史志强1，崔小勇1，初仁生2，王卫华2
( 1． 秦皇岛首秦金属材料有限公司，河北秦皇岛066326; 2． 首钢技术研究院，北京100041 )
摘要: 针对首秦公司LF 炉由于氩气底吹位置布置不合理，造成LF 炉精炼过程氩气流量无法实现精准控制的问题，利用FLUENT 分析软件，建立了钢包底吹氩气模型，优化吹氩孔的位置。研究结果表明，吹氩孔位置距钢包中心由424 mm 外移到711 mm ，吹氩孔夹角由90°增大到122． 4°，混匀时间减少126s，两相区流体动能增大，有利于能量的充分利用，加快粉剂的扩散和夹杂物的上浮。
关键词: 底吹氩气模型; LF 炉; 钢包; 吹氩孔; 优化
0 引言
长期以来，首秦公司LF 炉氩气流量始终无法实现精准控制，LF 炉主要存在如下问题: ( 1) 钢包底吹与下料口位置不完全匹配，在钢包双底吹全吹开情况下，3# LF 炉下料过程中易形成渣团，同时西南侧有较大面积死区，钢包炉整体化渣较为困难，在钢包双底吹、只有单个吹开情况下，1#、2# LF 炉也会形成团渣; ( 2) 钢包底吹与电极位置不完全匹配，1#、2# LF 炉钢包底吹位置处在A、C 相电极正下方，升温过程中翻涌的熔渣容易对电极形成冲涮造成电极易断，同时加大电流的波动和钢渣喷溅［1］。
综合考虑3 座LF 炉底吹位置与下料口位置、电极位置的相应关系，同时满足3 座LF 炉化渣快的要求。采用数值模拟建立了钢包底吹模型，并进行了底吹优化和改造［2－4］，以提高加热效率和精炼效果。
1 数学模型的建立
LF 精炼炉底吹氩气搅拌，其操作关键是在最佳底吹位置及氩气流量下达到最短的混合时间、最大的外加合金利用率以及最佳的夹杂物去除效果。为准确确定这些参数，必须深入了解炉内钢液的速度分布及湍流特性分布。首秦公司3 座LF 炉钢包底吹和下料口位置见图1。
本计算采用通用流体软件FLUENT，将原型和各改造方案的LF 炉，进行数学模型的建立，并对其进行有限体积网格划分。采用Eula 多相流模型和k－ ε 湍流模型来模拟钢液和氩气的流动过程。钢包内钢水流动视为不可压缩流，将钢液内的流体处理为均相介质，钢液的循环流动主要驱动力为气泡的浮力，忽略钢液渣层［5］。钢包底吹几何模型如图2 所示，模型计算用参数及钢水/氩气物性参数见表1。
1． 1 第一阶段( 吹氩口位置的优化)
分别对原钢包和改进吹氩位置后的钢包进行流体计算，共有9 个方案。
( 1) 3 个原包的吹氩孔中心坐标( － 300 mm，300 mm) 和( 300 mm，300 mm) 。3 个钢包的下料口位置，1 # 钢包下料口的中心坐标( 953 mm，550mm) ; 2#钢包下料口的中心坐标( － 1 031 mm，595mm) ; 3#钢包原包下料口的中心坐标( 1 031 mm，－ 595 mm) 。
( 2) 3 个钢包吹氩孔分别外移1 块砖，吹氩孔中心坐标( － 423 mm，423 mm) 和( 423 mm，423mm) ; 1#和2#钢包下料口位置不变，3#钢包下料口位置坐标改为( 1 031 mm，595 mm) 。
( 3) 3 个钢包吹氩孔分别外移2 块砖，吹氩孔中心坐标( － 503 mm，503 mm) 和( 503 mm，503mm) ) ; 3 个钢包下料口位置同( 2) 。
