一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法及仿真系统

本发明属于钢铁冶金领域，尤其涉及一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法及仿真系统。

背景技术：

1、转炉炼钢法是当前世界上最主要的炼钢方法，顶吹供氧和底吹惰性气体是复吹转炉冶炼的主要工艺方式。冶炼过程中驱动熔池搅拌和流动的能量来源分为三个方面：顶吹超音速氧气射流、底吹惰性气泡羽流以及熔池内部碳-氧反应生成的co气泡群流。其中，顶吹超音速氧气射流有利于熔池气-渣-金的乳化，促进脱磷和脱碳反应，极大地影响冶炼过程各种复杂现象的发生；底吹惰性气泡羽流有利于熔池的搅拌和混匀，提升熔池的动力学条件；碳-氧反应生成的co气泡群流动在不同冶炼时期对熔池形成不同程度的搅拌与混匀作用。明晰上述三种能量源作用下的转炉熔池流场变化规律对于转炉反应器的设计以及高效稳定地运行至关重要。

2、现有技术中，炼钢转炉冶炼过程中碳-氧反应呈现出典型的三阶段模式，脱碳速率呈先升高后平稳最后降低的趋势，整个过程碳含量逐渐降低，在不同吹炼阶段，熔池内部碳-氧反应生成的气泡对熔池有着复杂的搅拌影响，此外，顶吹氧枪枪位、流量以及底吹流量会随时间而变化。然而，目前现有的技术大多集中于针对顶吹、底吹以及顶底复合吹炼作用下的熔池流场进行研究，有关碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场的行为特征尚缺乏研究。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法及仿真系统，用于克服目前该领域研究中存在的缺陷。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，包括如下步骤：

4、步骤s1：获取实际生产中炼钢转炉的结构参数，进行合理简化，建立转炉三维几何模型；

5、步骤s2：将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理，得到转炉网格模型；

6、步骤s3：将所述转炉网格模型导入仿真软件（具体可以采用ansys fluent仿真软件），设定模型求解的基本假设，选择计算模型，设定物性参数、设定边界条件以及设定求解算法，随后进行初始化操作，最后进行迭代计算，得到顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场；

7、步骤s4：获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，根据碳守恒计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，计算得到转炉不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例（具体可以通过factsage软件计算得到），得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量；

8、步骤s5：建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，将所述熔池液相部分碳-氧反应气泡量设定为碳-氧反应的输入流量，对碳-氧反应气泡在渣-金界面消失行为进行编译（具体可以调用udf程序进行编译），得到熔池内部碳-氧反应气泡行为；

9、步骤s6：将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与步骤s3得到的顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，求解得到顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果；

10、步骤s7：对所述碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果进行后处理操作，得到不同吹炼时刻下碳-氧反应作用下的炼钢转炉熔池流场。

11、进一步地，所述步骤s2中，将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理的过程中，对氧枪拉瓦尔喷头区域、底部元件区域以及气-渣-金界面区域进行局部网格加密处理，所述加密处理具体为：计算域采用六面体结构化网格划分，整体网格质量大于0.5，网格数量大于50万。

12、进一步地，所述步骤s1中，所述结构参数包括转炉炉体的结构参数、氧枪拉瓦尔喷头的结构参数和底部元件的结构参数；所述进行合理简化的方法为：

13、对于转炉炉体，简化后的考虑因素包括炉膛内部几何形状、熔池钢液区域及熔池钢液区域上部700-2000 mm范围处的炉渣和气相区域；

14、对于氧枪拉瓦尔喷头，简化后的考虑因素包括收缩段、喉口以及扩张段内部区域；

15、将底部元件简化成圆孔形状。

16、进一步地，所述步骤s3中，所述设定模型求解的基本假设包括：

17、（1）氧气为可压缩牛顿流体；氩气、钢液和炉渣为不可压缩牛顿流体；

18、（2）氧气满足粘性萨瑟兰定律，其它流体的物性参数保持恒定。

19、进一步地，所述步骤s3中，所述选择计算模型，具体为：

20、选择vof多相流模型对气-渣-金界面进行求解，选择dpm离散相模型对底吹氩气泡进行求解，选择能量守恒方程对高温熔池内部传热行为进行求解，选择标准k-ε湍流模型对熔池流场进行求解。

