朱苗勇,婁文濤
(東北大學(xué) 冶金學(xué)院,沈陽110819 )
國家戰(zhàn)略、國家工程、國家安全對鋼鐵材料性能提出了越來越高的要求,鋼的潔凈度是保障鋼鐵材料性能的前提條件,建設(shè)高效率、低成本的潔凈鋼生產(chǎn)平臺已成為鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要主題.煉鋼是潔凈鋼生產(chǎn)最為重要的環(huán)節(jié),主要包括轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼包精煉,噴吹是其最基本的手段,其過程涉及渣-金-氣多相流及脫碳、脫磷、脫硫等化學(xué)反應(yīng),鋼液、渣、氣泡、夾雜物等的流動、傳熱、傳質(zhì)與反應(yīng)等傳輸行為不僅影響鋼中雜質(zhì)元素和氣體的去除,還影響夾雜物的演變與去除,對鋼產(chǎn)品質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性影響巨大.為此,冶金工作者采用現(xiàn)場測量、高溫實驗、物理和數(shù)值模擬等手段開展研究工作,但由于測量技術(shù)和現(xiàn)場條件的限制,過程中所需的重要參數(shù)及其內(nèi)發(fā)生的重要現(xiàn)象往往很難通過直接測試獲得,數(shù)值模擬已成為研究過程現(xiàn)象和機理、開發(fā)新工藝及新技術(shù)的重要手段[1-3].本文中將結(jié)合前人的工作,介紹作者在轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼包精煉過程多相流和反應(yīng)動力學(xué)數(shù)值模擬研究方面的進展.
轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼包精煉過程是高溫多相的物理化學(xué)反應(yīng)過程,涉及鋼液、爐渣和氣體三相間的流動、傳質(zhì)、傳熱、乳化、噴濺、反應(yīng)等,現(xiàn)象極其復(fù)雜,如圖1 所示.早期的研究主要致力于揭示不同噴吹參數(shù)對轉(zhuǎn)爐和鋼包鋼液流動及混合狀態(tài)的影響規(guī)律,所建立的模型是以氣-液兩相流模型為主.近二十年,研究者更多關(guān)注鋼渣運動、夾雜物去除、噴吹粉粒傳輸及雜質(zhì)元素反應(yīng)等,需要建立氣-液-液、氣-液-固或氣-液-液-固等更為復(fù)雜的多相流模型來深入研究各相間的相互作用機制,甚至還需要對鋼液中異相(夾雜物、氣泡、渣滴)顆粒的形核、聚合和破碎等復(fù)雜演變行為進行建模描述[4].由于轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼包精煉過程的反應(yīng)不僅涉及鋼中多元素組分(Fe,S,P,O,C,Al,Mn,Si 等)、多界面場所(頂渣-鋼液、渣滴-鋼液、氣泡-鋼液、顆粒-鋼液等)同時反應(yīng),而且與多相間的運動、尺寸、溫度、組分質(zhì)量濃度分布等有著密切關(guān)聯(lián),因此,建立數(shù)學(xué)模型準確描述煉鋼過程反應(yīng)動力學(xué)(如脫碳、脫硫、脫磷、脫氧等)一直是數(shù)值模擬的一個難點.
圖1 轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼包精煉過程現(xiàn)象示意圖Fig.1 Schematic illustration of steelmaking process and phenomena involved in converter and ladle
目前國內(nèi)外學(xué)者已建立了不同數(shù)學(xué)模型來描述轉(zhuǎn)爐冶煉和鋼包精煉過程的兩相或多相流行為.這些數(shù)學(xué)模型主要分為準單相流模型[5-16]、VOF(Volume of Fluid )模 型[17-43]、Euler-Lagrange[44-52]和Euler-Euler[53-73]模型.各模型的建立背景和適用條件有所不同,下面將分別闡述各類模型及其特點.
1.1.1 準單相流模型
自20 世紀70 年代開始至90 年代末期,受限于當時的計算條件,研究者主要采用準單相模型來描述煉鋼過程的流動和混合行為,即只計算主相鋼液的傳輸方程,氣相對鋼液運動的影響主要依據(jù)水模型實驗所獲得的經(jīng)驗關(guān)系式(如含氣率、凹坑邊界、兩相區(qū)速度等),以邊界條件或修正鋼液屬性參數(shù)(密度或者黏度)的形式加載到液相模型中.
Szekely 和Asai、李有章、杜嗣琛等[5-7]采用準單相流模型分別研究了轉(zhuǎn)爐冶煉過程中頂吹、頂?shù)讖?fù)吹或頂側(cè)復(fù)吹等條件下的鋼液流動行為.Szekely[9],Sahai[10],Castillejos[12]和朱苗勇(Zhu)等[15-16]采用準單相流模型描述了鋼包底吹氬的流動混合行為.準單相流模型的計算效率高,其研究有助于加深噴吹對熔池鋼液流動與混合行為影響的認識,但因忽略了曳力、升力、虛擬質(zhì)量力等氣-液兩相間的相互作用,尚未揭示熔池中多相流更詳盡的本質(zhì)特征.進入21 世紀后,隨著計算水平和多相流理論的快速發(fā)展,采用VOF,Euler-Lagrange 和Euler-Euler 等模型來描述煉鋼過程的多相流傳輸行為越來越受研究者的重視,并成為發(fā)展趨勢.
