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摘要：本文运用计算机仿真技术对KR法铁水脱硫罐内铁水的流动进行了模拟，并得到了铁水液面的漩涡。同时，模拟了搅拌头的侵蚀对搅拌效果的影响，得出了搅拌头半径、转速等参数对搅拌效果的一些基本规律。
关键词：KR法；多相流模型；数值模拟
随着市场对钢种的质量要求越来越高，许多钢厂在炼钢生产之前都采用铁水脱硫工艺对高炉铁水进行处理。这不仅可以减轻高炉的负担、降低焦比、减少渣量和提高产量，也使得转炉不必为脱硫而采取大量渣量高碱度操作，提高了金属收得率和生产效率[1]。目前，广泛应用的铁水脱硫工艺主要有KR机械搅拌法和喷吹法。KR法脱硫虽然一次性投资稍大，但其极好的脱硫动力学条件得到许多钢厂的亲睐。
1建立模型
1.1模型的几何尺寸及网格划分
铁水罐和十字搅拌头几何尺寸参数如图1中所示。另外，搅拌头的旋转速度按恒定的120r/min计算。
1.2数学模型
1.2.1模型假设条件
（1）不考虑温度对铁水物性参数及流动特性的影响；（2）铁水为不可压缩流；（3）不考虑铁水罐内铁水上面铁水渣对流动的影响。
1.2.2数学模型的建立
本次数值模拟以铁水罐内铁水和铁水上部空气为研究对象，采用自编译程序对模型进行求解。KR法脱硫是借助于搅拌头旋转产生的漩涡将脱硫剂卷入铁水中与铁水充分接触反应，达到脱硫目的。由于多相流模型能很好的处理自由表面流动和分层流动，因此引入多相流模型对铁水液面的波动和漩涡进行模拟。因此，本次研究所用到的数学模型主要有连续性方程、动量方程、及k-ε方程和多相流模型。
2结果分析
2.1模型流场分析
图2是图1中模型的计算结果，a图是z=1.8m处x-y平面上的速度矢量图。从a图中可以看出，十字搅拌头带动罐内铁水按逆时针方向旋转，搅拌头半径范围内速度较大，沿径向速度逐渐减小。
b图是x=0截面上的流速矢量图，由于搅拌头的旋转，铁水沿切向旋转的同时，铁水还往径向流动，遇到铁水罐罐壁处流动受阻，铁水流股分成上、下两个不同方向的流动，并各自形成回流。向下流动的铁水沿着罐壁、罐底向中心发展形成回流，对底部起到了搅拌作用。
2.2液面漩涡的发展
图3反映的是模型的x=0截面上铁水分布，下部为铁水，上部为控制容器内的空气，铁水与空气之间有一个明显的分界面。5张图分别显示了铁水漩涡充分发展前、后不同时刻的铁水分布图。
由图可知，在搅拌初期由于搅拌不充分，铁水流动没有充分发展，因此液面虽有波动，但波动幅度不大。如果这时候加入脱硫剂，脱硫剂则不能顺利地进入铁水内部进行脱硫，而是浮在液面上，并附着在液面处搅拌头的轴上，使搅拌头的轴结“蘑菇”瘤，影响脱硫效果，增加工人处理结瘤的次数。随着搅拌的继续，液面波动不断加剧，并逐渐形成漩涡，在搅拌6.0s时漩涡形状已经很明显，漩涡深度达到0.4m。在8.0s时，漩涡深度达到0.6m，再继续搅拌，漩涡深度基本没有变化，说明铁水流动得到了充分发展，漩涡充分形成，这时再加入脱硫剂才能达到较好的脱硫效果。
实际生产过程中，由于搅拌速度按照速度曲线的控制是由小不断增大的，而本次模拟是将搅拌速度恒定在120r/min，因此模拟数据与实际数据有一定差别，实际脱硫剂的加入时机也相对延后（一般是1.5～2.0min时加入），以确保漩涡充分形成。但图3的模拟结果也基本反映了搅拌过程中漩涡形成的规律。
2.3搅拌头侵蚀的影响
