTB設(shè)備為原型，處理容量170t左右。鋼包內(nèi)徑底部為Φ2834mm，包口Φ3192mm；上升管、下降管長度1600mm，內(nèi)徑Φ550mm；真空室內(nèi)徑為Φ1910mm；上升管吹氬孔為12孔雙層分布，上下層各6孔均呈60°分布，上下層孔交錯(cuò)30°，層間距150mm。物理模型的幾何尺寸與原型一致。1．1．1假設(shè)條件在RH設(shè)備中，由于氣泡的提升、攪拌和真空度抽吸作用以及溫度場變化對流動(dòng)的影響，鋼液的流動(dòng)狀態(tài)為復(fù)雜的湍流。為了

5、便于建立模型，特作以下假設(shè)：1)鋼液溫度不變，不考慮溫度場變化對流動(dòng)的影響；2)氣體進(jìn)入鋼液后的溫度與鋼液溫度一致；3)氣泡的浮力是驅(qū)動(dòng)鋼液循環(huán)流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。1．1．2邊界條件1)為便于計(jì)算和模擬，包口液面上方設(shè)置為壓力入口。壓力為101．325kPa；2)真空室出口為壓力出口，此處僅考慮輕處理下的真空度，壓強(qiáng)為1kPa；3)上升管的吹氬孔為質(zhì)量入口，對吹入的氬氣進(jìn)行了壓力和溫度修正，產(chǎn)生的氣泡隨吹氣量和壓力而變化，吹氬流量與實(shí)際生產(chǎn)一樣；4)壁面邊界采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。1．1．3控制方程RH內(nèi)鋼液流動(dòng)遵循的基本方程包括連續(xù)性

6、方程、動(dòng)量守恒方程及能量守恒方程．采用k-ε方程來描述整個(gè)熔池中的紊流狀態(tài)。由于RH熔池內(nèi)流體的流動(dòng)涉及吹氬，其流體流動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)的兩相流，采用歐拉模型對氣液兩相區(qū)進(jìn)行處理。1．1．4參數(shù)設(shè)定http://www.gtjia.com氬氣、鋼液的各項(xiàng)參數(shù)如表1[8-9]所示，其中對吹入RH熔池中的氬氣密度進(jìn)行了溫度與壓力修正。注：VL為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入上升管內(nèi)的氬氣流量，m3／min；g為重力加速度，9．8m／s2根據(jù)理想氣體方程有：P0V0／T0=P1V1／T1(1)ρ1=ρ0T0P1／(T1P0)(2)式(1)和式(2)中：T0=2

7、98K，T1=1873K；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的密度，1．6228kg／m3；P0和P1分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)和吹氣孔處的壓強(qiáng)，Pa。1．2模型的初始化該模型初始化時(shí)鋼液全部處于大包中，分離求解器采用Simple算法，松弛因子系數(shù)設(shè)置如下表2所示。2模型計(jì)算結(jié)果及討論2．1RH氣液兩相分布與鋼液循環(huán)流量變化從吹氣量100m3／h、浸漬管插入深度500mm，真空室內(nèi)真空度1kPa下該模型計(jì)算收斂后的相圖發(fā)現(xiàn)，氣體進(jìn)入上升管后沿著管壁向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入真空室，這一結(jié)果與文獻(xiàn)1[10-11]描述一致。圖1為該數(shù)學(xué)模型檢測其下降管1／2處橫截面所得

8、到的循環(huán)流量走勢圖，可以看出，隨著抽真空的進(jìn)行，在前期鋼液從下降管內(nèi)流向真空室內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，下降管內(nèi)流向真空室內(nèi)的鋼液速度逐漸減小直到為零(對應(yīng)于圖1中循環(huán)流量趨勢線的最高點(diǎn))，之后下降管內(nèi)鋼液速度變向，從真空室流向大包直至穩(wěn)定。2．2模型計(jì)算流場與水模試