[发明专利]一种确定铁水包内气液两相流气含率的计算方法

说明书

本发明涉及一种确定铁水包内气液两相流气含率的计算方法，根据实际的铁水包的工艺参数，建立水模型的二维几何模型，确定水模型中的气体喷吹流量Q_m，建立气液两相流模型和气液间相互作用力模型，获得水模型中的气含率分布图以及气液相流场。本发明方法可计算出气体在铁水包出口处的气含率及溢出速度，分析得出气体溢出而导致的液相喷溅量，可通过改变喷枪气体流量及插入喷枪深度检测其对气含率、溢出速度及喷溅量的影响，用于实时准确调整各工艺参数，减少事故的发生率。

技术领域

本发明涉及一种确定铁水包内气液两相流气含率的计算方法，属于铁水预处理脱硫过程模拟仿真领域。

背景技术

随着钢铁行业、加工制造业以及与钢铁相关行业的发展，钢材用户对钢材质量的要求越来越高。硫作为一种钢铁中主要的有害元素，不仅容易使钢材产生热脆性，降低钢材的延展性、韧性以及耐腐蚀性，同时容易使钢材产生裂纹。所以应尽量控制硫元素的含量，从而保证钢材的质量。铁水预处理脱硫技术不仅具有较好的脱硫效果，而且脱硫费用较低，故铁水预处理技术已成为钢铁厂生产中必备的环节。目前机械搅拌法(KR法)和喷吹法是国内外最常用的两种铁水预处理方法，其中，机械搅拌法是将搅拌桨深入到铁水包中并在铁水中加入脱硫剂来达到脱硫目的；而喷吹法是通过插入铁水中的高压喷枪将镁颗粒喷入到铁水包中，通过镁颗粒汽化产生的气泡及溶解镁与硫反应。

在实际生产过程中，由于铁水温度较高，镁颗粒喷入铁水中会立即汽化并产生大量气体，气体在上浮过程中带动铁水流动，当气体到达铁水表面时破裂并伴随着铁水的喷溅。喷溅行为不仅增加炼钢厂的风险，威胁操作人员的安全而且铁耗增加，增加吨钢冶炼成本。而目前对于喷溅的预防，由于铁水温度较高，目前无法洞悉冶炼过程的内部行为，现场人员普遍依据工作经验减小喷吹量及改变喷枪位置，并未有专门的理论指导。而数值模拟方法通过求解一系列控制方程，不仅可以得到气液两相的分布情况，还可以分析相关参数对其的影响。

目前对铁水包内气液两相流气含率领域的计算较少，且铁水包内气液两相流也无法得到验证，故有必要建立一种描述铁水包-水模型内气含率的模拟方法，计算出气体在铁水包出口处的气含率及溢出速度，分析得出气体溢出而导致的液相喷溅量，通过改变喷枪气体流量及插入喷枪深度检测其对气含率、溢出速度及喷溅量的影响，以此，实时准确调整各工艺参数，减少事故的发生率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种确定铁水包内气液两相流气含率的计算方法，通过建立铁水包-水模型中气含率的数值模拟方法，了解气体在铁水包-水模型中的分布情况，为降低喷溅提供理论依据，弥补了目前铁水包内气液两相流数值模拟方面的空缺。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种确定铁水包内气液两相流气含率的计算方法，其包括如下步骤：

S1、根据实际的铁水包的工艺参数，以一定的相似比确定水模型的几何尺寸；

S2、根据S1确定的水模型的几何尺寸，建立水模型的二维几何模型，并划分为二维结构网格模型；

S3、根据铁水包高、喷枪插入深度、喷嘴直径、镁粉的喷吹流量、载气流量及步骤S1中所述水模型的几何尺寸，确定水模型中的气体喷吹流量Q_m；

S4、气液两相流模型的建立，气液两相流模型包括欧拉多相流模型和k-ε湍流模型；所述欧拉多相流模型包括质量守恒方程和动量守恒方程；通过计算所述k-ε湍流模型得出液体的湍动能k及液体的湍流耗散率ε，根据湍动能k及液体的湍流耗散率ε计算出液相的有效黏度μ_eff并将液相的有效黏度μ_eff带入欧拉多相流模型中求解欧拉多相流模型，得出气液相的流速及气相在液相中所占的体积百分率，即气含率；