1.1.2 VOF 界面追蹤模型
VOF 模型最早是由Hirt 和Nichols[74]提出的一種在歐拉網(wǎng)格體系下的界面跟蹤方法,不同流體組分共享一套連續(xù)性和動量方程,并通過體積分數(shù)方程和界面重構(gòu)方法來實現(xiàn)對相間界面的追蹤.其控制方程表述如下所示.
體積分數(shù)方程:
式中:αq和Sαq分別為表示流體相的體積分數(shù)和體積分數(shù)源項.在求解過程中,不求解主相的體積分數(shù)方程,主相體積分數(shù)根據(jù)以下約束計算:
連續(xù)性方程:
動量方程:
式中:ρ和μ分別表示體積分數(shù)平均密度和黏度、Fs為表面張力,可由下式計算:
式中:σij表示相間表面張力系數(shù),κ表示界面曲率.
目前,很多研究者采用VOF 模型描述轉(zhuǎn)爐頂吹射流形成的凹坑界面[17-33]、轉(zhuǎn)爐和鋼包熔池表面的渣-鋼界面[20,24,26,31,36-38],以及熔池鋼液中較大尺寸氣泡表面[34,36,39].VOF 屬于一種基于網(wǎng)格直接追蹤界面的數(shù)值模擬方法,僅需考慮表面張力的相間耦合就可描述相界面的運動、形變、破碎、聚合等行為,但只有網(wǎng)格尺寸小于界面特征尺寸時,才能準確捕獲界面運動行為.因此,目前計算條件并不適合描述熔池底部狹縫或彌散透氣磚所形成的大量微小氣泡群行為.為此,一些研究者通過耦合VOF 和Euler-Lagrange 模型來描述頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐[26,27,29-32]和底吹氬鋼包內(nèi)[37-38]的多相流動,即采用VOF 模型跟蹤鋼液、爐渣和氣體之間的界面,Euler-Lagrange 模型追蹤離散氣泡運動軌跡.此外,在涉及VOF 多相流瞬態(tài)計算時,時間步長(Δt)主要受庫朗數(shù)(Ct)的限制[見式(8)].界面特征尺寸和網(wǎng)格尺寸(Δx)越小,界面運動(u)越劇烈,所需Δt就越小,通常需要Ct<2.0.描述轉(zhuǎn)爐頂吹射流凹坑運動時,Δt取10-5~10-6s[20,22,25,30-32].因此,目前采用此類方法要描述轉(zhuǎn)爐整個冶煉過程各多相運動及組分參數(shù)變化規(guī)律仍是一個難題.
1.1.3 Euler-Lagrange 模型
Euler-Lagrange 模型是在Euler 坐標系下求解液相的質(zhì)量和動量守恒方程得到流場,在Lagrange 坐標系下求解離散相顆粒力平衡方程得到顆粒運動軌跡,通過曳力、升力、虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力等相間作用力實現(xiàn)顆粒與流體間的雙向耦合.顆粒運動方程可表示為
式中:FD,F(xiàn)V,F(xiàn)L分別表示離散顆粒與主相間的曳力、虛擬質(zhì)量力和升力.
目前,對于煉鋼過程,很多研究者采用Euler-Lagrange方法描述了轉(zhuǎn)爐[26-27,29-32]、鋼包[38,44-49,50,54-55]內(nèi)的流動行為.雖然通過Euler-Lagrange 模型可以追蹤顆粒的運動軌跡和停留時間,但Lagrange 體系下的離散相顆粒在歐拉體系的主相中并不占據(jù)任何實際體積.因此,一般要求主相中離散相體積分數(shù)小于12%.這樣一來,對于較大底吹氣流量,模擬結(jié)果就可能出現(xiàn)較大偏差.為了解決這個問題,Sheng,Guo 和Irons 等[47-48]通過統(tǒng)計某一計算單元中離散相顆粒的個數(shù)和停留時間來計算其局部體積分數(shù),即
式中:Vcell為計算網(wǎng)格單元體積;N是由噴嘴釋放的顆??倐€數(shù);Vbub,i,dti分別為第i個顆粒在某一控制單元的體積和停留時間.
需要指出的是,Euler-Lagrange 模型要求顆粒尺寸小于網(wǎng)格特征尺寸,這也限制了對鋼液中大尺寸顆?;驓馀葸\動的描述;尤其與VOF 模型結(jié)合時,兩個模型對網(wǎng)格要求也會出現(xiàn)矛盾,即VOF 要求更小尺寸網(wǎng)格來追蹤界面特征,而Euler-Lagrange 則要求較大網(wǎng)格來追蹤顆粒軌跡.此外,當實際煉鋼過程所需追蹤的顆粒如粉劑、夾雜物軌跡數(shù)量巨大時,模型的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理能力將面臨一個很大的挑戰(zhàn).
