不同侧吹参数下RH内气液两相循环流动模拟研究.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44.No.4August 2023特殊钢SPECIAL STEEL不同侧吹参数下RH内气液两相循环流动模拟研究袁建都，冯亮花，郭柄君，王硕，水玺琛（辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051）摘 要：通过建立包括真空室、浸渍管、钢包的180 t RH气液流动三维物理数学模型，采用VOF两相流模型和应用FLUENT软件进行数值模拟研究了侧吹氩气喷孔布置方式及吹气量对RH内气液两相循环流动的影响。分析了喷气孔单层布置和双层交错布置对喷气流量和上下层间距对上升管出口截面含气率、上升管和下降管出口速度以及循环流量的影响。结果表明，氩气在上升管内贴壁上升，并携带钢液向上运动，沿着运动方向管内截面含气率逐渐增加，在出口截面处含气率达到最大；上升管出口截面含气率越小，上升管出口和下降管出口截面中心速度越大，循环流量越大，均混时间越短；喷气管双层布置、减小间距、增大吹气量，有利于循环流量的提高和均混时间的缩短。关键词：RH真空精炼；喷孔布置；吹气量；循环流量DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00030 中图分类号：TF769.4Numerical Simulation Study on Gas-liquid Circulating Flow at Different Side-injecting Conditions in RH Refining SystemYuan Jiandu，Feng Lianghua，Guo Bingjun，Wang Shuo，Shui Xichen（School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）Abstract：By establishing three-dimensional physical and mathematical model of gas-liquid flow in 180 t RH including vacuum chamber，immersion tube and ladle，using VOF two-phase flow model and FLUENT software numerical simulation，the influence of side-blown argon nozzle arrangement and gas flow rate on gas-liquid two-phase circulation flow in RH is studied.The effects of jet flow rate and upper and lower spacing on the void fraction of the outlet section of the riser，the outlet velocity of the riser and the downcomer and the circulating flow rate are analyzed as the jet holes arranging in a single layer and in a double-layer staggered arrangement.The results show that argon rises along the wall in the upward tube and carries the molten steel upward.The gas content in the cross section of the tube increases gradually along the direction of movement，and the gas content reaches the maximum at the outlet section.The smaller the void fraction of the outlet section of the riser is，the larger the central velocity of the outlet section of the riser and the outlet section of the downcomer is，the larger the circulating flow is，and the shorter the mixing time is.The double-layer arrangement of the jet pipe，reducing the spacing and increasing the blowing volume are beneficial to the improvement of the circulating flow rate and the shortening of the mixing time.Key Words：RH Vacuum Refining；Nozzle Layout；Air Blowing Volume；Circulating Flow RateRH真空精炼是现代炼钢重要的二次精炼装置之一。RH精炼装置主要是由真空室、上升管、下降管、钢包四大部分组成。精炼过程中，通过真空泵抽真空以及在上升管侧壁喷孔吹入氩气，在压差和气泡驱动的共同作用下，钢液从钢包进入上升管，再进入真空室，在完成脱碳、脱气反应后在重力的作用下从下降管流回钢包，经过反复循环流动来达到温度和成分均匀的目的。RH内钢液的循环流动状态直接决定了精炼效率，众多研究者就RH内钢液的循环特性开展了大量的实验和数值模拟研究1-2。