关键词：数值模拟；真空精炼；循环流量；浸渍管

中图分类号：TF769．4   文献标识码：A   文章编号：0449—749X(2008)02—0035—06

    近年来，由于市场上对于高品质钢产品的需要，超纯净钢技术开发已经成为一个热点课题，R H多功能真空精炼已成为提高钢液纯净度的一个重要步骤。其主要过程就是利用氩气泡的上浮驱动钢液进行循环流动来实现脱碳、脱气等主要冶金反应^[1~3]，从而达到调节钢液成分、温度的目的，因而，流场的流动形态直接影响到精炼效果。单位时间内通过RH真空室的钢液流量，即循环流量，是反映RH装置处理效率的一个重要指标。因此对RH装置内钢液的循环流动流场的实验研究成为研究RH精炼的重要部分^[4~7]。与此同时，计算机技术的快速发展和数值计算方法的进步使得大规模的数值模拟逐渐成为研究R H装置内钢液流动的重要手段^[8～14]。陈义胜等计算了钢包具有5％倾斜度时钢液的流动情况^[12]，李宝宽计算了多管RH装置下的流场^[13]，并计算了旋转磁场对R H装置内流场的影响^[14]。本文应用均相流模型，对上海宝山钢铁集团公司炼钢厂300t 1号R H设备内钢液的流场进行了计算^[9]，并对R H装置进行了部分改动布置，计算了改动后钢液循环流量的变化情况。

1  数值计算对象及假设条件

1．1  计算对象

    对上海宝山钢铁集团公司(以下简称宝钢)炼钢厂300t1号R H设备内的钢液流场进行了计算。计算模型的相关参数见表1。

    为了考察浸渍管相对于真空室不同位置对于RH流场的影响，如图1所示，对浸渍管与真空室能相对位置进行了一定改动。

1．2模型假设条件

在RH设备中，在气泡的提升、搅拌和真空能抽吸作用下，钢液呈较复杂的湍流流动状态，为建立

数学模型，作以下假设：

    (1)气泡浮力是驱使钢液循环流动的主要驱动力；

    (2)不考虑钢包表面熔渣层的影响，看作自由液面处理^[15]；

    (3)忽略钢包以及真空室液面波动，认为二者水平。

1．3  对两相区的处理

    本文利用空间变密度的均相流模型来模拟气－液两相区结构，两相平均密度ρ按下式计算：

式中，x_i为坐标；u_i为流体速度；р为压强；u₁为钢液的粘性系数；u_t为湍流粘性系数，由k-ε湍流模型确定^[17]；F_j为气泡浮力，F_j＝Pg_j。

2．2  边界条件

    钢包中钢液的自由表面(两个浸渍管以外的区域)以及真空室熔池的自由表面采用对称边界条件，即垂直液面的速度设为零，其它变量沿法线方向的梯度均设为零；对于钢包底部和侧壁边界以及浸渍管管壁和真空室底部壁面的速度、压力及湍动能k、耗散率ε采用无滑移边界条件，与壁面相邻的节点上，平行于壁面的速度分量、足k和ε由壁面函数确定^[17]。

2．3  模型验证

本文利用上述模型在文献_[18]中水模型条件下进行计算，所得流场如图2所示，由图2可知，下降管前后两侧分别有两个对称的较大的涡，上升管下方也有一个较大的环流，这些现象均与文献[18]中的水模型照片相一致，这说明了本模型的正确性。

3  数值计算结果分析及讨论

    图3是对R H原模型计算的流场，氩气吹入上升管后向上运动，钢液在气泡浮力的作用下沿上升管进入真空室，由于下降管的抽吸作用，上升管处的钢液流速明显偏向下降管侧，进入真空室的一部分钢液向远离下降管的方向流动，撞到真空室壁面后再沿真空室壁面流向下降管，形成一个“撞壁环流”，另一部分钢液则呈辐射状流向下降管。钢液在真空室进行剧烈的脱碳和脱气反应，然后在重力的作用下从下降管流人钢包，直接冲击钢包底部。钢液在钢包中形成两个明显的循环回流，一个是下降管与右侧钢包壁间的环流，竖直方向速度较大，另一个是与左侧钢包壁的环流，钢液的横向速度较大，水平流动较剧烈。由于壁面效应，在钢包底部和壁面的结合处，钢液流速较小，不利于钢液成分和温度的混匀，形成死区。比较图3的几个特征横截面，真空室液面上升管处以及钢包底部下降管处的速度较大，存在明显的流场源；真空室底部下降管处和钢包液面上升管处也存在明显的流场汇，真空室下降管处的卷吸作用较明显。整个RH装置前后是对称的，所以流场前后对称。

3．1  在钢包和真空室距离不变的条件下浸渍管插入深度的变化

    在钢包液面和真空室距离不变的情况下选取不同的浸渍管插入深度并计算其流场。图4表明，增大浸渍管插入深度，左侧回流的涡心位置明显下移，右侧下降管钢液流股对钢包底部的冲击加强，有利于钢包死区处成分温度的混合。

