1　引言

　 铁水预处理即铁水炼钢前进行脱硫、脱硅和脱磷处理。随着世界经济的发展，对钢铁产品质量要求越来越高，铁水预处理技术己成为现代钢铁生产的流程水平与钢铁产品高质量水平的标志。但到目前为止，国内外铁水预处理工艺在实际生产中的实现与应用存在各种各样的问题，效果不十分理想。研究和开发脱硫、脱硅和脱磷效率高的铁水连续预处理技术，完善和优化钢铁生产工艺流程，对钢铁工业的发展有重要意义，也一直是冶金工作者的重要研究课题之一。

　 最近日本研究学者提出了一种新的铁水预处理技术思路(见图1)，利用出铁口的高度所具有的重力势能来使铁水与反应剂进行良好的混合，迅速达到预处理效果，同时实现脱硫、脱硅和脱磷多步工艺的连续化。该工艺具有处理过程紧凑、处理时间短、铁水温降相对较小等特点。该思路自提出后受到广泛的重视。

图1 铁水连续预处理工艺流程

　 实现高效的铁水预处理技术，反应器的设计至关重要。文献提出实现上述工艺的反应器的物理模型，进而针对其内的两相流动建立了数学模型，采用数值模拟的方法研究了涡流反应器内的铁水、反应剂的两相流动特征，详细揭示了反应器内各部分的流场信息及反应剂的运动经历，并通过对比计算对反应器的各个几何参数进行了优化研究。本文在文献的基础上，采用所得的最佳几何参数，对颗粒喷入位置、喷入速度、铁水流速、铁水流量等运行参数对反应器内两相流动、混合的影响进行了详细的研究，为铁水连续预处理工艺所需反应器的优化设计及工艺过程的研究与实现打下了基础。

2物理模型

　 实现图1所示的工艺的关键在于反应器的优化设计，由图1可看出，连续脱硫、脱硅和脱磷工艺各步所用的反应器的都是同漏斗形混合加料反应器1和池状反应器2两部分组成，如图2所示。为指导反应器的优化设计，本研究对反应器1内的两相流动进行了数值模拟。图2( a)为物理模型断面图，图2( b)为反应器1的侧视图，图2(c)为反应器1的俯视图。根据文献的介绍，本文选用的基木工况参数如表1所示。

图2 反应器简图

　

表1 基本工况参数

漏斗几何参数		运行参数
项目	基本工况	项目	基本工况
人口截面积/m2	0.0067	流量/ (m3·s-1)	0.02374
d1/m	1.0	入口流速/(m·s-1)	3.544
d2/m	0.2	颗粒密度/(㎏/m-3)	3000
d3/m	0.4	铁水携粉量/(㎏/t-1)	＜20
h1/m	0.3	颗粒直径/μ	40
h2/m	0.6
h3/m	0.1
h4/m	1.0

　

3数学模型与计算方法

　 铁水的预处理主要包括脱硫、脱硅和脱磷三部分内容。这三部分都属于复杂的多相的流动、传热及化学反应过程。在该过程中.固体粉末如CaO粉、Fe₂O₃粉等喷射到高温的铁水中，边流动、边混合同时又发生化学反应产生热量和质量的交换最终实现脱硫、脱硅和脱磷的目的。

　 显然对上述这样一个复杂过程进行完整的数学描述是非常困难的，必须对其进行合理的简化。通过对该过程主要特点的分析，并结合前期研究工作的经验，特提出如下假设条件:

　 (1)铁水近似按牛顿流体处理，即计算中将其黏度按常数处理。

　 (2)初始状态下，硫、硅和磷等主要组分在铁水中是均匀分布的。

　 (3)熔融的铁渣既不挥发也不溶于钢水。

　 相应地，对于连续相的铁水，在欧拉坐标下研究其流动、传热及化学反应规律，湍流模型采用k-ε双方程模型，对于固体粉末离散相，在拉格朗日坐标下研究其运动、传热及反应规律。流场计算采用STM-PLER算法，对流项离散化采用上风格式，扩散项的离散化采用中心差分格式，代数方程的求解采用Guns Seidle迭代法。颗粒相的控制方程是一组常微分方程，采用G i1 l算法。

4计算结果与分析

4.1颗粒喷入位置对反应器内两相流动的影响

图3 改变克里喷入位置计算结果

　 图3( a)一(c.)为改变颗粒喷入位置所得的计算结果，颗粒的投放位置分别在反应器上方r>0.35m(0. 7R)、r:=0. 3m(0.6R)、r=0.2m(0.4R)，其中r为颗粒喷入位置处的半径，R为漏斗的上部半径。计算时每个颗粒跟踪时间为300s。

　 计算结果表明，由于铁水切向流入反应器内,带入涡通量为Г=2πr· V_θ(V_θ为铁水的切向速度)，铁水边旋转边向下流动，漏斗反应器中心形成一负压的涡核区。当颗粒投放位置在涡核区以外时(r>0. 7 R)，如图3（a）所示,在计算时间内.颗粒主要受离心惯性力影响,始终浮在铁水表面。而当颗粒投放在涡核区以内时,如图3 ( b) , ( c)所示.离心惯性力很小,在负压的作用下迅速被抽吸，边旋转边向下流动。综上所述:对于本文所计算的工况，颗粒喷入位置应控制在r=0. 6 R范围内为宜。