1.1.4 Euler-Euler 模型
與同屬Euler 方法的VOF 模型不同,Euler-Euler 模型中不具體追蹤相間界面,而將所有相看作相互貫穿的連續(xù)介質(zhì),各相的體積分數(shù)、質(zhì)量、動量、能量、傳質(zhì)等守恒方程均在歐拉坐標系下單獨求解.其控制方程可表示為
質(zhì)量守恒方程:
式中:ρk,αk和→uk分別表示氣相(k=g)和液相(k=l)時的密度、含氣率和速度矢量.
動量守恒方程:
式中:FTD表示湍流擴散力.
自20 世紀90 年代以來,國內(nèi)外許多學(xué)者先后采用Euler-Euler 模型描述了鋼包內(nèi)鋼液、氣泡、夾雜物等多相傳輸及反應(yīng)動力學(xué)行為[53-70].相比于其他模型,Euler 模型大大降低了對網(wǎng)格的要求,不再受庫朗數(shù)和顆粒尺寸的限制,而且與相間傳質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)模型具有更好的兼容性,更適用于冶金過程的工程化描述.但Euler 模型體系復(fù)雜,建立準確的數(shù)學(xué)模型一直是一個難點,需要對氣-液、液-固、氣-固、氣-液-固等各相間相互作用力和傳輸機制進行準確描述,解析不同工況條件下各作用力的影響規(guī)律和主導(dǎo)機制.目前研究者對此進行了大量的研究,提出了不同的相間作用力模型,包括曳力、升力、湍流擴散力等,如表1~3所列.
表1 不同的曳力模型Table 1 Drag models
表2 不同的升力模型Table 2 Lifting models
表3 多相流湍流擴散力模型Table 3 Turbulent diffusion models for multiphase flow
此外,煉鋼反應(yīng)器內(nèi)氣-液兩相的湍流脈動行為直接影響氣泡分布、夾雜物顆粒傳輸、碰撞去除及相間對流傳質(zhì)等現(xiàn)象,對它們的準確描述至關(guān)重要.目前常用的湍流模型最初是用來描述單相流體的湍流行為,而對于氣-液兩相流,情況有很大的不同.氣泡上浮過程中,因氣-液間的速度差會在氣泡底部產(chǎn)生氣泡尾渦流并造成額外的液體湍流,即氣泡誘導(dǎo)湍流.為此,Svendsen[75],Pfleger[76],Lopez[77]及本文作者[67-68]都提出了不同的氣泡誘導(dǎo)湍流模型,如表4 所列.
表4 不同的氣泡誘導(dǎo)湍流模型Table 4 Bubble induced turbulent models
煉鋼過程的鋼液中異相顆粒(夾雜物、氣泡、渣滴)尺寸及演變行為對流動、傳熱、傳質(zhì)與反應(yīng)等傳輸行為有著重要的影響.當需要對顆粒的形核、碰撞聚合和破碎等復(fù)雜行為進行建模描述時,除了動量、質(zhì)量和能量平衡方程,還需用平衡方程來描述粒子群尺寸的變化.在Euler-Lagrange 和Euler-Euler 兩種體系下都可以描述顆粒間的尺寸演變行為,其中,Euler-Euler 體系下的顆粒群體平衡PBM 模型(Population Balance Model)發(fā)展相對成熟,并已被廣泛應(yīng)用.PBM 模型中的顆粒數(shù)密度概念n(Vi)被提出,其傳輸方程可表述為
式中:Vi表示直徑為di顆?;驓馀莸捏w積;β表示兩個顆?;驓馀葜g的碰撞聚合速率;g(Vi)表示體積為Vi顆粒的破碎頻率;λ(V|V′)為顆粒(氣泡)體積由V′破碎變?yōu)閂的概率密度函數(shù);Si表示直徑為di顆粒的質(zhì)量生成或消失源項.
1.2.1 氣泡的聚合和破碎模型
氣泡破碎與聚合對氣泡尺寸演變和氣-液傳質(zhì)行為影響顯著,其機理十分復(fù)雜,主要涉及氣泡間碰撞頻率與聚合效率、氣泡破碎速率與子氣泡大小分布.研究者對此進行大量的研究,并認為液體湍流脈動是導(dǎo)致氣泡聚合和破碎的主導(dǎo)機制,形成了常用的聚合和破碎模型,如表5~6 所列.近年來,一些研究者采用CFD-PBM 模型描述了鋼液或鐵液中氣泡的聚合和破碎行為.
