(2010)RH真空精炼过程数值模拟的研究现状及展望

(2010)RH真空精炼过程数值模拟的研究现状及展望
(2010)RH真空精炼过程数值模拟的研究现状及展望

第10卷增刊1 过 程 工 程 学 报 V ol.10 Suppl. No.1 2010 年 4月 The Chinese Journal of Process Engineering Apr . 2010

收稿日期:2009?08?08,修回日期:2009?11?29

基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(编号:2009AA03Z530);国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目(编号:50834010);

教育部科学技术研究重点资助项目(编号:108036);高等学校学科创新引智计划资助项目(编号:B07015);中国博士后基金资助项目 (编号:20070421065);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(编号:20071108-2)

作者简介:耿佃桥(1982?),男,山东省淄博市人,博士研究生,主要研究方向为RH 精炼过程数值和物理模拟,E-mail: gengdianqiao@https://www.360docs.net/doc/a410894902.html,.

RH 真空精炼过程数值模拟的研究现状及展望

耿佃桥1

,雷 洪1

,陈芝会1

,赫冀成1

,黄 健2

,李秉强2

(1. 东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110004;2. 本溪钢铁公司,辽宁 本溪 117000)

摘 要:近年来,RH 真空精炼已成为重要的二次精炼工艺之一,相应的数值模拟工作受到许多研究者的关注. 目前涉及到RH

精炼过程的数值模拟研究主要集中于以下几个方面:RH 精炼装置内气液两相流动行为的数值模拟,脱碳和脱气过程的数值模拟以及夹杂物碰撞长大行为的数值模拟. 本文综述了RH 精炼过程数值模拟的研究现状,并提出了应重点解决的问题.

关键词:数值模拟;RH ;流场;脱碳;脱气;夹杂物去除

中图分类号:TF769.4 文献标识码:A 文章编号:1009?606X(2010)S1?0271?06

1 前 言

1957年,德国Ruhrstahl 以及Heraus 公司共同设计并实验成功了首例RH 精炼技术,并在1959年投入工业生产. RH 精炼设备主体是真空室,真空室下部有上升管和下降管,插入钢包钢液中. 通过在真空室内抽真空并在上升管中通入气体,使上升管中与气体混合的钢液在气泡浮力作用下向上流动进入真空室,钢液在真空室内进行脱碳和脱气反应,然后在重力作用下沿下降管中流回钢包,从而实行精炼钢液的目的. 作为一种重要的炉外精炼方法,RH 具有处理周期短、生产能力大、精炼效果好、易操作等一系列优点,在炼钢生产中得到了广泛应用. 40多年来,RH 精炼由单一的脱气设备发展成为包含真空脱气、脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等多功能炉外精炼设备,并且在生产超低碳钢方面表现出显著的优越性,成为现代化钢厂中重要的炉外二次精炼装置之一.

由于RH 精炼装置内的钢液处于熔融态,反应体系为气、液、固多相并存且反应为高温、真空. 在实际生产中,对于处理过程中某些参数仍无法通过在线获得,因此预测这些重要参数具有非常重要的理论价值和实际意义. 与此同时,计算机技术的快速发展和数值计算方法的进步使得数值模拟方法逐渐成为研究RH 精炼过程的重要手段,通过数值模拟方法可以获得工艺过程中各参数的变化规律和这些参数之间的定量关系,从而为RH 精炼过程的工艺设计及优化提供可靠参考. RH 精炼装置内的宏观流动、混合传输行为及脱碳反应过程、脱氧夹杂物的碰撞长大是分析RH 真空精炼过程机理时重

点研究内容. 目前针对RH 精炼过程的数值模拟主要集中于以下几个方面:RH 精炼装置内流动行为的数值模拟,脱碳和脱气过程数值模拟以及夹杂物去除的数值模拟究. 本文通过对上述几方面的研究现状进行分析,探讨了未来RH 真空精炼数值模拟研究的发展方向,以期为以后进一步完善RH 精炼数学模型提供参考和借鉴.

2 RH 精炼装置内流场的数值模拟

如图1所示,RH 精炼装置内的流动是在抽真空的条件下,氩气由喷嘴侧吹进入上升管,钢液在氩气泡浮力作用下向上流动,经过真空室、下降管和钢包实现循环流动.