1． 2 第二阶段( 吹氩口夹角的优化)
通过第一阶段钢包吹氩位置的优化，得到2 个吹氩口夹角90°时、吹氩口距钢包中心的最佳半径。保持该半径不变，改变2 个吹气孔的夹角，找到吹氩孔的最佳夹角。
2 计算结果与分析
2． 1 吹氩孔位置的优化
( 1) 原钢包
图3 为原钢包流场模拟结果。由图3( a) 、( c)可以看出，氩气从钢包底部吹入钢包，气柱沿近似于直线的轨迹向上，直到从钢液面溢出。气液两相区呈一定的角度展开，其直径按一定的斜率逐渐增大。这是由于氩气对钢液具有不断卷吸作用，使得流股直径随垂直距离的增大而增大，气液两相流股可以近似看成呈锥形扩张。从图3 ( b) 、( d) 可以发现，钢液围绕气柱周围形成速度梯度，靠近气柱的钢液速度较大，远离气柱的钢液速度较小，2个气柱间的钢液由于相互碰撞运行方向向下，并且运行动能相互抵制，速度相对较小; 靠近壁面的钢液运行方向向下，形成环流，速度相对较大。
图4 为模拟不同工况下LF 炉钢液速度矢量图。由图4 可知，原钢包由于2 个吹气孔相距较近，2个气柱之间的钢液没有空间发展成环流，不利于夹杂物的去除。靠近壁面处的环流区较大，钢液流速相对较小。优化后，2 个气柱间的钢液形成了2 个小环流，并相互吸引而融合为1 个大的两相区，从而有利于能量的充分利用。在大气量底吹时能有效减少钢包内死区面积，小气量软吹时钢包内有效碰撞可促进小颗粒夹杂物相互粘结而长大，从而更易上浮去除。靠近壁面处的环流区相对原钢包较小，钢液流速相对较大。
为了定量化地比较各吹氩位置对钢包化渣的影响，本研究采用加示踪剂的方法，对钢包内能够代表各典型位置的10 个点进行监测，监测其示踪剂质量分数。当10 个监测点的浓度标准偏差＜ 10 －5 时，可以认为加入料混合均匀，该时刻即为混匀时间。比较各吹氩位置的混匀时间，即可找到最佳吹氩位置。图5 为各吹氩位置下，1#LF 炉10 个监测点浓度随时间的变化曲线。
从图5 可以看出，原钢包的加入料混匀时间较长，为350 s，优化后加入料的混匀时间均有不同程度的缩短，外移1 块砖为324 s、外移2 块砖时间最短，为284 s。与原钢包相比，混匀时间分别缩短26s 和66 s，即吹氩孔位置距钢包中心由424 mm 外移到711 mm，吹氩效果最好。
2． 2 吹氩孔夹角的优化
目前LF 炉2 个吹氩孔夹角均为90°，本计算考察吹氩孔在不同夹角的情况下，加入料在钢包内的混匀时间。通过查阅文献可知［6］: 双吹时，喷孔夹角一般设置在45° ～ 180°范围内。而45°夹角在大气量下可能造成卷渣; 180°夹角的对流强度小，减少了夹杂物碰撞，不利于夹杂物结合长大上浮，所以这2个夹角都不做考虑。
分析吹氩孔的计算结果可知，吹氩孔在原位置处( 单孔与Y 轴夹角为45°) 外移2 块砖的位置较理想，即吹氩孔与钢包中心的距离已确定，为711 mm。
由于吹氩口位置在厚度方向( Y) 方向上只能1 块砖、1 块砖的移动( 1 块砖的厚度为80 mm) ，这就固定了Y 方向的距离( 注: 在X 方向上可任意切割) ，即可求出该位置与X 轴的夹角。所以，将现有位置( Y 向距离为503 mm) 向上移动1 块砖( Y 向583mm) 、向下分别移动1 块( Y 向423 mm) 或2 块砖( Y 向343 mm) 后，得到2 个孔与钢包的中心夹角分别为70°、90°、107°、122． 4°，如图6 所示。