表5 氣泡聚合模型Table 5 Bubble aggregation models
表6 氣泡破碎模型Table 6 Bubble breakup models
1.2.2 夾雜物碰撞和去除行為
鋼液中夾雜物行為主要指的是其碰撞聚合和去除,目前許多研究者采用CFD-PBM 模型來研究夾雜物行為[58-61,65-66],夾雜物碰撞聚合機理主要包括湍流剪切碰撞、斯托克斯碰撞和布朗碰撞,而其去除機理主要包括自身上浮、夾雜物-氣泡浮力碰撞、壁面吸附等.最近,本文作者研究了吹氬鋼包內(nèi)夾雜物-夾雜物隨機碰撞、氣泡-夾雜物隨機碰撞、斯托克斯碰撞效率、氣泡尾渦捕捉及渣圈影響等傳輸行為,并提出了相關(guān)機理模型[68],如表7 所列.
表7 夾雜物碰撞與去除機理Table 7 Mechanisms of inclusion collision and removal
煉鋼過程鋼液中各組分如[Al],[Si],[Mn]等元素的質(zhì)量傳輸主要通過分子擴散、鋼液對流、湍流擴散以及不同相界面處的相間反應(yīng)等方式,這些組分的質(zhì)量傳輸過程可用下式表達:
式中:[%Yi]為鋼液中組分i的局部質(zhì)量分數(shù);Sct為湍流施密特常數(shù),一般取值為0.7;Si表示相間反應(yīng),根據(jù)反應(yīng)器和反應(yīng)場所不同,它可以包括頂渣-鋼液、渣圈內(nèi)鋼液-空氣、粉劑-鋼液、渣滴-鋼液和氣泡-鋼液等界面的反應(yīng)速率.
Ersson 等[18]通過耦合VOF 多相流模型和熱力學(xué)計算軟件Thermo-Calc 描述了頂吹轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)的脫碳反應(yīng).本文作者提出了CFD-SRM[96-97]和CFD-PBM-SRM[98-99]模型分別描述了LF 爐和鋼包底噴粉過程所涉及頂渣-鋼液、空氣-鋼液、粉劑-鋼液、氣泡-鋼液多界面多組分同時反應(yīng)動力學(xué),SRM 模型主要控制方程的詳細描述可見文獻[96]和[98].
早期研究者[5-8]主要采用準單相流模型描述頂吹或頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐條件下的熔池流場和湍動信息,即模型中將頂槍射流沖擊熔池表面的凹坑假設(shè)為一個守常圓錐形或拋物面形沖擊形態(tài),并借助實驗測量或經(jīng)驗式來確定凹坑幾何形狀及氣-液間動量傳輸參數(shù).隨著多相流理論和計算流體力學(xué)的發(fā)展,目前研究者大都采用VOF 界面追蹤模型來描述頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程:Olivares 等[17]較好預(yù)測了轉(zhuǎn)爐頂吹氧射流的沖擊坑和表面波的形成,但并未定量沖擊坑的尺寸;Asahara 等[19]定量預(yù)測了不同氣量和槍位下的沖擊坑深度和直徑,發(fā)現(xiàn)隨著氣體流量的增大或槍位的降低,沖擊坑深度增大;Ersson 等[18]發(fā)現(xiàn)不同湍流模型對凹坑深度有著重要影響,但對熔池內(nèi)流場影響不大,通過修正k-ε 湍流模型的經(jīng)驗系數(shù)可以更精確預(yù)測射流的穿透深度;曹玲玲(Cao)和孫建坤(Sun)等[22,25]研究了頂吹參數(shù)對凹坑形態(tài)變化的影響規(guī)律,提出用凹坑形狀指數(shù)來描述凹坑形態(tài),并發(fā)現(xiàn)凹坑形狀指數(shù)越低,熔池的均混時間越長;李強(Li)等[20]描述了轉(zhuǎn)爐內(nèi)氣-液-渣三相流動行為,揭示了凹坑邊緣金屬液滴飛濺和撕裂行為;李明明(Li)等[24]研究了旋轉(zhuǎn)噴槍對熔池內(nèi)凹坑運動、熔渣-金屬乳液和混合的影響,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)噴槍可以改善熔池流動,促進渣-金屬乳液和混合.
對于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)的多相流行為,研究者主要采用VOF-DPM 耦合模型來描述頂吹射流凹坑運動和底吹氣泡熔池攪拌行為.Odenthal 等[26]將頂吹射流視為不可壓氣體,描述了熔池噴濺現(xiàn)象及底吹時的均混時間;本文作者團隊(Li,Lou,Zhu)[27]考慮了頂吹氧射流的可壓縮性,描述了四孔噴頭超音速射流行為和頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)氣-液兩相流行為,發(fā)現(xiàn)鋼液沖擊熔池的最大應(yīng)力出現(xiàn)在熔池深度80%處(見圖2),并優(yōu)化了最佳底吹噴孔布置;李明明(Li)等[31]研究了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)凹坑震蕩與液滴飛濺行為,指出噴槍高度對飛濺分布的影響最大,是凹坑震蕩的主導(dǎo)誘發(fā)因素;周小賓(Zhou)等[29]描述了不同操作參數(shù)下復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的攪拌強度,認為底吹主導(dǎo)熔池的攪拌效率,但當?shù)状盗髁扛哂谂R界值時,熔池攪拌強度變化較小.