Frank Ahrenhold3通过数学物理模拟研究得出氩气流量是影响循环速率的主要因素；Seshadri Varadarajan4通过水模实验得出侧吹气体射流速度以及在液体中行程直接影响循环流量；Deepjyoti Mukherjee等人5通过冷态实验发现喷射气体流量的增加会使循环速率增加、均混时间缩短，但均存在饱和值；李怡宏6通过水模实验分析得出小气体流量集中入射、大气量分散入射有利于循环效率的提高；胡汉涛等人7通过数值模拟研究得出，吹气管内径对于钢液环流量以及钢液 冶炼与凝固 基金项目：国家自然科学基金资助项目（52074151），辽宁省科学技术厅资助项目（2022 JH2/101300079）作者简介：袁建都（1993-），男，硕士研究生；E-mail：；收稿日期：2023-03-03通讯作者：冯亮花（1974-），女，教授，硕士生导师；E-mail：1第 44 卷 特殊钢混合特性的影响远小于气体流量；欧洪林等人8通过建立水模型，得知增加驱动气体流量、增加浸渍管浸入深度、增加浸渍管内径和减少真空室压力，均能增加RH钢液的循环流量；艾新港等人9则通过水模实验模拟了增大浸渍管浸入深度对于精炼过程的影响，并得出较大的浸入深度能够改良钢液混匀特性的结论；王晓冬等人10通过数值模拟研究得出，吹氩管分层布置比单层布置更有利于循环流量的提高。冶炼过程的多相流作用通常发生在气液相界面处，因此，气体弥散程度对于相间的反应存在很大影响11-12，因此，有必要从气体运动角度对于气泡行为进行研究。赵定国、佐野正道等人13-14对气泡行为进行了小尺度分析研究后，认为较高压力下气泡的形状更加趋向于正圆形，且气泡数量和气泡密度相应增加，这对于钢液的精炼过程是十分有利的。综合以上分析可知，氩气是RH装置的主要动力来源，喷气孔布置及气体的喷射参数对钢液的循环流动及混匀有重要的影响，为提升某钢厂 180 t RH真空精炼效率，本文建立描述真空室、浸渍管、钢包在内的气液流动三维数学物理模型，通过分析截面含气率、钢液速度、循环流量及均混时间等特征参数，来探索氩气侧吹孔单层布置、双层布置且上下层间距变化时吹气量对钢液循环流量及均混时间的影响规律，为优化氩气侧吹模式及吹气量以改善RH内钢液循环特性提供理论指导。1研究思路及方案RH侧吹气体喷嘴大多采用单层或双层布置方式。张真铭15通过研究发现喷嘴在上下两层交错排列有利于钢液循环效率的提高，韩杰等人16通过研究得出，喷嘴双层布置时，上下层间距大小对循环流量有较大的影响。为探索侧吹气体布置方式及吹气量对循环特性的影响机制，本文以某钢厂180 t RH精炼装置为研究对象，分别建立10根侧吹管单层布置、上下两层交错布置物理模型，喷气孔布置示意图如图1所示，上下层布置间距d分别取0、30、60、90 mm，利用 FLUENT 数值模拟软件计算不同布置方式下的上升管含气率、钢液流速以及钢液环流量随吹气量的变化规律，以得到最有利于RH精炼循环的侧吹布置及吹气量。2数学模型2.1控制方程本文模拟研究不考虑相间化学反应，且氩气和钢液两相分界面明显，因此，多相流控制方程选择VOF模型，该方法对于相界面准确模拟已被大量研究证实17-19。（1）连续性方程在本论文研究中以液相作为主相，气相作为第二相，不考虑两相间的质量传递和化学反应，连续方程为：t(m)+(mm)=0（1）m=1nm=1（2）式中，下标m-相数，m相数-m相的体积分数，m-m相的速度，m/s；m-m相密度，kg/m3。（2）动量方程 t()+()=-p+(+T)+g+F（3）=gg+ll（4）=gg+ll（5）式中，-密度，kg/m3；-速度矢量，m/s；p-压力，Pa；-黏度，Pas；g-重力加速度矢量，m/s2；F-表面张力，N/m3，下标g-气相，l-液相。2.2物理模型及网格划分以某钢厂180 t RH精炼装置为研究对象，真空室直径、高度分别为 2.8、5.125 m，浸渍管直径、高度、浸入深度分别为0.56、1.595、0.45 m，钢包底部直径、上口直径、高度分别为2.8、3.864、4.415 m，喷孔数为10，建立1 1物理模型，用四面体网格和六面体网格共同对模型进行划分，喷嘴入口部位进行网格图1喷气孔布置示意图Fig.1Schematic diagram of injection nozzle layout2第 4 期袁建都等：不同侧吹参数下RH内气液两相循环流动模拟研究加密，网格划分结果如图2所示。以下降管出口流量作为对比参数，选择网格数为60万、95万及125万进行网格的独立性测试，结果如图3所示，可以看出网格数量达95万与125万的计算结果相差不大，因此，考虑到计算效率问题，对网格适当加密后选择网格总数约97万。2.3边界条件及模型验证基于以上物理模型，将侧吹管氩气入口设为质量入口条件，入口处钢液和空气的质量流量及体积分数均设置为0，氩气质量流量根据模拟工况进行换算，体积分数设为1；将真空室顶部设置为压力出口，采用pressure-outlet类型，氩气在钢液表面逸出后通过该边界流出；将模型所有壁面均设置为无滑移边界条件。为了验证数学模型可靠性，本文将模拟计算的下降管出口钢液流量与稳定真空度下循环流量（Q）经验计算公式（6）20进行对比，侧吹气量为80、120、150 Nm/h时，循环流量模拟计算结果与经验公式计算 结 果 分 别 为 246、297、318 kg/s 及 255、300、322 kg/s，误差均在5%之内，说明数学模型计算结果合理可靠。Q=H1/3G1/3D4/3（6）式中：-比例系数，取值为 17.22；H-气体喷吹深度，m；G-驱动气体流量，NL/min；D-插入管内径，m。3分析与讨论基于以上数学物理模型，采用FLUENT模拟软件，模拟计算侧吹管单层布置及上下两层错列布置，间距d分别取0、30、60、90 mm，氩气流量分别为120、130、150 Nm/h十二个工况下的上升管截面含气率、钢液速度以及对应的钢液循环流量，分析喷气孔布置及吹气量变化对循环流量的影响规律。3.1RH内气液两相