熔池搅拌区研究

引言

在RH精炼过程中，大包液面是否稳定、是否会发生卷渣对精炼效率有一定的影响，熔池的弱搅拌区大小及位置对整个RH熔池的混匀及加入合金的利用率有很大影响，到目前为止，很多研究者采用数值模拟和物理模拟的方法分析RH高温熔池内的物理行为［1－10］，获得了大量的改善熔池混匀与搅拌、提高升温速率等方面的数据和规律。但这些研究基本上只大致确定了包内弱搅拌区(死区)的位置，并没有系统的指出影响死区特性的因素。笔者采用数值模拟的方法，分析得出其弱搅拌区的位置，并且分析了吹气量、浸渍管内径、浸渍管插入深度、真空度等因素对弱搅拌区的影响。

1数学模型

1．1物理模型以某钢铁厂170tRH设备为原型，钢包内径底部2834mm，包口3192mm;RH上升管、下降管长度均为1600mm;真空室内径为1910mm;上升管吹氩孔为12孔双层分布，上层6孔呈60°分布，下层6孔同样呈60°分布，上下层孔交错30°，层间距150mm。其余参数见表1。

1．2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。

1．3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(大气压);2)真空室出口为压力出口，具体数值参照表1;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，吹氩流量参照表1;4)壁面边界采用标准壁面函数。

1．4控制方程RH装置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，笔者采用欧拉模型对气液两相区进行处理。

1．5模型的初始化该模型初始化时钢液全部处于大包中，真空室无钢液。分离求解器采用SIMPLE算法，松弛因子系数设置如表2所示。2RH熔池流场弱搅拌区分布及特点分析该模型计算吹气量Q=100m3/h，浸渍管内径D=550mm，插入深度H=500mm，真空度P=1000Pa时的熔池流场如图1所示，从图1中可以看出，整个RH装置熔池内，真空室内与大包浸渍管底端以下的区域混合程度很好。大包熔池上部浸渍管管壁与大包壁之间的区域内钢水几乎处于静止状态。对图1中上部浸渍管管壁外的区域进行放大(如图2所示)。从图2中可以看出上升管左侧及左下侧的部分区域、两浸渍管之间及以下部分区域和下降管右侧及右下侧部分区域内的流体速度小于0．05m/s，远远小于熔池内其他流体的速度(0．1～1．3m/s)，为了便于分析比较，将熔池内流体速度小于0．05m/s的区域定义为弱搅拌区，将上述3个区域分别定义为1区、2区和3区(如图3所示)。1区由于上升管对大包内钢液的抽吸作用，大部分钢液迂回流向上升管，但一小部分钢液由于上升管管壁的阻挡作用沿着浸渍管管壁外侧继续上升到液面处，而后向下降管方向流动。而2区在上升管的抽吸作用与下降主流股的粘滞共同作用下，流动状态没有1区那么明显，且速度比1区小。大包内下降主流股对其他钢液的粘滞作用仅限于其周围的液体，而处于3区域内的钢液由于距离下降主流股远，下降主流股对其区域内的钢液粘滞作用大大减弱，区域内钢液几乎处于静止状态。5为RH水模实验中，待流场稳定后在大包熔池液面均匀地撒上一层纸屑，20min后液面纸屑的漂浮情况，从图5可以看出1区区域内纸屑最少，3区最多，

2区区域内的纸屑处于两者之间，证实了在这3个区域内1区波动相对较强，2区次之，3区最弱。图4为水模实验中，使苯甲酸溶解于某机油中达到饱和状态，然后分别在大包口加油和真空内加油下测量大包内水的pH值变化，经过处理得到在这两种情况下苯甲酸在油水之间的容量传质系数。从图4中可以明显看出从大包口加油时的容量传质系数很小且几乎不随吹气量的变化而变化，是真空室内加油时容量传质系数的1/130～1/60，验证了大包内浸渍管外与包壁之间的区域为弱搅拌区。图

