优化条件的RH流场数值模拟研究.doc

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1、优化条件的RH流场数值模拟研究薛利强，何平，张海风，李相臣(钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081)摘要：采用欧拉模型数值模拟方法，通过采用更接近实际的边界计算条件和初始条件对170tRH熔池流场进行了模拟分析。研究结果表明：改进后模型计算出的流场状态和循环流量结果与试验结果很一致；上升管内钢液速度呈M型分布，且气泡在上升管内的流动具有波动性，下降管内钢液流速度分布均匀，上升管内壁比下降管内壁更容易侵蚀。关键词：RH精炼；流场；数值模拟；质量入口RH的冶金功能如真空脱碳脱氧、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等都是在真空条件下通过钢液的循环流动来实现的，RH熔池的流动行为和

2、状况影响其精炼效率。自1975年Nakanishi[1]提出的RH装置熔池内钢液流动的二维数学模型以来已有很多研究者[2-7]对RH循环精炼过程中钢液循环流动进行了数值模拟研究，为认识RH熔池内流体流动行为提供了依据。但其数学模型的边界条件设置具有一定的局限性：1)将上升管吹气孔设置为速度入口，这对于可压缩气体来说会导致计算结果误差较大；2)把氩气温度视为常温，没有考虑钢液温度对氩气密度的影响；3)氩气气泡直径为一定值，不随吹气量以及上浮等条件的变化而变化；4)真空室液面高度设为定值或真空室出口为硬性边界条件，导致钢液没有充分自由发展。这些将势必影响RH熔池内流场速度及形态、循环流量等的计

3、算可靠性。为了对RH熔池内的钢液流动行为进行研究，将钢包与RH装置视为一个整体，吹气孔采用质量入口，初始时真空室无钢液，随着抽真空与吹气的进行，RH熔池内钢液面上升，最后达到稳定，真空室内的钢液液面是充分自由发展的。在此更接近实际的边界计算条件下，采用大型CFD软件建立了欧拉模型对170tRH-KTB设备的流场进行了三维数值模拟研究。其结果采用水力学模拟试验、国外文献经验数据进行了验证，并对RH浸管内钢液流场分布与管壁冲刷关系进行了分析。1数模模型1．1物理模型以某钢铁厂RH-KTB设备为原型，处理容量170t左右。钢包内径底部为Φ2834mm，包口Φ3192mm；上升管、下降管长度160

4、0mm，内径Φ550mm；真空室内径为Φ1910mm；上升管吹氩孔为12孔双层分布，上下层各6孔均呈60°分布，上下层孔交错30°，层间距150mm。物理模型的几何尺寸与原型一致。1．1．1假设条件在RH设备中，由于气泡的提升、搅拌和真空度抽吸作用以及温度场变化对流动的影响，钢液的流动状态为复杂的湍流。为了便于建立模型，特作以下假设：1)钢液温度不变，不考虑温度场变化对流动的影响；2)气体进入钢液后的温度与钢液温度一致；3)气泡的浮力是驱动钢液循环流动的主要驱动力。1．1．2边界条件1)为便于计算和模拟，包口液面上方设置为压力入口。压力为101．325kPa；2)真空室出口为压力出口，此处

5、仅考虑轻处理下的真空度，压强为1kPa；3)上升管的吹氩孔为质量入口，对吹入的氩气进行了压力和温度修正，产生的气泡随吹气量和压力而变化，吹氩流量与实际生产一样；4)壁面边界采用标准壁面函数。1．1．3控制方程RH内钢液流动遵循的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程及能量守恒方程．采用k-ε方程来描述整个熔池中的紊流状态。由于RH熔池内流体的流动涉及吹氩，其流体流动为标准的两相流，采用欧拉模型对气液两相区进行处理。1．1．4参数设定氩气、钢液的各项参数如表1[8-9]所示，其中对吹入RH熔池中的氩气密度进行了温度与压力修正。注：VL为单位时间内进入上升管内的氩气流量，m3／min；g为重力加

6、速度，9．8m／s2根据理想气体方程有：P0V0／T0=P1V1／T1(1)ρ1=ρ0T0P1／(T1P0)(2)式(1)和式(2)中：T0=298K，T1=1873K；ρ0为标准大气压下的密度，1．6228kg／m3；P0和P1分别为标准大气压强和吹气孔处的压强，Pa。1．2模型的初始化该模型初始化时钢液全部处于大包中，分离求解器采用Simple算法，松弛因子系数设置如下表2所示。2模型计算结果及讨论2．1RH气液两相分布与钢液循环流量变化从吹气量100m3／h、浸渍管插入深度500mm，真空室内真空度1kPa下该模型计算收敛后的相图发现，气体进入上升管后沿着管壁向上运动进入真空室，这一

7、结果与文献1[10-11]描述一致。图1为该数学模型检测其下降管1／2处横截面所得到的循环流量走势图，可以看出，随着抽真空的进行，在前期钢液从下降管内流向真空室内，随着时间的推移，下降管内流向真空室内的钢液速度逐渐减小直到为零(对应于图1中循环流量趋势线的最高点)，之后下降管内钢液速度变向，从真空室流向大包直至稳定。2．2模型计算流场与水模试验结果对比在验证钢液流动的数值计算结果方面目前采用的主要方法为水力学模拟试验方法