图1 RH 真空精炼装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of RH system

RH 装置内的气液两相区(上升管和真空室的部分区域)流场为典型的多相流. 由于RH 装置的特点,目前尚无有效方法获得实际RH 装置内真实流体的流态,因而数值模拟成为研究RH 精炼装置内流场的常用手段. 与其它精炼方式如钢包底吹氩比较,水平侧吹射流的气

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泡行为和气液两相区流场更加复杂,因而研究者对于RH 精炼装置内的流场模拟经历了一个由简单到复杂的

过程. 表1所示即为近几十年来研究者针对RH 内气液流动所建立数学模型的简单概括.

表1 RH 装置内气液流动行为的数学模型

Table 1 Mathematical models for gas ?liquid flow in RH degasser

Author Model Calculating object Dimension Interaction force between phases Nakanishi Single phase Ladle Two No Ajmani Single phase Ladle Three No Zhu M Homogeneous model (bottom blowing) RH Three No Park Homogeneous model (side blowing) RH Three No Miki V olume of fluid model RH Three No Wei J H Interphase slip algorithm model RH Three Drag force Li B K Gas volume fraction conservation model RH Three No

早期研究者忽略了真空室及浸渍管部分,通过指定上升管和下降管下端流体速度作为入口和出口的边界条件,Nakanishi 等[1]和Shirabe 等[2]分别计算了RH 精炼钢包内的二维流场. 随后其他研究者[3?5]也采用这种方法计算了RH 精炼钢包内的三维流场. 此方法的缺陷在于没有将真空室、浸渍管和钢包作为一个整体,因而流场的计算结果显示在钢包内上升管与下降管之间存在所谓的“短路流”. 随后,朱苗勇等[6]利用Castillejos 等[7]提出的底吹钢包含气率关系式计算RH 内气液两相区的含气率分布,其中RH 装置两相区内平均密度可表示为

g l (1).ρρααρ=+? (1)

含气率表达式为

2.4

max max/2exp 0.7,

r r αα??????=??????????

(2)

式中,r 为两相区径向坐标,αmax 和r max/2分别为两相区最大含气和含气率半值半径,且分别是喷嘴内径、轴向坐标、吹气量和真空室压力的函数. 应用该模型可获得包括真空室、钢包、上升管和下降管的整个RH 精炼装置内的流场,计算循环流量与水模型实验结果符合较好,并且结果表明钢包内上升管与下降管之间并不存在所谓的“短路流”. 随后,这种采用底吹钢包含气率实验关系式的方法也被其他研究者应用于RH 精炼装置内的流场计算[8?10]. 图2所示即为采用该模型计算所得流场结果,该模型虽然可以准确地估算吹入氩气所做浮力功的大小,但根据钢包底吹含气率实验关系式计算所得的含气率分布是事先规定的,缺乏通用性,并且采用底吹模型模拟侧吹情况,与实际情况相去甚远,模型的适用性也缺乏依据.

为了能够使模拟结果更加符合实际,研究者开始进一步研究如何更准确地模拟气液两相区结构. Park 等[11]根据Themelis 等[12]提出的基于动量守恒的侧吹气体的

Fig.2 Flow field of main section in RH degasser

运动轨迹及含气率分布模型基础上,提出了一个均相的数学模型. 该模型通过描述氩气体的侧吹行为,可以给出一个较合理的含气率分布. Li 等[13,14]利用水平滑移速度将氩气导入RH 装置,并采用含气率守恒方程计算了RH 内含气率分布和气液两相的流动行为,其中含气率守恒方程表示如下.

()eff l slip ,u u Sc μραα??????+=?????????

(3) 式中,u l 为钢液流速,u slip 为气液相对速度. 该模型假定气液相对滑移速度为一固定值,而实际过程中通过喷嘴吹入RH 装置的气相速度是逐渐衰减的,并且受喷嘴处初始速度的影响很大,因而Li 等[13,14]使用的滑移速度与实际情况是不符合的. 利用该模型得到的结果与纯粹利用底吹钢包含气率实验关系式所得结果[6,8?10]比较,气液两相区结构更加合理一些,但仍是经验或半经验的模

增刊1 耿佃桥等:RH 真空精炼过程数值模拟的研究现状及展望 273

型,并不是真正意义上的气液两相流模型.

