2010年8月
过程工程学报
The Chinese Journal of Process Engineering
氧气射流作用下的电弧炉熔池两相流数值模拟
王广连"，朱荣，何春来1
(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2.山东葉芜钢铁集团，山东菜芜271104)
VoL10 No.4 Aug.2010
摘要：建立了单氧枪供氧强度为3000m"/h时炉壁氧气射流冲击电弧炉熔池的三维两相流数值模型。流体动力学数值模拟结果表明，在超音速射流作用下，熔池中形成的涡流促进了钢液循环流动，涡流中心位置处于液面下0.3m、距熔池中心1.6m处，位于氧枪轴线上、涡流中心以下的钢减流的速度呈分段线性分布，坚竖直方向每降低1cm，熔池中下部的钢液速度降低0.0015~0.002m/s，靠近炉底的钢液速度降低0.006~0.007m/s.熔池表层钢液直接受射流的冲击作用，在喷吹初期钢液速度即可达0.1~0.5m/s，之后基本不变；熔池中下部和偏心炉底区钢液速度最低，速度随喷吹时间增加而增加
关键词：电弧炉；氧气射流：两相流；数值模拟
中图分类号：TF741 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2010)040625-07
控制体中的变量和参数利用各相体积分数通过体
喷射技术在冶金行业应用广泛，近年来强化供氧技术在电弧炉炼钢流程中得到推广使用[I-]，使超音速气体射流对熔融钢液的作用更受关注.对射流与熔池作用的研究主要包括水力模型和数值模型实验方法水力模型[5.6]是研究两相流作用的主要传统方法，由于受测试手段限制，不能准确描述熔池速度场等物理量。随着计算流体力学的发展，数值模拟技术在冶金研究中得到越来越多的应用。对超音速射流的研究主要包括对顶吹转炉熔池的两相流研究[7-10]及射流流经氧枪后超音速段长度的研究[11,12]，但目前还未见对电弧炉炉壁超音速侧吹氧枪对熔池的作用进行研究
本研究利用计算流体力学软件Fluent6.3，以某150 t电弧炉实际炉型尺寸和生产数据为背景，研究了电弧炉熔池在炉壁侧吹氧枪作用下的流场分布及其随射流冲击时间的变化情况，
2数值模型 2
数值模型建立过程中，不考虑电极电弧和渣层对熔池的影响：氧气射流、钢液看作是牛顿流体，其中氧气为可压缩流体，钢液为不可压缩流体，且二者不可渗透混合：壁面为光滑壁面，并采用标准壁面函数
为研究两相流中钢液的动态特性，模型使用了VOF 函数.VOF函数中每一相都有各自的体积分数α，在模型的任意一个计算区域内，氧气和钢液的体积分数之和为1，即
Ageer+ags1
(1)
收稿日期：20100428，修图日期：201007-02
基金项目：国家十一五科技支撑计划基金资助项目(编号：2008AF33B01)
积平均的方式计算得到，如密度p的计算公式为
-mgtap+g/p=d
其他的物理属性也通过这种方式求得，
VOF函数中的连续性方程如下所示： Ta
(α,P)+V·(a,P)=S, eLa
(2)(3)
动量方程如下，其中的密度等属性为体积平均值：
e
(p))+V·(pw)=Vp+V·[μ(V+V")+pg. ar
(4)
流模型以标准k-ε方程表示，漏流动能k和渊流耗散率ε通过下面两式得到：
+ ar
a(pt)aplu）
&
a
aJa
+G +G,pe
(5)
+ a
2
ape)apau)_a
(6)
At
+C=(G +GG)-Cep
a,
oJa
a
&
k
电弧炉尺寸及相关参数参照某150t电弧炉，为简化模型，对电弧炉形状，如炉门和偏心炉底等作了简化电弧炉的炉型及氧枪尺寸如表1所示，表2是模型中使用的氧气及钢液的物理性质，图1是电弧炉的熔池形状及网格划分，
初始条件下，熔池未受氧气射流冲击。氧枪入口采
用压力入口，压力为1.1MPa，护项出口压力为微正压， 3000Pa.
090961 万方数据