圖2 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池中的計算流場和沖擊熔池的應(yīng)力分布[27]Fig.2 Predicted flow field and the stress distribution of the impinging molten pool in the molten pool of the top and bottom combined blown converter[27]
轉(zhuǎn)爐冶煉過程熔池內(nèi)的反應(yīng)主要是C,Si,Mn,P 等的氧化脫除.目前一些學(xué)者已經(jīng)開始采用數(shù)值模擬手段對轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫碳和脫磷進行了一些探索性的研究.Ersson 等[18]通過耦合VOF 多相流模型和熱力學(xué)計算軟件Thermo-Calc 描述了單孔轉(zhuǎn)爐頂吹過程氣-鋼、鋼-渣和氣-渣間的反應(yīng).研究結(jié)果表明,界面的傳質(zhì)主要依靠對流,而且脫碳期產(chǎn)生大量的CO 會降低脫碳速率.張同波[28]采用數(shù)值模擬方法描述了轉(zhuǎn)爐熔池流場及脫磷反應(yīng)動力學(xué)模型,研究分析了熔池各工藝參數(shù)對脫磷行為的影響.但是,目前這些過程現(xiàn)象機理還缺少相應(yīng)的深入解析,如渣-金相間傳質(zhì)行為、渣-金-氣乳化行為及各反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù)解析等.此外,VOF 只適宜解析某一時段(<1 min)界面流動或反應(yīng)特征,要描述整個冶煉過程的各多相運動及組分參數(shù)變化規(guī)律仍是一個難題.
底吹氬鋼包內(nèi)氣泡浮力是驅(qū)動鋼液流動的主要動力源,對底吹氬氣鋼包內(nèi)氣-液兩相流行為的準確描述是研究底吹鋼包內(nèi)其他傳輸行為的基礎(chǔ).早期研究者[9-14]主要采用準單相流模型研究了鋼包內(nèi)的流動和混合行為,并提出了考慮攪拌能和鋼包幾何形狀的混合時間計算模型.朱苗勇(Zhu)等[15-16]對單孔和多噴嘴底吹氬精煉鋼包內(nèi)鋼液的三維流動和混合攪拌過程實現(xiàn)了數(shù)值仿真,并提出了考慮噴嘴位置或數(shù)量的計算鋼包內(nèi)均勻混合時間的公式.因準單相流模型在描述多相耦合傳輸行為方面存在局限性,研究者逐漸轉(zhuǎn)向更加復(fù)雜的Euler-Lagrange 模型和Euler-Euler模型.
Johansen 等[44]采用Euler-Lagrange 模型描述了底吹鋼包內(nèi)氣-液兩相流行為,在模型中考慮了氣-液相間曳力和Lagrange 顆粒實際體積對流場的影響;Irons 團隊(Sheng,Guo,Irons)[47-48]進一步考慮了氣-液相間橫向升力對小氣泡徑向外移的影響,并認為橫向升力是造成氣泡上升分散的主要原因.但上述模型均沒有考慮不同形狀類型氣泡和氣泡群之間曳力的影響.2011 年,劉和平(Liu)等[37]耦合VOF 模型和Lagrange 模型描述了鋼包底吹過程氣-液-渣多相流動行為,以及不同吹氣參數(shù)對混合特性與渣眼形成的影響;此外,李林敏(Li)等[38]認為大渦模擬(LES)可以描述氣泡不穩(wěn)定運動的復(fù)雜湍流流動模式,并采用LES-DPM-VOF 耦合模型研究了底吹鋼包內(nèi)不穩(wěn)定氣泡運動、渣眼形成、界面波動和夾渣等行為,結(jié)果表明LES 顯示出良好的界面卷渣預(yù)測能力.但模型中均沒有考慮Lagrange 體系下氣泡實際體積對Euler 體系液體流場的影響.張立峰團隊(Duan,Zhang 等)[51]采用Lagrange 模型研究了底吹鋼包內(nèi)噴吹模式對流體流動和混合現(xiàn)象的影響,提出單噴吹混合效率最佳徑向位置和雙噴吹布置最佳角度.近年來,劉雨(Liu)和Ersson 等[52]采用DPM-to-VOF模型描述底吹鋼包內(nèi)氣泡分散、破碎和聚合行為,模型計算初始時采用Lagrange追蹤初始形成的小氣泡群,當氣泡在上浮過程中聚合形成大尺寸氣泡時,轉(zhuǎn)換為VOF 模型繼續(xù)追蹤大氣泡界面,如圖3 所示.
