旋流喷吹角度对RH精炼多相流及混匀行为的影响

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230312

摘要/Abstract

摘要：

利用数值模拟研究了旋流喷吹角度对RH（Ruhrstahl-Heraeus）精炼过程中多相流、循环流量及混匀时间的影响.与传统喷吹相比，采用喷嘴水平旋转30°+竖直倾斜15°和水平旋转30°+竖直倾斜30°喷吹时，RH循环流量分别提高了17.8%和20.1%，混匀时间分别缩短32.6%以及21.4%.采用旋流喷吹时，上升管内钢液产生旋转流动，速度分布更均匀，旋流促进了氩气泡在上升管内的向心运动，与传统喷吹相比气泡分散度提高，强化了气/液两相作用、钢液传质及提高了混匀效率.此外，与喷嘴仅水平旋转30°相比，采用喷嘴水平旋转30°+竖直倾斜15°喷吹时，上升管壁面剪切应力由500 Pa降低至约100 Pa，且高壁面剪切应力区域面积大大减小，有利于降低钢液对耐火材料的冲刷侵蚀.

关键词: RH精炼, 旋流喷吹, 循环流量, 混匀时间, 数值模拟

Abstract:

The effects of swirling-flow gas injection angles on multiphase flow， circulation flow and mixing time in the RH refining process were investigated using numerical simulation. Compared with the conventional gas injection mode， the circulation flow increased by 17.8% and 20.1%， respectively， when the swirling-flow gas injection nozzles with 30° horizontal angle + 15° vertical angle and 30° horizontal angle + 30° vertical angle were employed. Moreover， the mixing time was reduced by 32.6% and 21.4%， respectively. With the swirling-flow gas injection technology， a swirling steel flow was generated in the up-snorkel and the steel flow velocity was more uniform. The swirling-flow caused argon bubbles to move centripetally in the up-snorkel. The bubble dispersion was improved compared to the conventional gas injection mode. This promoted the gas-liquid two-phase interaction， mass transfer and mixing efficiency. Additionally， the wall shear stress was reduced from 500 Pa to around 100 Pa when the swirling-flow gas injection of 30° horizontal angle 15°vertical angle was applied， compared to swirling-flow gas injection with only 30° horizontal angle. Also， the area of the high wall shear stress region was decreased greatly， which is helpful to reduce the erosion of refractory materials by molten steel.

Key words: RH refining, swirling-flow gas injection, circulation flow, mixing time, numerical simulation

中图分类号:

TF 769.4

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图/表 11

图1 RH几何形状及上升管喷嘴布置（a）—径向喷吹喷嘴布置；（b）—旋流非径向喷吹喷嘴布置；（c）—工业RH几何形状.

Fig.1 Geometry of the RH furnace and distribution of the up-snorkel nozzles

图2 数值模型预测值与水模型测量值的示踪剂浓度变化对比（a）—点1；（b）—点2；（c）—点3.

Fig.2 Comparison of tracer concentration variations between numerical model prediction and water model measurement

图3 喷吹角度对循环流量的影响

Fig.3 Effect of different nozzle angles on circulation flow rate

图4 不同喷吹条件下体积评估法得到的混匀时间

Fig.4 Mixing time distribution evaluated by the volume monitoring method under different gas injection conditions

图5 不同喷吹模式下钢液流动路径（a）—传统喷吹0°［23］；（b）—水平旋转30°喷吹［23］；（c）—水平旋转30°+竖直倾斜15°喷吹；（d）—水平旋转30°+竖直倾斜30°喷吹.

Fig.5 Steel flow streamline under different injection modes

图6 不同喷吹模式下RH主截面速度场（a）—传统喷吹0°［23］；（b）—水平旋转30°喷吹［23］；（c）—水平旋转30°+竖直倾斜15°喷吹；（d）—水平旋转30°+竖直倾斜30°喷吹.

Fig.6 Velocity distribution on the vertical middle plane of RH furnace under different injection modes

图7 不同喷吹条件下上升管H=900 mm横截面径向的速度分布（a）—总速度；（b））—切向速度.

Fig.7 Velocity conditions on cross-section of the up-snorkel at location of H=900 mm under different injection conditions

图8 不同喷吹模式下上升管壁面剪切应力（a）—上升管壁面剪切应力分布；（b）—h1—h2区域剪切应力平均值.

Fig.8 Shear stress on the wall of up-snorkel under different injection modes

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