近期,Miki 等[15]采用VOF 方法模拟了包括真空室和浸渍管、钢包的整个RH 精炼装置内的流动行为. 该模型缺陷在于无法考虑到气液两相的相对流动速度,得到的是气液两相的混合速度,因而同样无法准确描述气液两相区结构. Wei 等[16,17]应用(IPSA)相间滑移模型计算了RH 装置内的流场,其中第m 相的质量和动量守恒方程表示如下.

连续方程:

()m m m 0.u αρ??= (4)

动量方程:

()()()

m m m m m drag,m m m T

m eff m m m ,

u u p F g u u αρααραμρ??=??+++

?????+???

(5)

式中,g 为重力加速度,F drag,m 为相间作用力,表示为

()D drag,l drag,g

g l g l g l b

3,4C F F u u u u d αρ=?=?? (6) 式中,d b 为气泡直径,C D 为阻力系数. 应用该模型对RH 流场进行计算,模拟结果显示在上升管中的氩气泡存在“贴壁效应”,即气泡在上升过程中紧贴上升管侧壁,无法到达上升管壁中心,此现象的产生是由于相间滑移模型无法考虑虚拟质量力造成的. 而在喷嘴附近区域,气液相对速度变化很大,数值实验表明虚拟质量力不能忽略[18]. 如果要描述RH 精炼装置内上升管喷嘴处气液相对滑移速度剧烈变化这一现象,则需要极细的网格兵耗费大量的计算时间,这在目前的计算条件下很难达到.

3 RH 装置内脱碳及脱气过程的数值模拟

脱碳和脱气是RH 最主要的精炼功能之一,要充分发挥RH 的精炼功效,降低精炼的成本,须对RH 脱碳脱气过程具备深刻全面的了解. 国内外学者针对RH 精炼脱碳过程提出了许多数学模型.

Yamaguchi 等[19]建立了RH 内的脱碳数字模型,该

表2 RH 装置内脱碳过程的数学模型

Table 2 Mathematical models for decarburization process in RH degasser

Author Decarburization position Top blowing oxygen

Flow field Top slag Yamaguchi Vacuum chamber

Yes No No

Takahashi Bubble surface, free surface and inner site in vacuum chamber No No No Park Bubble surface, free surface and inner site in vacuum chamber No Yes No Wei J H Up snorkel, inner site in vacuum chamber and splashed liquid drops No No No Hu H T Bubble surface, free surface and inner site in vacuum chamber Yes Yes Yes Han C J

Up snorkel, free surface in vacuum chamber and splashed liquid drops

Yes

No

No

模型基于以下假设:钢包和真空室中钢液完全混合;脱碳反应仅在真空室内进行;忽略气相中CO 的传质,认为反应界面上CO 浓度等于气相中的CO 浓度;整个脱碳反应的限制性环节为碳和氧在液相侧的传质. Kleimt 等[20]在上述模型的基础上考虑了来自钢包顶渣的溶解氧对脱碳过程的影响,数值结果与实际过程比较吻合. Takahashi 等[21]建立的RH 脱碳数学模型认为RH 真空脱碳的反应位置应包括:钢液内氩气泡表面,生成的CO 气泡表面和真空室自由表面. CO 气泡的生成速率正比于碳和氧的过饱和度,并且脱碳反应的限制性环节为钢液侧碳的传质. 该模型计算结果与实际情况符合较好,但由于基于RH 为全混反应器的假设,其结果受模型中的可控参数如循环流量影响很大. 此后,Wei 等[22]建立了一个RH 真空脱碳的一维数学模型,该模型认为脱碳反应位置包括:上升管,真空室熔池和真空室内喷溅钢液滴流群3个位置. 与以往模型相比,该模型假定了钢包内钢液处于完全混合状态,考虑了RH 循环流动过程

中浸渍管以及真空室流动阻力的影响,更加符合实际情况. 朱苗勇等[8]在计算RH 装置内钢液流场的基础上,建立了钢液流场与真空脱碳耦合的数学模型,考虑了不同碳氧浓度范围内碳氧反应的限制性环节问题. 该模型的优点在于考虑了RH 装置内的湍流流动,能够给出脱碳过程中碳浓度随时间和空间的变化情况. 但该模型延续了Yamaguchi 模型的部分假设,即假定脱碳反应仅在真空室进行,这与实际情况有较大差别.