圖3.三種不同鼓泡方式的氣泡分布實測與計算[52]Fig.3 Measured and Predicted the bubble distribution of three different bubbling regimes[52]
Euler-Euler模型與Euler-Lagrange模型及VOF模型相比,其應(yīng)用限制性條件少,尤其在描述氣-液-固、氣-液-液或氣-液-液-固等三相或多相運動、相間傳輸和相間反應(yīng)動力學(xué)時具有顯著優(yōu)勢,更適用于冶金工程化過程描述.Turkoglu等[55]、Sheng 等[58]、Qu 等[63]采用Euler-Euler 模型描述了底吹鋼包內(nèi)氣-液兩相流動行為,但與物理實驗觀測結(jié)果相比,模型計算的氣泡流股大都呈圓柱狀,隨著氣泡上浮,其流股邊界沒有發(fā)生擴散.Ilegbusi 等[53,56]采用液體湍動黏度近似為氣相擴散系數(shù),該模型計算的含氣率與實測結(jié)果比較接近,但計算的液體速度和湍動能與實測結(jié)果仍有較大差距.為了解決上述問題,本文作者[67]綜合考慮了精煉鋼包內(nèi)鋼液湍流脈動造成的氣泡擴散現(xiàn)象,以及氣泡上浮誘導(dǎo)所產(chǎn)生的液體湍流現(xiàn)象,闡明了氣-液相間曳力、升力和湍流擴散力等不同作用力對流場的影響規(guī)律,如圖4 所示.研究發(fā)現(xiàn):氣泡群在鋼液湍流脈動作用下產(chǎn)生擴散,氣-液相間湍流擴散力決定著氣-液兩相區(qū)分布形狀和局部含氣率計算的準確性;氣泡上浮所產(chǎn)生的能量部分轉(zhuǎn)化為液體湍動能,湍流轉(zhuǎn)化系數(shù)Cb為0.85;氣-液相間曳力顯著影響熔池內(nèi)的氣-液兩相流,而氣-液相間升力和虛擬質(zhì)量力對氣-液兩相流行為的影響相對較小.
圖4 底吹氬鋼包中含氣率、液體速度和湍動能的計算及不同模型對比[67]Fig.4 Predicted gas volume fraction,liquid velocity and turbulent kinetic energy in ladle and comparison of different models[67]
鋼包精煉的主要任務(wù)之一是去除夾雜物,底吹鋼包中氣泡對夾雜物傳輸和去除具有重要作用,但Euler-Lagrange 體系無法準確描述同屬離散相氣泡與夾雜物間的相互作用機制,因此,目前研究者主要采用Euler-Euler 體系描述夾雜物傳輸和去除行為[58-61,65-66].對于夾雜物-夾雜物間的碰撞聚合機理,主要考慮了湍流剪切碰撞、斯托克斯碰撞、布朗碰撞;對于夾雜物的去除機理,則主要考慮了自身上浮、夾雜物-氣泡浮力碰撞、壁面吸附等機理,如圖5 所示.
圖5 夾雜物碰撞及去除行為示意圖Fig.5 Schematic diagram of inclusion collision and removal behavior
近年來,本文作者[68]進一步提出了鋼包底吹氬精煉過程夾雜物碰撞和去除的新機理,如圖6所示.底吹氬鋼包內(nèi)強湍流區(qū)域,夾雜物尺寸大于Kolmogorov 微尺寸時會出現(xiàn)隨機脈動.為此,提出了夾雜物湍流隨機運動模型,并分別建立夾雜物-夾雜物、夾雜物-氣泡隨機碰撞速率及夾雜物隨機上浮速率模型,同時建立氣泡尾渦捕捉夾雜物模型,并考慮了斯托克斯碰撞效率及渣圈對夾雜物行為的影響,揭示了各機制在夾雜物傳輸中的作用和貢獻[68-69],如圖7 所示.研究發(fā)現(xiàn):較低底吹氣流量下,夾雜物聚合長大主要依賴夾雜物-夾雜物湍流剪切碰撞和斯托克斯浮力碰撞共同作用,其中斯托克斯浮力碰撞為主導(dǎo)機制,且斯托克斯碰撞效率對聚合速率有著顯著的影響;隨著吹氣流量的增加,夾雜物湍流剪切碰撞機理逐漸變成夾雜物聚合長大的主導(dǎo)機制,而當噴氣量(標準狀態(tài)下)超過100 L/min 時,夾雜物湍流隨機碰撞對夾雜物聚合長大作用增強;吹氣攪拌初期,夾雜物去除主要是由氣泡尾渦捕捉和氣泡-夾雜物浮力碰撞起主導(dǎo)作用,而在吹氣攪拌中期和后期,氣泡-夾雜物湍流隨機碰撞成為夾雜物去除的主導(dǎo)方式;底吹鋼包內(nèi)尺寸<6.3 μm 的夾雜物數(shù)密度隨著時間逐漸降低,而尺寸≥6.3 μm 的夾雜物數(shù)密度則是先增后減;相同吹氣量下,雙孔底吹的夾雜物去除效果最好,雙孔布置在距中心0.6R圓環(huán)、分離角度為135°時,夾雜物去除效率最高.