在KR法铁水脱硫工艺中，十字搅拌头是个关键设备，它是在钢结构骨架外预制一层约80～150mm厚的耐火浇注料，经浇注成型和热处理加工而成。搅拌头也是一个易损件，搅拌过程中，受铁水的冲刷、侵蚀。
在图1新搅拌头模型的基础上将搅拌头的每个面减薄30mm，进行旧搅拌头的数值模拟，其结果见图4中。从图4中可以看出，铁水液面也形成了脱硫所需要的漩涡，但是深度只0.35m，比图3中新搅拌头的漩涡深度减小了0.25m，搅拌头的搅拌效果也受到影响，因而脱硫效率有所下降。
搅拌头在搅拌过程中，不仅单纯的减薄，更主要的是棱角的破损。因此，在图4模型的基础上对搅拌头进行修正，对各个边进行倒圆角（R=50mm），转速仍为120r/min，其计算结果见图5。从图5中可以看出，铁水液面漩涡深度很小，已经不能将脱硫剂顺利的卷入铁水中达到高效脱硫的目的。从中可知，搅拌头棱角的磨损对脱硫的效率是有着很大影响的。因此，在生產过程中，及时地修补搅拌头是很必要的。
图5模型所暴露的问题可以通过提高搅拌头的转速在一定程度上弥补，图6正是在图5模型的基础上将搅拌头的转速由120r/min提高到150r/min所得到的结果。从图6中可以看出，提高搅拌头的转速可以使液面漩涡深度加大，这在搅拌头使用寿命后期是一个有效的措施。
3结论
本文通过对KR法脱硫罐内流动进行了数值模拟，得出如下结论：
1）运用自编译程序能很好的模拟KR法铁水罐罐内铁水流动，采用多相流模型能准确的模拟出液面漩涡；
2）铁水液面漩涡有一个随搅拌时间逐渐形成的过程，由搅拌初期的不规则波动发展到后来具有一定深度、稳定、抛物线状漩涡，为脱硫创造有利的动力学条件。
3）搅拌头随着侵蚀的加剧，半径在减小，棱角在消失，从而大大的减弱了搅拌能力，降低了脱硫效率，因此在使用后期应当提高搅拌头的旋转速度，以提高脱硫效率，直至更换搅拌头。
参考文献：
[1]王炜等.KR预处理的工艺参数对铁水脱硫效果的影响.特殊钢.2006，27（4）：50～52.
（作者单位：中冶华天南京工程技术有限公司）
关键词：KR法；多相流模型；数值模拟
随着市场对钢种的质量要求越来越高，许多钢厂在炼钢生产之前都采用铁水脱硫工艺对高炉铁水进行处理。这不仅可以减轻高炉的负担、降低焦比、减少渣量和提高产量，也使得转炉不必为脱硫而采取大量渣量高碱度操作，提高了金属收得率和生产效率[1]。目前，广泛应用的铁水脱硫工艺主要有KR机械搅拌法和喷吹法。KR法脱硫虽然一次性投资稍大，但其极好的脱硫动力学条件得到许多钢厂的亲睐。
1建立模型
1.1模型的几何尺寸及网格划分
铁水罐和十字搅拌头几何尺寸参数如图1中所示。另外，搅拌头的旋转速度按恒定的120r/min计算。
1.2数学模型
1.2.1模型假设条件
（1）不考虑温度对铁水物性参数及流动特性的影响；（2）铁水为不可压缩流；（3）不考虑铁水罐内铁水上面铁水渣对流动的影响。
1.2.2数学模型的建立
本次数值模拟以铁水罐内铁水和铁水上部空气为研究对象，采用自编译程序对模型进行求解。KR法脱硫是借助于搅拌头旋转产生的漩涡将脱硫剂卷入铁水中与铁水充分接触反应，达到脱硫目的。由于多相流模型能很好的处理自由表面流动和分层流动，因此引入多相流模型对铁水液面的波动和漩涡进行模拟。因此，本次研究所用到的数学模型主要有连续性方程、动量方程、及k-ε方程和多相流模型。
2结果分析
2.1模型流场分析
图2是图1中模型的计算结果，a图是z=1.8m处x-y平面上的速度矢量图。从a图中可以看出，十字搅拌头带动罐内铁水按逆时针方向旋转，搅拌头半径范围内速度较大，沿径向速度逐渐减小。