Park 等[23]建立了一个耦合钢液流场的RH 脱碳数学模型. 该模型不但考虑了钢液流动对脱碳过程的影响,并且认定脱碳反应位置包括钢液内氩气泡表面,生成的CO 气泡表面和真空室自由表面. 胡汉涛[24]在其博士论文中结合前人的研究成果,在研究RH 内流场的基础上,建立了一个综合描述氩气泡表面脱碳、真空室表面脱碳、钢液内部CO 气泡脱碳的数学模型,给出了脱碳过程中碳、氧浓度的空间分布,并同时考虑了KTB 吹氧和钢包内保护渣对RH 脱碳过程的影响. 韩传基等[25]建

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立了一个针对RH ?MFB 吹氧脱碳过程的数学模型,该模型基于前人研究成果,假定脱碳反应位置包括钢液内氩气气泡和生成的CO 气泡表面、真空室自由表面和真空室飞溅液滴群,并且也考虑了顶吹氧对脱碳过程的影响.

比较而言,国内外学者对于真空条件下的脱氢与脱氮过程的数值模拟研究较少. Kitamura 等[26]建立了脱碳和脱氮过程的数学模型,认为氮的传质和脱氮反应为限制性环节,并假定真空室液面、吹入的氩气泡表面和生成的CO 气泡表面是脱氮反应发生的区域,计算结果表明,脱氮反应初期主要发生在脱碳生成的CO 气泡表面;反应后期脱氮反应则主要发生在真空室钢液面. Kleimt 等[27]建立了一个真空脱氢和脱氮的动态数学模型,

该模型考虑了氩气泡上升过程中的膨胀对脱氢和脱氮的影响,实践证明该模型模拟结果与实验结果误差很小,因而可应用到实际过程. 需注意的是,上述脱氢与脱氮模型均假定钢包和真空室中钢液完全混合,忽略了RH 装置内钢液流场的影响.

4 RH 装置内夹杂物去除过程的模拟

RH 精炼过程中脱氧夹杂物的去除过程主要分为反应、形核、碰撞长大以及去除4个过程. 由于反应及形核过程的持续时间很短,在几十秒左右,因而数值模拟研究主要集中在钢液内脱氧产物的碰撞长大及去除阶段. 目前国内外对于RH 精炼夹杂物去除过程所建立的数学模型如表3所示.

表3 夹杂物碰撞长大行为的数学模型

Table 3 Mathematical models for collision and aggregation among inclusions

Author Simulation object Collision Bubble adhesion Flow field Mass conservation Wall adhesion Top slag adhesion Shirabe Ladle Yes No Yes No No No Miki RH Yes Yes No No No Yes Zhu M Y Ladle Yes No Yes Yes Yes Yes

Shirabe 等[2]以RH 精炼钢包为研究对象,应用颗粒群数量浓度方程模型研究了RH 精炼过程中的夹杂物的去除行为,其中第k 组夹杂物数量密度的守恒方程表示如下.

()()()l l eff k S ,k k n n u n D N t

ρρ?

+??=???+? (7) 式中,n k 表示第k 组夹杂物数量密度,S nk 表示由于夹杂物碰撞聚合引起的夹杂物数量密度的增减. 该模型结合了Euler 方法,克服了Smoluchowski 方程仅能应用于均相系统的缺陷,但由于基于颗粒聚合动力学的Smoluchowski 方程需要将夹杂物分组,计算过程中的小颗粒夹杂物与大颗粒夹杂物发生碰撞后消失,因而无法满足夹杂物质量守恒. 此外,由于每个夹杂物分组对应一个浓度扩散方程,并且这些方程互相耦合,计算量很大,因而夹杂物分组数目受到很大限制.

Miki 等[15]基于颗粒聚合动力学的Smoluchowski 方程研究了RH 内夹杂物碰撞长大及去除过程,可表示如下.