圖6 鋼包精煉過程中夾雜物行為[68]Fig.6 Inclusion behavior during ladle refining[68]
圖7 計算的鋼包底吹氬中夾雜物分布、去除速率及各去除機理的貢獻[68-69]Fig.7 Predicted inclusion distribution,removal rate,and contribution of each removal mechanism in gas-stirred ladle[68-69]
硫作為鋼中主要雜質(zhì)對鋼材性能有著多方面的不利影響,精煉鋼包中脫硫主要依靠頂渣-鋼液界面反應(yīng)來進行.鋼包渣-金界面上的熱力學(xué)和動力學(xué)行為十分復(fù)雜,主要包含了[Al],[Si],[Mn],[Fe]和[S]等多個元素的同時反應(yīng),且這些反應(yīng)之間相互影響,如圖8 所示.此外,鋼液湍流場會促進渣-金界面的組分傳輸,而頂部渣圈的存在也會直接影響著渣-金接觸面積和鋼中組分元素變化.
圖8 鋼包中組分元素質(zhì)量傳輸和化學(xué)反應(yīng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of mass transfer and chemical reaction of component elements in gas-stirred ladle
目前,鋼包底吹過程脫硫動力學(xué)的數(shù)值模擬研究較少.Jonsson 等[71]和Andersson 等[72-73]基于Euler-Euler 方法,建立二維模型描述了底吹氬鋼包內(nèi)脫硫動力學(xué),氧活度、硫容量等熱力學(xué)參數(shù)分別由鋼液中[Al]-[O]平衡及KTH 模型確定,并考慮了氣-渣-鋼液三相流動對渣-金反應(yīng)的影響;但模型沒有考慮反應(yīng)組分元素在鋼液和渣中的質(zhì)量傳輸阻力.Singh 等[41]采用VOF 模型描述了鋼包內(nèi)氣-液-渣三相流動及渣-金界面行為,并通過耦合Thermo-Calc 熱力學(xué)軟件描述鋼包內(nèi)的界面脫硫反應(yīng).
本文作者[96-97]提出了CFD-SRM 耦合模型來描述底吹氬鋼包內(nèi)[Al],[Si],[Mn],[Fe]和[S]等多組分同時參與的渣-金反應(yīng)和脫硫行為,考察了不同熱力學(xué)機理模型以確定合理的硫容量和界面氧活度模型,考慮了鋼包內(nèi)氣-液兩相流和渣圈中O2吸收及氧化反應(yīng)等因素對渣-金反應(yīng)的影響,如圖9 所示.研究發(fā)現(xiàn):相比于渣-金界面的(Al2O3)-[O]平衡或(FeO)-[O]平衡,(Al2O3)-(FeO)-(SiO2)-(MnO)-[S]-[O]同時反應(yīng)平衡模型(SRM)能夠更準確地描述渣-金之間的脫硫熱力學(xué).鋼包內(nèi)頂部渣圈對脫硫效率有著重要影響,當不考慮渣圈內(nèi)的O2吸收和氧化反應(yīng)時,脫硫速率將被過高預(yù)測.
圖9 鋼液中各元素反應(yīng)速率分布云圖[96]Fig.9 Predicted the contour map of reaction rate of each element in liquid steel[96]
針對鋼包底噴粉脫硫新工藝,本文作者[98-99]建立了CFD-PBM-SRM 耦合模型來描述其過程的多相流傳輸行為及精煉反應(yīng)動力學(xué)(如圖10 所示),提出了底噴粉過程中頂渣-鋼液、空氣-鋼液、粉劑-鋼液、氣泡-鋼液多界面多組分同時反應(yīng)模型,模型考慮了氣-液兩相流、粉劑碰撞聚合及去除、脫硫產(chǎn)物飽和度對精煉反應(yīng)動力學(xué)的影響,并用熱態(tài)實驗的結(jié)果對數(shù)值模擬的準確性進行驗證.模型通過CFD 模塊獲取氣-液-粉多相流場、體積分數(shù)和湍流能量耗散率,然后將相關(guān)參數(shù)傳入PBM 和SRM 模塊;通過PBM 模塊獲取不同機制下的顆粒-顆粒碰撞聚合速率、顆粒-氣泡黏附率、顆粒去除率和最終的顆粒粒度分布,然后將相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)入CFD 和SRM;通過SRM 模塊求解頂渣-鋼液、空氣-鋼液、粉劑-鋼液、氣泡-鋼液多界面多組分的反應(yīng)速率,并將這些結(jié)果參數(shù)傳回CFD Euler-Euler 模型和組分傳輸模型實現(xiàn)動態(tài)實時耦合.研究發(fā)現(xiàn):低噴粉量時,鋼液脫硫主要依賴于粉劑-鋼液和頂渣-鋼液反應(yīng)共同作用,其中頂渣-鋼液反應(yīng)為主導(dǎo)機制;當噴粉量超過0.75 kg/t時,粉劑-鋼液反應(yīng)成為主導(dǎo)機制;當噴粉量大于2.25 kg/t 時,氣泡-鋼液反應(yīng)脫硫作用增強,并超過頂渣-鋼液貢獻;在1.5 kg/t 噴粉量下,鋼液脫硫率可達85.8%;去除脫硫產(chǎn)物夾雜的關(guān)鍵在于鼓泡流區(qū)域內(nèi)的氣泡-粉劑間的碰撞黏附作用,氣泡尾渦捕捉作用次之,而粉劑自身上浮去除機制的貢獻最小.
