摘要：模拟研究了偏心底吹氩钢包内钢液流场，并分析了该流场的主要特点。结果表明在偏心底吹氩钢包中，钢液形成一个三维流动体系，纵向形成了以沿气液均相区、钢液表面、包壁、包底为轨迹的大循环流场，横向形成了以喷嘴所在直径为轴的一个对称循环流场。在吹气量一定的情况下，底吹喷嘴位置对流场有较大影响。

关键词：钢包；偏心底吹氩；三维流场；循环回流

      钢包吹氩技术迅速普及应用到炼钢生产过程中，主要目的是通过吹氩促使钢液流动排除钢液中的夹杂物以及钢液的混合和温度的均匀化。对此过程的研究自20世纪70年代以来已经成为冶金学领域十分重要的研究方向之一。钢包吹氩技术以及与吹氩有关的钢液精炼，既是一种有效的、广泛应用的炉外精炼工艺，又是一种动量、热量和质量在强烈搅拌下耦合传递的十分典型、适合进行数学模拟的冶金过程。文中针对天津钢铁有限公司100 t偏心底吹氩钢包内钢液流动状况进行了数学模拟。

1模拟计算条件

    模拟天津钢铁有限公司100 t偏心底吹氩钢包钢包内形采用倒圆台型，主要物理参数如表1所示。保持底吹氩气量不变，对喷嘴位于距离钢包底部中心(1／3)R、(1／2)R、(2／3)R处分别进行模拟。

2控制方程

吹氩钢包内的传输过程可以用一组偏微分方程来描述，有连续方程、纳维尔一斯托克斯方程和湍流模型晒。在直角坐标下，钢液作为稳定不可压缩流的流动可用下列方程表示。

  (1)连续性方程

 x方向:

(2)动量方程

模型中各常数的取值如表2所示。

  式中的α为气液两相区的含气率，由实验关系确定；μeff为有效粘度系数，由k一ε方程确定，其方程如下。

3流场计算

3．1  计算网格的划分

  对于圆台型吹氩钢包内三维传输过程的数学模拟，由于采用偏心底吹，如果使用圆柱坐标体系，中心轴线(r=0)所产生的奇异性问题将不容易处理，因此采用适体坐标划分网格。

  在适体坐标下，使用multi—block的方法，将吹氩钢包分成5个分区，如图1所示，分别划分这5个区为20×20×25的网格，然后再将五分区的网格连接，得到如图2所示的整体网格。

3．2边界条件

  边界条件包括气液均相区域、钢液表面、壁面。

  (1)气液均相区域

  由于第1分区位于吹气孔的正上方，故处理成密度均匀的气液均相区，如图3所示，密度可由下式确定：

   ρ=αρ_g+(1-α)ρ_l   (7)

  式中，α为两相区的气体分率，可由经验模型确定。并假设在此区域内只有垂直方向的速度，设u和v为零。

    (2)钢液表面

    在钢液表面，液体直接与气相接触，表面切应力很小，可以忽略不计。平行于钢液表面的速度分量和其他标量(如k，ε，p，C等)的梯度均设为零，垂直于钢液表面的速度分量(或动量)设为零。

    (3)固体壁面

    在固体壁面上，对速度、压力和浓度可使用无滑移边界条件(即设为零)或滑移边界条件，对k和ε设为零。

3．3  计算软件及方法

    使用PHOENICS软件进行流场计算，湍流模型选择KEMODL，计算方法选择SCALAR-E-QUATION METHOD，计算次数设为200次。PHOENICS是一种以SIMPLE算法为基础并带有图像处理功能的CFD计算软件，可广泛用于在化工冶金过程中的仿真分析。

4计算结果及讨论

    通过计算得到了偏心吹氩情况下钢包中钢液的速度分布，当吹气量为500L／min时，喷嘴位于距离钢包底部中心(1／3)R、(1／2)R、(2／3)R处时流场分布如图4所示。

    采用偏心底吹的情况下，氩气由喷嘴喷人钢液后，分散为大量尺寸不同的气泡，气泡上浮驱动钢液流动。由于吹气孔上方的气液两相流的作用，使得中心区域的钢液形成向上流动，当上升流股到达钢液表面时，气体从表面溢出，钢液形成由以两相区为中心向四周的扩展流。钢液形成一个三维流动体系，包内存在纵向和横向的回旋流动。

