第11卷第6期 2011年12月
过程工程学报
The Chinese Joumal of Process Engincering
顶底复吹转炉内气液两相流行为的数值模拟
娄文涛"，李勇1，朱苗勇！
(1.东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110819：2.抚顺新钢铁有限责任公司，辽宁抚顺113001)
Vol.11 No.6 Dec.2011
摘要：利用可压缩模型描述了四孔喷头顶吹超音速射流行为，并与前人实测结果对比验证了模拟结果，通过耦合 VOF和Lagrange模型对纯顶吹、顶底复吹炼转炉内熔池运动进行描述，并对炉底喷嘴数量、布置进行优化，结果表明，在纯顶吹条件下，熔池的混均时间为523s，炉底区域钢液流动微弱。加入底吹氢气后，底部钢液速度增大，熔池混均时间为99s.炉底采用3个喷嘴的熔池混合效率要好于2个或4个的情况底吹喷嘴距离炉底轴心在0.3D-0.4D 区间内最佳，且应偏近于0.4D区域
关键词：顶底复吹：转炉；两相流：混均时间：数值模拟
中图分类号：TF729 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2011)06-0926-07
优化.Odenthal等18对顶底复吹下转炉熔池内的运动进行数学模拟，并分别描述了熔池喷溉现象以及纯底吹下
转炉氧气炼钢工艺过程极其复杂，涉及到顶吹的超音速射流，底吹的鼓泡流，熔池内金属液和渣层流动等，自20世纪60年代以来国内外学者对氧气顶吹、底吹、复吹转炉内与熔池运动相关的诸多现象给予了高度关注.在数学模拟方面，Szekely等首次提出了项吹气体射流冲击下熔池流场的数学模型，其中把凹陷面处理为圆锥面边界条件，滤流模型采用k-1单方程模型，杜削璨等[2]，张家芸等[3]对该模型进一步改进，采用双方程流模型，并应用在顶底复吹转炉研究。但早期由于计算机硬件限制，对实际流动状态进行了大量简化，并需要结合水模型实验测定相关参数，如顶吹射流凹坑参数，底吹气含率分布等
随着计算机技术的发展以及多相流数学模型的完善，文献[4~6]采用VOF多相流模型描述了单孔顶吹熔池内气液两相流的运动；Ersson等[5.6]描述了顶吹气流在不同冲击速度下的水模型液面形态，其气流冲击速度 52~133m/s，模拟结果与实验结果吻合良好
以上模拟研究大都是针对在水模型实验中单孔氧枪，低速射流下的纯顶吹流动情况，但目前在实际氧气转炉吹炼过程中，氧枪多为多孔拉瓦尔喷头，且顶吹气流为超音速射流，其流体可压性对射流速度衰减行为有很大影响.而大都文献没有考虑超音速气流的可压缩性，把氧枪出口射流密度视为常数
对于炼钢转炉复合吹炼的数学模拟仅有少量文献报道[7.]，Singh等17]在对BOF顶底复吹转炉内熔池运动进行描述时，忽略项吹射流对熔池流动及液面形态的影响，采用DPM离散型模型对BOF的底吹元件布置进行
的混均时间，但未对复吹转炉的混和效率进行描述
另外复吹转炉底部底吹元件数量及布置对熔池冶
复吹转炉的混均时间随着底吹元件数量的增加而减小；而Luomama等[9)则认为在55t转炉中，在炉底布置3 个底吹元件要好于4个或5个底吹元件.同时对于底吹元件在炉底布置影响也是有不同见解的[7.12,13],
本工作以45t顶底复吹转炉为研究对象，利用CFD 建立描述复合吹炼熔池运动方程，采用超音速可压缩方程描述顶吹超音速射流，并耦合VOF模型及DPM模型来分别描述顶吹射流冲击液体所形成的液面凹坑，及底吹气流对熔池搅拌作用.并通过研究项底复吹的混合效率进行优化控制
氧枪及转炉几何模型描述
图1为四孔拉瓦尔氧枪喷头以及40t转炉的的网格划分示意图，其中氧枪轴线与喷孔轴线的夹角为12°，喉口直径为26mm，口长度4mm，喷头出口直径为 33.8m.转炉炉膛直径为3262mm，炉底直径为2482 mm，熔池底部到计算区域出口的高度为2200mm.在 40t转炉冶炼中，一次装入转炉的钢水约为47t，换算出溶液的液面高度约为980mm.因在氧枪喷头下方区域内的氧气射流衰减很快，速度梯度很大，为了更精确
的反映该处的流场信息，特在该区域增大网格密度 3数学模型描述
为便于建立数学模型，假设钢液物性参数不变，不
收稿日期：2011-08-19，修回日期：2011-10-21
作者第介：要文涛(1984-)，男，河南省安阴县人，博士研究生，主要研究方向为钢铁冶金等，宋菌勇，通讯联系人，E-mail:myzhu@mail.seu.edu.cn 万方数据