2．1弱搅拌区随吹气量的变化利用该模型计算了不同吹气量下熔池流体流动状况，其中1区、2区、3区内流体速度大小如图6、7、8所示。随着吹气量的增大，下降主流股流速的增加和上升管对钢包的抽吸作用增强，1区、3区内速度增加，区域迅速减小到与上升管底端相平;2区区域在72m3/h时区域很小，几乎与浸渍管下端相平，在100m3/h时在两浸渍管下端有一狭长的弱搅拌区，随着吹气量的进一步增大，2区又减小到浸渍管底端以上。出现这种现象的原因如下:在吹气量较小时(72m3/h)，两浸渍管与大包之间的主循环区小，对两浸渍管中下方的流体影响较大;随着吹气量的增大(100m3/h)，主循环区逐渐增大，大部分钢液沿着大包左侧的包壁上升进入上升管，在两浸渍管中下方的地方就出现了一狭长的弱搅拌区;随着吹气量增大(120m3/h)时，主循环区进一步增大，上升管对大包的抽吸作用加强，两浸渍管中下方的流体速度增大，弱搅拌区迅速减小。

2．2弱搅拌区随浸渍管内径的变化利用该模型计算了不同浸渍管内径下熔池流体流动状况，其中1区、2区、3区内流体速度大小如图9、10、11、12所示。浸渍管内径增大，上升管左侧与包壁、两浸渍管之间、下降管右侧与包壁之间的区域变小。1区内速度增加，浸渍管底端以下的弱搅拌区区域向浸渍管底端靠近;2区区域在内径为450mm时较小，随着浸渍管内径的增大，在两浸渍管中下方有一狭长的弱搅拌区。这是因为浸渍管内径增大，从下降管内流入大包和大包进入上升管内的流体增多，但流速降低，对两浸渍管中下方的流体影响减弱，导致速度降低很快，形成一狭长的弱搅拌区;3区内流体速度略有增加，区域向下降管底端缓慢靠近。

2．3弱搅拌区随浸渍管插入深度的变化利用该模型计算了不同浸渍管插入深度下熔池流体流动状况，其中1区、2区、3区内流体速度大小如图13、14、15、16所示。插入深度增加，下降主流股速度增加，对包内浸渍管底端端部以下的搅拌作用增强，3个弱搅拌区在浸渍管底端端部以下的部分迅速减小，向浸渍管底端靠近。但是随着插入深度的增加，浸渍管外壁与包壁之间的区域增加。由于浸渍管外壁与包壁之间增加的弱搅拌区区域要大于处于浸渍管端部以下减小的弱搅拌区区域，对于整个熔池来说，弱搅拌区区域是增加的。此外，随着浸渍管插入深度的增大，大包熔池液面处的流体速度变小，液面趋于平稳。

2．4真空度对弱搅拌区的影响利用该模型研究了不同真空度下的熔池流体流动状况，图17、18、19分别为真空度10kPa、1kPa、67Pa时弱搅拌区的速度大小。从图中可以看出随着真空度的提高，1区内速度略有增加，区域变化不大;2区区域向浸渍管底端靠近;3区区域速度略有增加，区域略微减小。这是因为随着真空度的提高，下降主流股速度增加不大(真空度从10kPa提高到67Pa，循环流通量增加了10t/min)，上升管对钢包的抽吸作用增强少许，因此导致了了3个弱搅拌区的变化较弱。

3结论

1)数模和水模实验表明，大包内浸渍管外与包壁之间存在3个弱搅拌区。2)吹气量、浸渍管内径和插入深度、真空度对3个弱搅拌区的影响如下:吹气量增大，1区、3区区域迅速减小;2区区域在72m3/h时区域很小，几乎与浸渍管下端相平，在100m3/h时在两浸渍管底端以下出现一狭长的弱搅拌区，随着吹气量的进一步增大，2区区域又减小到浸渍管底端以上;增大浸渍管内径，1区、3区区域减小，2区在两浸渍管中下方出现了一狭长的弱搅拌区;浸渍管插入深度增加，3个弱搅拌区增大，熔池液面处速度降低，趋于平稳;提高真空度，3个弱搅拌区略有减小。在降低弱搅拌区的几个因素中，吹气量影响最大，浸渍管内径次之，真空度最小。3)在实际生产中，为了提高RH的精炼效率，降低其混匀时间，可以通过提高吹气量(大于100m3/h)、增大浸渍管内径、提高真空度减小大包内的弱搅拌区来实现。