    由于是偏心底吹，喷嘴与两侧包壁距离不相等，造成两侧钢液纵向流动状况不对称。以喷嘴所在位置为界，将钢包内钢液分为近壁端(图4喷嘴左侧)和远壁端(图4喷嘴右侧)。远壁端钢液具有明显的循环运动特征。钢液流动至表面后部分向右扩散，运动至包壁后，沿包壁向下运动，运动至包底后沿包底向均相区流动，在继续流动至气液均相区时，被强大的向上流股卷吸，运动方向又变为向上，这样就形成了一个较大的循环回流}区，该回流中心大致位于距包底(2／3)H处。近壁端的钢液流动则在喷嘴位置不同的情况下有不同的表现，比较三种计算结果可知，当喷嘴位于距底部中心(1／3)R处，由于喷嘴距离近侧包壁尚有足够的空间，也形成了循环回流。随着喷嘴位置的朝近壁侧移动，近壁侧回流将逐渐变小并趋于消失，当喷嘴位于距底部中心(2／3)R处时，仅存在靠近角落的钢液表面和钢包底部处分别形成的很小的回流区。这是因为，钢液流动至钢液表面后，部分钢液沿水平表面向近壁侧继续扩散，经过了包壁阻挡后，运动方向变成沿包壁向下。由于本区域距离吹气孔较近，这一区域的钢液还受到较为明显的浮力有向上运动趋势，两种相反的运动包壁附近相遇，于是纵向流动消失，产生了横向流动。钢液横向流动在钢包内形成了以喷嘴所在直径为轴的一个对称循环流场，流股的线路比较清晰。由气液均相区流向近壁侧，至包壁后沿包壁向远壁侧继续运动，至远壁后产生向均相区的回流。

    钢包底吹氩的目的在于通过吹氩促使钢液流动排除钢液中的夹杂物以及钢液的混合和温度的均匀化。由以上计算结果可知，将喷嘴设计位于离中心越远，产生的混合效果越好，整个钢包内的钢液形成一个大的循环回流，非常有利于钢液的混合均匀和夹杂物的去除。进一步考察喷嘴位于距中心(2／3)R处钢液的流动，其各个截面的流场分布如图5所示。

        目前的实际操作中，多数炼钢车间采用偏心底吹氩，但也有少数车间，采用的是中心底吹氩。文献对中心底吹氩钢包内钢液流场进行了数学模拟，得到了这样的结果：中心底吹氩时钢液在气液均相区两侧形成一个对称流场，钢液由均相区向四周的表面水平扩展流速度较大，整个流场相对较为活跃；中心底吹氩得到的流场以纵向流动为主，横向流动基本不存在。将文中得到的结果与其比较，可以发现偏心吹氩工艺的优势和劣势。喷嘴位置的不同，产生了不同的流场，中心底吹氩产生的表面水平流相对更大，这使得夹杂物浮于表面的时间相对更短，有的夹杂物来不及被吸附就又被流体重新卷入熔体之中，不利于夹杂物的排除；偏心底吹即产生纵向流动，又有横向流动，更有利于钢液的混合均匀，而且喷嘴位置距离中心越远，喷吹效果越好。但是，偏心底吹使活跃的气液两相区距离包壁更近，这将加速钢包材料的损耗，喷嘴距离包壁越近，对材料的损耗越严重。此外，吹气量的大小对吹气效果以及钢包损耗也有很大的关系。因此选择合适的偏心位置以及吹气量获得最佳吹气效果而又对钢包损耗最小是进行钢包吹氩技术研究的主要目的，应该将实型实验与数学模拟相结合，再根据各炼钢车间的实际情况，获取最佳的偏心位置以及吹气量，从而获得最佳的炉外精炼质量。

5结  论

    偏心底吹钢包中，钢液形成一个三维流动体系，纵向形成了以沿气液均相区、钢液表面、包壁、包底为轨迹的循环回流区，横向形成了以喷嘴所在直径为轴的一个对称循环流场。喷嘴位置越远离中心，越有利于夹杂物去除，钢液混合均匀，但容易缩短钢包使用寿命。