计算流体动力学（CFD）模拟铁水脱硫技术.docxVIP

铁水脱硫的CFD数值模拟Stefan Pirker1,*，Philipp Gittler1，Hermann Pirker2， Joachim Lehner 21约翰开普勒大学，林茨4040，奥地利2奥地利奥钢联技术国际公司，Postfach 3，林茨4031，奥地利1999年12月1日收到；2000年11月1日收到修订版；2001年4月24日收录。翻译：马兵兵中国铝业重庆分公司 mabing1986310@摘要本文研究了在一个被厚合成熔渣层覆盖的装有铁水的大钢包内进行脱硫的CFD模型。在充氮气搅拌的过程，硫转移到熔渣中，熔渣中的硫离子被氧化（O2喷枪提供）消除以恢复熔渣脱硫能力。研究了铁水脱硫和熔渣再生短暂的接触过程中发生的宏观冶金反应动力学规律。计算了层流切应力造成的铁水和熔渣之间的相互作用力。通过自适应网格算法获得相界面和熔渣表面的位置。用代数漂移不稳定模型模拟了由气泡上升引起的流动开始过程，通过这些模拟获得了熔渣和金属相与温度之间的完全三维流动模型。此外，可以观察到改变主要反应物浓度引起的变化。2002 科学出版社公司拥有所有版权。关键词：CFD模拟；铁水脱硫；熔渣再生；冶金反应引言本文用CFD模拟提出了一种新的脱硫技术，与传统的铁水脱硫技术不同，这种新技术可以使合成熔渣再生和重复使用多次。这项技术可分为两个主要的工艺步骤。首先，是铁水脱硫过程中溶解在铁水中的硫向合成熔渣层的转移，此过程将在接下来的两节中讨论。其次，当硫含量达到一定量时，通过通入氧气再生合成熔渣，第二个步骤和第一个步骤分开探讨。熔渣再生后新的铁水脱硫过程将从头开始，通过CFD帮助模拟这种新技术的不同方面可以优化氮气塞或者氧枪的位置。此仿真模型模拟的结果与进行的高温试验结果相当。专业名词A面积（m2）g重力加速度（m/s2）h 高度（m）△H 摩尔反应焓（J）I0 初始喷咀动量（kg m/s2）Kreg熔渣再生平衡常数（–）Ls脱硫平衡常数（–）Ms 硫摩尔质量（kg）P 流体静压，气体分压（Pa）Q 发热量（J）r 平均半径（m）t 时间（s）T 温度（K）u 速度（m/s）V 体积（m3）△z 自由表面形变（m）希腊符号α 气体体积分数（–）α 传热系数（W/m2 K）ε 散热系数（–）κ 传质系数（kg/m2 s）μ 粘度（kg/m s）ρ 混合物密度（kg/m3）τ 切应力（Pa）注解b 气泡c 气孔drift 漂移（–速度）e 环境f-str游离的g 气体hm铁水inter 熔渣界面react 反应sl熔渣surf 熔池表面tr最终上升（–速度）wall 熔炉壁和底lam 层流turb紊流化学术语[ ] 物质溶入铁水质量分数( ) 物质溶入熔渣质量分数{ } 气体物质质量分数模拟脱硫工艺模型假设铁水和熔渣是符合密度恒定和分子引力不变的牛顿流体，结果我们都知道两个阶段都满足雷诺平均纳维–斯托克斯方程。流体的紊流特性用κ–ε模型模拟[1]，物质传递，也就是说，硫在铁水中的传递或者硫离子在熔渣中的传递，用一个包含了对流和扩散传递关系的数量传递方程计算[2]。利用恒定斯密特数计算紊流扩散。为了模拟温度情况，引进了一个基于对流和传导能量传递方程。假定所有物理常数不变（见下表1），铁水和熔渣中涉及的计算原则上分开，物理和化学之间的相互影响假定只发生在铁水和熔渣接触的表面。表1 物理常数铁水熔渣密度（kg/m3子粘度（kg/m s）5.5×10-35×10-2传热系数（W/m）303热容量（J/kg K）6901300散热系数—0.5相界面传热系数（W/m2 K）—60炉壁传热系数（W/m2 K）1.51.5质传递扩散速率（m2/s）10-810-8紊流斯密特常数100100铁水和熔渣接触界面切应力如果熔池搅动不太强烈或者乳化作用没有发生，我们认为铁水和熔渣这两种流体符合层流条件，为了解释发生在相界面上物理作用力之间的相互影响模型，我们认为它是一个库爱特流动。热的铁水相和上层的熔渣位于两个相互平行的平行平面，上层以恒定速度uc向右流动，由于没有相对滑动，即使是最上层的熔渣层也以相同速度移动。无论是铁水还是熔渣，在它们的相接触界面中间都受到切应力作用，在平衡状态它们相互抵消：τsl→inter=τhm→inter（1）在计算机编码里这一原理通过一个移动的相界面墙来实现，这个虚拟的相界面移动速度介于邻近的铁水和熔渣流速之间。通过比较铁水和熔渣层的切应力计算给定位置相界面的准确速度。图1显示了铁水和熔渣在库爱特条件下的紊流情况。在