b图是x=0截面上的流速矢量图，由于搅拌头的旋转，铁水沿切向旋转的同时，铁水还往径向流动，遇到铁水罐罐壁处流动受阻，铁水流股分成上、下两个不同方向的流动，并各自形成回流。向下流动的铁水沿着罐壁、罐底向中心发展形成回流，对底部起到了搅拌作用。
2.2液面漩涡的发展
图3反映的是模型的x=0截面上铁水分布，下部为铁水，上部为控制容器内的空气，铁水与空气之间有一个明显的分界面。5张图分别显示了铁水漩涡充分发展前、后不同时刻的铁水分布图。
由图可知，在搅拌初期由于搅拌不充分，铁水流动没有充分发展，因此液面虽有波动，但波动幅度不大。如果这时候加入脱硫剂，脱硫剂则不能顺利地进入铁水内部进行脱硫，而是浮在液面上，并附着在液面处搅拌头的轴上，使搅拌头的轴结“蘑菇”瘤，影响脱硫效果，增加工人处理结瘤的次数。随着搅拌的继续，液面波动不断加剧，并逐渐形成漩涡，在搅拌6.0s时漩涡形状已经很明显，漩涡深度达到0.4m。在8.0s时，漩涡深度达到0.6m，再继续搅拌，漩涡深度基本没有变化，说明铁水流动得到了充分发展，漩涡充分形成，这时再加入脱硫剂才能达到较好的脱硫效果。
实际生产过程中，由于搅拌速度按照速度曲线的控制是由小不断增大的，而本次模拟是将搅拌速度恒定在120r/min，因此模拟数据与实际数据有一定差别，实际脱硫剂的加入时机也相对延后（一般是1.5～2.0min时加入），以确保漩涡充分形成。但图3的模拟结果也基本反映了搅拌过程中漩涡形成的规律。
2.3搅拌头侵蚀的影响
在KR法铁水脱硫工艺中，十字搅拌头是个关键设备，它是在钢结构骨架外预制一层约80～150mm厚的耐火浇注料，经浇注成型和热处理加工而成。搅拌头也是一个易损件，搅拌过程中，受铁水的冲刷、侵蚀。
在图1新搅拌头模型的基础上将搅拌头的每个面减薄30mm，进行旧搅拌头的数值模拟，其结果见图4中。从图4中可以看出，铁水液面也形成了脱硫所需要的漩涡，但是深度只0.35m，比图3中新搅拌头的漩涡深度减小了0.25m，搅拌头的搅拌效果也受到影响，因而脱硫效率有所下降。
搅拌头在搅拌过程中，不仅单纯的减薄，更主要的是棱角的破损。因此，在图4模型的基础上对搅拌头进行修正，对各个边进行倒圆角（R=50mm），转速仍为120r/min，其计算结果见图5。从图5中可以看出，铁水液面漩涡深度很小，已经不能将脱硫剂顺利的卷入铁水中达到高效脱硫的目的。从中可知，搅拌头棱角的磨损对脱硫的效率是有着很大影响的。因此，在生產过程中，及时地修补搅拌头是很必要的。
图5模型所暴露的问题可以通过提高搅拌头的转速在一定程度上弥补，图6正是在图5模型的基础上将搅拌头的转速由120r/min提高到150r/min所得到的结果。从图6中可以看出，提高搅拌头的转速可以使液面漩涡深度加大，这在搅拌头使用寿命后期是一个有效的措施。
3结论
本文通过对KR法脱硫罐内流动进行了数值模拟，得出如下结论：
1）运用自编译程序能很好的模拟KR法铁水罐罐内铁水流动，采用多相流模型能准确的模拟出液面漩涡；
2）铁水液面漩涡有一个随搅拌时间逐渐形成的过程，由搅拌初期的不规则波动发展到后来具有一定深度、稳定、抛物线状漩涡，为脱硫创造有利的动力学条件。
3）搅拌头随着侵蚀的加剧，半径在减小，棱角在消失，从而大大的减弱了搅拌能力，降低了脱硫效率，因此在使用后期应当提高搅拌头的旋转速度，以提高脱硫效率，直至更换搅拌头。
参考文献：
[1]王炜等.KR预处理的工艺参数对铁水脱硫效果的影响.特殊钢.2006，27（4）：50～52.
（作者单位：中冶华天南京工程技术有限公司）