图5(a)表明，R H装置中钢液的循环流量随上升管吹气量的增加而增大，并且随着吹气量的增大，钢液的循环流量的增加幅度减缓，这说明存在着一个饱和吹气量值，这与文献[10]的结果相吻合。

    在同一吹气量下，在真空室与钢包液面距离不变的条件下，循环流量随着浸渍管插入深度的增大而减小。影响因素如下：①浸渍管插人深度增加会增大上升管与下降管沿程阻力损失，造成系统阻力损失增大；②插入深度增加，下降管钢液的冲击深度增大，回旋区位置下移，钢包下部钢液流速梯度增大，增大了包底的阻力损失；③上升管插人深度增大，上升管下端的涡心下移，包底钢液流速梯度增大，同样也增大了钢包底部的阻力损失。

    由上可知，增大浸渍管插入深度可以有效的提高钢液的循环流量，提高精炼效率。但当插入管深度较小时，钢包上表面钢液的流速变大，有可能达到卷渣的临界流速，文献[1 9]表明不同种类的保护渣所对应的钢渣卷混临界流速不同，其范围为0．5～0．8 m／s。图6为钢包表面钢液的最大速度随浸渍管插人深度以及吹气量的变化情况，由图可知，钢包表面钢液的最大速度随吹气量的增大而增大，随浸渍管插入深度的增大而减小，钢包表面钢液的最大流速在0．525 m／s与0．825 m／s之间。在实际R H设备的设计中，当真空室与钢包距离确定时，使浸渍管下端尽可能靠近钢包上表面可有效提高循环流量，所以应在钢包表面钢液的最大流速低于对应保护渣型号的钢渣卷混临界速度的前提下合理选择吹气量等参数。

3．2  浸渍管沿垂直其中心连线方向的移动

    浸渍管向上分别移动0．25、0．4 m，即沿如图1所示的“移动方向1”移动。

    对不同偏移距离下的流场进行计算。当浸渍管处于偏心位置时，比较图3(b)、图7(a)可知，从上升管进入真空室后的钢液在不同的流动方向的流速没有明显变化，偏移量对钢液环流量影响较小；由图7可知，随着浸渍管的偏移，在真空室底部的下降管处以及真空室和钢包钢液表面的下降管处存在较大的漩涡。与图3相比，上升管处不存在漩涡，下降管处的漩涡非常明显，这是由于浸渍管处于偏心位置时，破坏了R H装置的对称结构，从上升管进入真空室的钢液在真空室的流动路径前后不对称，钢液流速不再对称，从而在下降管处出现漩涡，上升管则没有受到影响。下降管处的漩涡使得真空室中的湍流流动增强，在进行合金微调和喷粉处理时，可在此处加入合金和粉料，在强烈的漩涡作用下进人钢包内部，可以使合金粉料与钢液充分混合，使其充分反应，增加合金收得率。

3．3  浸渍管间距的变化

    选取不同的浸渍管间距C并计算其流场，即沿图1所示的“移动方向2”移动浸渍管。比较图3(a)、图8(a)，当两管间距较小时，上升管上方与真空室左侧壁面的漩涡变大，从而加快了反应区钢液的流动，增强了真空室内钢液的搅拌作用，有利于气泡破裂和钢液乳化，可以促进脱碳和脱气反应的进行。

    图5(b)表明，钢液环流量随着上升管和下降管中心间距的增大而增大，每增大0．2 m，环流量增大的幅度在5％左右。比较图3(b)、图8(b)，当上升管和下降管间距较大时，真空室内流向壁面形成环流的钢液较少，大部分钢液从上升管进入真空室后都流向下降管；随着上升管和下降管中心间距的减小，从上升管进入真空室的大部分钢液流向真空室左侧壁面的路径增大，进入上升管后以较大的流速直接流向与下降管相反的方向的钢液量增多，钢液环流量有较大幅度的减小。由以上分析可知，增大浸渍管间距可以有效的提高循环流量，但由于真空室内径小于钢包内径，所以浸渍管间的最大间距必须小于真空室内径减去浸渍管内径，即2300mm一500 mm＝1800 mm，考虑到真空室壁厚的影响，浸渍管间距最大间距取值不能大于1700 mm。

4  结论

    (1)在真空室与钢包距离不变的条件下，RH装置钢液的环流量随浸渍管插入深度的增大而减小；插入深度增大，钢包内下降管左侧回流强度增大，有利于钢液成分与温度的混匀。

    (2)在实际R H设备的设计中，当真空室与钢包距离确定时，在不发生钢渣卷混的前提下，尽量减小浸渍管插入深度可提高钢液循环流量。

    (3)浸渍管沿垂直其中心连线方向移动对钢液环流量没有明显影响，并且在真空室底部下降管处及真空室和钢包液面的下降管处存在较大的漩涡。

    (4)浸渍管中心间距增大，R H装置内钢液的循环流量增大，并且下降管左侧回流强度增大，有利于钢液成分与温度的混匀；两管间距较小时，真空室左侧壁面的回流增大，可以促进真空室内脱碳和脱气反应的进行。