底吹氩钢包内钢液流动和混合数值模拟的应用

　　钢包底吹氩搅拌技术能够有效的均匀钢液温度和成分，去除有害气体和夹杂物。但在实际生产操作中，却存在一些问题：均匀钢液成分和温度所需时间长，钢液裸露面积过大，卷渣和去除夹杂效果不佳等。为此，考虑钢包底部喷嘴位置、喷吹流量对流场的影响非常必要。数值模拟是常见的流场研究方法之一，本工作结合实际条件，以计算流体力学软件FLUENT界面为基础，运用编制用户自定义函数的方法对钢包流场进行了数值模拟。经过实践检验，底吹氩工艺参数合理有效，实现良好的冶金效果。

　　1 现场条件

　　1.1 钢包主要参数

　　某厂LF的100 t钢包，在透气砖上方的渣线工作层区域和包底迎钢区的高度分别比相应的面增加50 mm，随着钢液的侵蚀，钢包内衬达到均匀同步，钢液可作为圆台体处理。钢包安装1块透气砖，位置在距圆心的2/3 R处。由于技改扩容，实际盛钢量为110 t左右，钢液上部和下部直径分别为2 650 mm和2 530 mm，高度2 900 mm。

　　1.2 吹氩条件

　　吹氩系统的最大供氩压力为1.3 MPa，最大流量为1 O00 m3/min。在精炼的不同时期采用不同供气量的吹氩操作制度。熔化渣料、合金化时氩气搅拌强度较大。均匀温度和成份及促进夹杂排除时采用低气量操作，以避免发生钢渣卷混现象。当界面湍动时，界面张力下降，文献[1]采用渣金界面张力取0.12和0.012 N/m时，得到钢液近表面临界流速为0.33和0.18m/s，此时顶渣出现卷混状态.文献[2]指出渣金界面张力为0.2～1.0 N/m，下限值与文献[1]所述接近，故采用钢液近表面临界流速0.33 m/s作为卷混发生的条件。

　　2数学模型

　　底吹氩搅拌的模拟采用变密度单相的数学模型。假定钢包内的钢液和氩气泡看作是变密度的一相，建立质量守衡、动量守衡和如双方程，在动量守衡方程中加入氩气泡的浮力项。其中密度是一个与含气率有关的变量，需通过编制UDF来实现。

　　2.1假设条件

　　钢包流场数学模型的基本假设条件如下：(1)气泡上浮过程中，对钢液所作的功是钢包内流体循环流动的唯一动力，气液两相区的形状为锥形区域;

　　(2)气液两相区内流动按变密度单相处理;

　　(3)钢包吹氩过程中，气液两相区的含气率由实验关系式确定;

　　(4)忽略温度对流场的影响;

　　(5)流动为定常流动;

　　(6)不计表面渣层的影响。

　　2.2模拟方程

　　2.3 计算步骤

　　在Gambit中将钢液体积划分为18 705个六面体网格后输入FLUENT计算。选择非耦合求解，求解方程选择标准的h双方程。钢液表面设置为滑移边界，材料物性参数采用钢液和氩气的实际值。气液两相流的密度的变化需编制UDF实现。采用SIMPLE算法，当各项残差小于10-3时认为迭代收敛。