圖10 鋼包底噴粉過程各組分反應(yīng)速率及各脫硫機制的貢獻[98-99]Fig.10 Reaction rate of each component and contribution of each desulphurization mechanism in ladle with bottom powder injection[98-99]
(1)轉(zhuǎn)爐冶煉是一個涉及高溫多相的流動、傳質(zhì)、傳熱、乳化、噴濺、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過程,對過程現(xiàn)象建立相應(yīng)的機理模型并掌握其過程特征是解析轉(zhuǎn)爐冶煉過程特征和實現(xiàn)智能化控制的重要基礎(chǔ).目前,研究者通過對轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)多相流行為的模擬研究,有效地揭示了混勻效率、爐襯沖刷、金屬液滴噴濺等物理現(xiàn)象,并初步探索了轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫碳、脫磷化學(xué)反應(yīng)過程.但仍需要對如下現(xiàn)象、行為進行深入的模擬研究:
一是轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)乳化發(fā)泡行為.在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中,高速射流對熔池沖擊導(dǎo)致的熔體噴濺及C-O 反應(yīng)產(chǎn)生的CO 氣泡彌散都會導(dǎo)致渣-金-氣三相乳化.乳化區(qū)是精煉反應(yīng)進行的一個主要地點,它會極大地增加反應(yīng)界面積和反應(yīng)速率.因此,需要進一步深入研究乳化形成過程和形成機理,完善氣-液-渣多相流模型以定量描述乳化區(qū)彌散體系中各相的體積分數(shù)、液滴尺寸演變、運動規(guī)律及相間傳質(zhì)速率等重要信息,為進一步準確描述轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫碳、脫磷等反應(yīng)動力學(xué)奠定基礎(chǔ).
二是轉(zhuǎn)爐熔池反應(yīng)動力學(xué).爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)及由此引起的熔池升溫過程對轉(zhuǎn)爐冶煉進程產(chǎn)生重要影響,需要探尋合理的脫碳、脫磷或脫硅等反應(yīng)熱力學(xué)模型,并耦合CFD 和熱力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測爐內(nèi)化學(xué)成分和溫度的變化規(guī)律.
(2)鋼的精煉是確保實現(xiàn)鋼高潔凈化的重要環(huán)節(jié),研究者已對底吹氬鋼包內(nèi)多相流動行為、夾雜物去除行為及渣-金反應(yīng)動力學(xué)等開展了大量的數(shù)值模擬研究,描述了鋼液湍流脈動誘導(dǎo)的氣泡擴散行為和氣泡上浮誘導(dǎo)的鋼液湍流等現(xiàn)象,提出了一些新的夾雜物傳輸機理和現(xiàn)象,有效預(yù)測了鋼液中夾雜物輸運、碰撞聚合及去除行為,利用CFD-SRM 耦合模型實現(xiàn)了鋼包精煉多組分同時參與的渣-金反應(yīng)和脫硫行為的計算.但仍需要對下面的現(xiàn)象進行深入研究:
一是鋼精煉過程中的氣泡破碎、聚合行為.在實際的鋼包氬精煉過程中,氣泡會在鋼液靜壓力、溫度及湍流脈動行為作用下發(fā)生膨脹、碰撞聚合及破碎行為,進而對多相流場及夾雜物去除行為造成直接影響.需要對底吹鋼包中氣泡發(fā)生的破碎、聚合行為機理進行深入研究,揭示在氣泡破碎、聚合行為作用下的氣泡尺寸分布規(guī)律以及與各參數(shù)間的定量關(guān)系.
二是鋼精煉過程中的夾雜物傳輸及去除行為.實際精煉過程中不同成分類型的夾雜物形狀不同,而且與渣層接觸時會因不同形狀液膜的阻力導(dǎo)致一部分夾雜物無法被渣吸附.目前的模擬基本上沒有考慮這一重要現(xiàn)象.此外,鋼渣界面卷混和鋼液與包襯間的物理化學(xué)行為目前尚未得到真正準確的描述.因此,鋼精煉過程中夾雜物的數(shù)值模擬需要從理論描述、基本現(xiàn)象的認識上開展更深入的研究.