张欣利，张文懋，乔通，张世雄，赵定国
( 华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210)
摘要: 高压底吹条件下钢液流动运动行为复杂，采用数值模拟分析了压力、底吹流量、底吹位置及钢液面高度对熔池内钢液流动的影响。模拟结果表明: 高压条件下，随着压力的增加，熔池内的速度分布均匀，梯度减小程度小。钢液的平均速度随底吹流量的增加而增加。随底吹喷孔位置向熔池壁靠近，主循环回路变长。随着熔池液面高度的上升，气液两相区的径向范围变广，速度梯度减小，熔池内死区比例降低; 达到一定高度后，氮气到达熔池液面时速度变小。研究高压底吹条件下钢液的流动行为，对钢包内钢液底吹精炼具有指导意义。
关键词: 高压底吹氮气; 钢液流动; 数值模拟
0 引言
常压下钢包底吹气体的数值模拟和物理模拟已有大量的研究，但对高压条件下钢包内流场的数理模拟较少，高压底吹气体对钢液流场、湍动能等的影响规律还未见定论。
炼钢过程中，喷吹气体搅拌钢液可以均匀成分和温度，加快传质。因此，冶金专家学者对中间包内的流场［1 － 3］、RH 真空精炼过程的流场［4 － 6］、结晶器内的流场［7 － 9］等进行了大量的研究。对钢液流场的研究一般是处于常压和真空状态下的，对高压条件下的流场的研究较少。研究高压条件下流场的变化对高压冶金的发展具有指导意义。
1 研究方案设计
采用Fluent 数值模拟软件对高压底吹氮气时钢液的流场进行模拟，设计选用L9( 34 ) 的正交表进行流场模拟实验，正交实验的因素与水平如表1 所示，模拟条件如图1 所示。
按照设计方案进行正交实验，高压底吹氮气钢液流场影响因素的正交实验设计如表2 所示。
2 模型的建立
对熔池内高压底吹氮流场的数学模拟有以下假设: 高压底吹氮过程中，驱使钢液循环流动的主动力为气泡浮力; 流体设定为不可压缩的粘性流体，钢液密度为常数; 流动为定常流动; 熔池壁面、底面光滑，顶部液面为光滑的自由面; 气泡是大小均匀，具有同一直径的球体; 运动过程中不发生化学反应; 忽略温度对钢液流场的影响。
用Gambit 建立熔池模型，划分网格，如图2( a) 、2( b) 所示，该偏心底吹模型共67 465 个网格，将Gambit 划分的网格导入Fluent 中，按正交实验设计进行运算。底吹喷嘴位于X 轴距熔池中心a mm处，钢液面距离熔池底部b mm。取熔池的3 个主要截面进行分析，分别为x = a 的A 截面，y = 0 的B截面，z = b 的C 截面，如图2( c) 所示。
3 高压底吹钢液流场模拟结果与分析
按表2 方案进行正交模拟实验，得到高压底吹条件下B 截面速度矢量图，如图3 所示。
由图3 可知，高压底吹条件下熔池底吹氮气时，氮气自熔池底喷嘴进入熔池内，带动熔池内钢液向上流动形成上升流股。当气液两相区到达熔池液面时，气液分离，氮气进入熔池上部的高压氮气氛，钢液在惯性力和重力的共同作用下，形成流向熔池壁的表面流。钢液形成的表面流到达熔池壁后，在高压作用和熔池壁的阻挡下转而沿侧壁向熔池底部流动。在气液两相区的卷吸作用下，再次流入气液两相区，形成循环流。此流场形成的主要驱动力是惯性力和气泡浮力，在其驱使下气液两相区的中心速度最大，速度由中心沿径向方向逐渐减小，循环流中心速度接近为零。高压底吹条件下的B 截面速度分布云图，如图4 所示。
由图4 可知，随着底吹速度的增加，气液两相区的上升速度增加，增强了对气液两相区附近钢液的卷吸能力，气液两相区附近同一位置的钢液向上流动的速度增加，使得气液两相区在同一高度的横截面积增加，带动周围钢液上升的范围增加，熔池顶部及底部的钢液速度也明显增大，使得熔池内部整体的速度随之增加，速度分布更均匀，速度梯度减小，有利于氮气对钢液的搅拌和混匀效果，减小死区。同时，瞬时吹入熔池内的氮气泡数量随底吹速度的增加而增加，氮气泡与熔池内钢液的总接触面积增加，有利于熔池内氮气向钢液中传质的效果。
对比图3( c) 和图4( c) 可知，当底吹喷孔位置位于偏心21 mm 时，上升流股很快与熔池壁发生接触，使得大型气液两相区的横截面积减小，靠近熔池壁一侧的小循环流消失。结合图3( a) 、3( b) 、3( c)和图4( a) 、4( b) 、4( c) 可知，随着底吹喷孔位置向熔池壁的偏移，流场中气液两相区远离熔池壁一侧主循环流的回路变长，速度分布均匀，速度梯度减小。由此表明，底吹喷孔位置的偏移，使得小循环流消失，主循环回路变长，有利于氮气对钢液的传质和混匀效果，减小了钢液死区比例。
4 结论
(1) 高压条件下，钢液的平均速度随底吹流量的增加而增加。高压条件下，随底吹喷孔位置向熔池壁靠近，使得小循环流消失，主循环回路变长，有利于钢液的混匀和传质; 过于偏心底吹，气液两相区与熔池壁的碰撞，造成能量损失和熔池壁材料的损耗。
(2) 高压条件下，随着熔池液面高度的上升，气液两相区的径向范围变广，速度梯度减小，熔池内死区比例降低。达到一定高度后，氮气到达熔池液面时速度变小，动能变少。
参考文献
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