图7 为吹氩孔在几种夹角位置下的监测点示踪剂浓度变化曲线，随着吹氩孔夹角的增大，混匀时间逐渐缩短。当2 个吹氩孔夹角为122． 4°时，混匀时间最短，仅为224 s。
图8 为Z 坐标100 mm 时，吹氩孔不同夹角湍动能随X 轴坐标的变化。从图8 可以看出，双孔的位置对底部流动的扰动有很大关系。在钢包底部，吹氩孔位置的钢液由于气泡的带动具有较大的动能，形成了散点图8 中2 个较高的峰值。喷孔周围的钢液作为补充，流向两相区，其动能较小，形成了图8 中较矮的散点。随着夹角的增大，湍动能峰值逐渐增大，当夹角为122． 4°时底部湍动能峰值最高为0． 089 m2 /s2 ; 同时周围动能较小的钢液向两相区流动较多，较矮的散点区比较平缓( 相反，夹角小时矮散点区比较鼓) ［7］。这说明，当吹氩孔夹角较大时两相区流体动能增大，从而有利于能量的充分利用，也有利于粉剂的迅速扩散和夹杂物的上浮去除。
通过钢包底吹模型的建立，确定了最佳的底吹孔位置: 最佳吹氩孔坐标位置为( － 623 mm，343mm) 、( 623 mm，343 mm) 。依据此位置进行钢包改造，改造后解决了底吹口与电极不匹配的问题，也缩短了混匀时间，冶炼周期降低了126 s，对能量的利用和夹杂物上浮去除方面也有很大的提高。
3 结论
( 1) 吹氩孔位置距钢包中心由424 mm 外移到711 mm，2 个气柱之间可充分发展成环流，混匀时间缩短，加快化渣和夹杂物的上浮，混匀时间可缩短68 s，同时，有利于夹杂物上浮去除，缩短投入料混匀时间。
( 2) 通过对吹氩孔在几种夹角位置混匀时间和湍动能的比较，发现随着吹氩孔夹角的增大，混匀时间逐渐缩短，湍动能峰值逐渐增大，有利于能量的充分利用、温度的快速均匀、粉剂的迅速扩散和夹杂物的上浮去除。夹角位置由90°增大到122． 4°时，上述效果最好。
( 3) 本研究确定最佳吹氩孔坐标位置为( － 623mm，343 mm) 、( 623 mm，343 mm) 。对钢包进行改造后，解决了底吹口与电极不匹配的问题，同时缩短了混匀时间，降低了冶炼周期，对能量的利用和夹杂物上浮去除方面也有很大的提高。
参考文献
［1］高泽平． 炉外精炼［M］． 北京: 冶金工业出版社， 2005．
［2］钟晓丹，王楠，邹宗树，等． LF 双孔底吹优化布置的水模型研究［J］． 材料与冶金学报，2006，5( 2) : 101 ～ 104．
［3］黄宗泽，任三兵，陈义胜，等． 宝钢300 t LF 物理模型的试验研究［J］． 宝钢技术，2004，( 5) : 47 ～ 50．
［4］温德松，李京社，谢翠红，等． 150 t 钢包精炼过程的物理模拟［J］． 北京科技大学学报，2007，29( S1) : 101 ～ 104．
［5］幸伟，倪红卫，沈巧珍，等． 130 t 钢包底吹喷嘴布置模式优化的水模型试验［J］． 特殊钢，2007，28( 7) : 13 ～ 15．
［6］任三兵，陈义胜，黄宗泽，等． 大型钢包双孔吹氩最佳位置的探讨［J］． 包头钢铁学院学报， 2003，22( 3) : 193 ～ 197．
［7］朱苗勇，萧泽强． 吹氢钢包内钢液流速的实际测定和理论计算［J］． 钢铁，1995，30( 7) : 18 ～ 22．