()()imax

-i 11

d 1W ,W ,S ,d 2k 1

k i k i k k i i n n n i k i n n i k t ?===?+?∑∑ (8) 式中,W 为夹杂物的碰撞速率,S k 为Stokes 上浮去除引起的夹杂物数量密度的减少. 该模型考虑了气泡吸附作用的影响,但忽略了壁面吸附对于夹杂物去除的影响,同样存在无法满足夹杂物整体质量守恒的问题,并且没有考虑钢液流场对夹杂物去除过程的影响,无法给出夹

杂物在RH 装置内的空间分布.

此外,除上述模型外,还有一类已经应用于其它冶金反应器,如钢包[28]、中间包[29]和连铸结晶器[30]内描述夹杂物碰撞长大行为研究的夹杂物数量及质量守恒模型,该模型基于工业实验获得的夹杂物尺寸呈指数分布的结论,夹杂物碰撞速率积分后作为数量浓度扩散方程的源项,在保证质量守恒的同时,通过耦合求解数量及质量守恒方程获得夹杂物数量密度及浓度的分布,可表示如下:

()()()l l eff S ,N N N u u N D N t

ρρ?

+??+=???+????? (9) ()()()l C l eff ,C u u C D C t

ρρ?+??+=???????? (10) 式中,N 和C 分别表示夹杂物特征数量密度及体积浓度,u N 和u C 分别为夹杂物数量密度及浓度的上浮速度[30],S N 表示由于夹杂物颗粒间的碰撞长大而引起的单位时间内夹杂物数量密度的减小. 目前该模型与气泡吸附模型结合尚存在一定难度,因而在应用该模型的已有研究中均忽略了气泡吸附夹杂物的影响[28],并且也尚未应用到RH 装置内夹杂物去除行为的研究.

5 RH 数值模拟研究的发展方向展望

目前冶金工作者针对RH 精炼过程均已建立数学模型并取得了可喜的结果,但已有模型仍存在一定不足,未来的发展方向应努力弥补已有数学模型的缺陷,总结

增刊1 耿佃桥等:RH真空精炼过程数值模拟的研究现状及展望 275

为以下几点:

(1)目前RH精炼装置内流场的数值模拟已经逐步实现采用多相流模型进行模拟,但仍基于一些基本的假设,如气体不可压缩,忽略气泡聚并,不考虑温差的影响等等. 这些基本假设与实际情况存在明显差别,并且所建立的各个数学模型均不能准确描述RH装置内喷入氩气的行为及含气率在上升管的空间分布,而脱碳、脱气以及夹杂物的去除均与气相行为有很大关系,因而如何合理地描述RH内气相行为是一个亟待解决的问题.

(2)RH脱碳过程的数学模型已较为成熟,但仍存在一定不足,如已有模型尚无法描述整个RH流场下的真空室液滴群的脱碳作用,并且也无法在模型中考虑顶吹氧二次燃烧对于脱碳的影响.

(3)目前尚无数学模型考虑到RH精炼装置内流场对RH真空脱氢和脱氮的作用. 实际RH脱碳、脱氮和脱氢是同时进行的,因而未来应建立基于RH流场的描述脱碳、脱氮和脱氢过程的数学模型.

(4)目前RH装置内夹杂物去除的数学模型尚不完善,未来应建立一个可以综合考虑气泡吸附、钢液流动和夹杂物碰撞长大等机理的数学模型.

由于RH真空精炼是一个涉及到多相流动和多种物理化学反应的复杂过程. 因而目前针对RH精炼过程的数值模拟仍然需基于一定假设,相信随着流体力学、传热学、反应热力学和反应动力学等多学科的发展以及计算机技术的不断进步,数值模拟技术也会逐步完善,成为RH真空精炼过程研究的重要手段.

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(1. Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang, Liaoning,

110004, China; 2. Benxi Iron and Steel Co. Ltd., Benxi, Liaoning 117000, China)

Abstract: RH vacuum refining has become one of the important secondary refining processes in recent years. And many researchers have paid great attention to the corresponding numerical simulation work. The numerical simulations concerning RH vacuum refining process are mainly summarized as follows: gas–liquid two-phase flow, decarburization and degassing, collision and aggregation among inclusions in RH degasser. Meanwhile, the future development and related key problems are also discussed in the present paper.

Key words: numerical simulation; RH, flow field; decarburization; degassing; inclusion removal

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