4.2颗粒投放速度的影响

　 图4( a)一(d)为改变颗粒喷入速度所得计算结果。为更清楚地揭示颗粒喷入速度的影响.本文采用的两组几何尺寸分别进行了对比计算。

图4 改变颗粒喷入速度计算结果

　 图4（a）（b）采用的几何尺寸为:h₁= 0.lrn(h₁=0.1 H)、h₂=0.5 m、h₃=0.1 m、h₄= 1.3m,d₁=1. 0m、d₂= 0.lm、d₃= 0.4m.铁水流量为10t/ min.喷粉量为2kg/ t。如图4( a)所示.喷粉速度为2m/s时，仅有极少量颗粒随铁水下降;增大喷粉速度到20m/ s (图4(b))颗粒下降数略有增加，但效果不明显。

　 若采用h₁= 0.3m(h₁= (1/3)H)、h₂= 0.5m、h₃=0.1 m、h₄= 1.lm,　 d₁=1.0m、d₂= 0.lm , d₃=0. 4m，铁水流量为10t/ min.喷粉量为20kg/ t.如图4( c) ,( d)所示喷粉速度分别为2m/s和20m/ s时,颗粒均都能下降，速度小时颗粒弥散略好些，但相差不明显。

　 总结上述两组计算结果可看出:较大地增大颗粒喷入速度，携粉量略有增加，但效果不明显。颗粒在流场中的停留时间及运动经历无明显变化，因而颗粒投放速度对两相流动混合的影响很小。

4.3铁水流速的影响

　 图5( a)一(d)为改变铁水入流速度所得计算结果。计算中同样采用两组几何尺寸分别进行了对比计算。

　 图5(a) ,(b)为h₁=0. 1 H时改变铁水流速所得计算结果，若采用h₁= 0.lm(h₁= 0.1H)、h₂=0. 5 m、h₃=0.1 m、h₄=1.3m , d₁=1.0m、d₂=0.1 m、d₃=0.4m, 铁水流量为10t/ min, 喷粉量为2㎏/t，铁水流速小于10m/ s时，仅有极少量颗粒随铁水下降;增大铁水流速到10.632m/ s，颗粒全部一降，且弥散好。

　 图5 ( c)、(d)为h₁=(1/ 3) H时.改变铁水流速计算结果。计算中采用几何尺寸为: h₁ = 0. 3m(h₁ =(1/ 3) H)、h₂=0.5m、h₃=0.1 m、h₄=1.lm. d₁=1.0m、d₂= 0.lm、d₃= 0.4m,当铁水流量为10t/ min、喷粉量20kg/ t、铁水流速分别为3.544m/ s和10m/ s时颗粒均都能下降，且速度越大、弥散更好。

图5 改变铁水流速计算结果

　 上述计算表明，铁水的速度对两相流动混合的影响较大。较大地增大铁水流入速度(流量不变)，铁水携粉量明显增加，且颗粒弥散好。

4.4流量范围研究

　 采用表1所示的几何参数，我们对其适用流量范围进行了研究。图6( a)一(c)所示为改变铁水流量所得计算结果，如图6 ( a)所示，当铁水流量为30t/ min，反应器相对过小，出现溢流，部分颗粒可能随铁水溢出，在计算时间内始终不下降;当铁水流量为5~25t/ min，如图6( b)所示，反应器内能形成稳定的两相流场，喷粉量不大于20kg/t，所有的颗粒能被铁水卷吸混合，在反应器内反应;而当铁水流量小于5t/min时(图6(c))，铁水流量相对过小，反应器相对过大，也不能形成稳定的两相流场。

图6 改变铁水流量计算结果

　 由上述对比计算与分析可得出，采用表1所示的几何参数，适用的流量范围为5～25t/ min 。

5结论

　 由上述计算结果与分析，对于本文的计算工况，可以得出以下几点结论:

　 (1)漏斗形反应器1内的两相流动过程可以描述为:铁水切向流入漏斗形反应器，边旋转边向下流动，形成旋涡流动，固体颗粒从上方喷入，被旋涡中心卷吸，与铁水一起向下流动。

　 (2)铁水边旋转边向下流动，漏斗反应器中心形成一负压的涡核区，颗粒喷入位置应控制在涡核区内为宜。

　 (3)较大地增大颗粒喷入速度，携粉量略有增加，但效果不明显，颗粒在流场中的停留时间及运动经历无明显变化，因而颗粒投放速度对两相流动混合的影响很小。

　 (4)较大地增大铁水流入速度(流量不变)，铁水携粉量明显增加，且颗粒弥散好，铁水的速度对两相流动混合的影响较大。

　 (5)本文计算的反应器适用的铁水流量范围为5～25t/ min。