21、进一步地，所述步骤s3中，所述设定物性参数包括：设定氧气和氩气的物性参数值为300 k温度条件下所对应的物性参数值，炉渣和钢液的物性参数值为1873 k温度条件下所对应的物性参数值；

22、所述设定边界条件时包括：顶吹入口采用profile边界条件，氧气相体积分数为1，顶吹入口温度为300 k；顶面出口采用压力出口边界条件，顶面出口温度为1873 k；底吹入口采用壁面边界条件同时dpm选项处的边界采用escape类型，氩气相体积分数为1，氩气的注入温度为300 k；转炉炉体除了顶吹入口、顶面出口、底吹入口的其余部位采用壁面边界条件，并将所述其余部位设定为绝热壁面；

23、所述步骤s3中，所述设定求解算法包括：压力-速度耦合采用piso算法，压力插值采用presto!算法，自由界面插值采用geo-reconstruct算法，控制方程对流项的离散使用二阶迎风格式。其中，presto!算法（pressure staggering option，presto!）为交错压力算法，用于对压力项进行离散，以使压力更好地同时满足动量方程和连续性方程；presto!算法是fluent软件中一个常规选项，为常规技术。

24、进一步地，所述步骤s3中，所述进行初始化操作包括：采用混合初始化方式对计算域进行初始化操作，同时通过patch功能将计算域中钢液区域、炉渣区域以及氧气区域所对应的相体积分数设置为1。

25、进一步地，所述步骤s4，具体包括：

26、步骤s41，获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，所述烟气信息数据包括不同冶炼时刻转炉烟气总流量、co和co2体积比例，采用公式（1）和（2）计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，公式如下：

27、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mfrac><mrow><mi>dw</mi><mi>[c]</mi></mrow><mi>dt</mi></mfrac><mi>=</mi><mfrac><mn>12</mn><mrow><mn>22</mn><mi>.</mi><mn>4</mn></mrow></mfrac><mi>⋅</mi><msub><mi>q</mi><mi>gas</mi></msub><mi>⋅</mi><mi>φ</mi><mi>(co</mi><mo>+</mo><msub><mi>co</mi><mn>2</mn></msub><mi>)/</mi><msub><mi>w</mi><mi>steel</mi></msub></mstyle>（1）

28、式（1）中，<mfrac><mrow><mi>dw</mi><mi>[c]</mi></mrow><mi>dt</mi></mfrac>为脱碳速率，单位为：%·s-1；qgas为转炉烟气总流量，单位为：nm3·s-1；φ (co+ co2)为co和co2的体积比例，单位为：%；wsteel为钢液质量，单位为：t；

29、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>g</mi><mi>co</mi></msub><mi>=</mi><mfrac><mn>28</mn><mn>12</mn></mfrac><mi>⋅</mi><mfrac><mn>1</mn><mn>60</mn></mfrac><mi>⋅</mi><mfrac><mn>1000</mn><mn>100</mn></mfrac><mi>⋅</mi><mfrac><mrow><mi>dw</mi><mi>[c]</mi></mrow><mi>dt</mi></mfrac><mi>⋅</mi><msub><mi>w</mi><mi>steel</mi></msub></mstyle>（2）

30、式（2）中，gco为熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，单位为：kg·s-1；

31、步骤s42，通过factsage软件中multiple interconnected equilibrium和adiabatic stoichiometric reactor方法结合macro programming功能计算得到不同冶炼时刻转炉熔池液相部分碳-氧反应比例λ；

32、步骤s43，采用公式（3）计算得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量，公式如下：

33、qco=λ·gco（3）

34、式（3）中，qco为熔池液相部分碳-氧反应气泡量，单位为：kg·s-1。

35、进一步地，所述步骤s5，具体包括：

36、步骤s51：通过ansys fluent中的bounded和sample points功能建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，保证熔池上部碳-氧反应气泡生成点数量高于熔池下部区域；

37、步骤s52：udf程序中调用define_dpm_scalar_update宏，当熔池液相碳-氧反应气泡上升到渣-金界面相体积分数为0.5的区域时，气泡被自动去除。

38、一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真系统，包括：

39、转炉三维几何模型构建模块：获取实际生产中炼钢转炉的结构参数，进行合理简化，建立转炉三维几何模型；

40、结构化网格划分模块：将所述转炉三维几何模型进行结构化网格划分处理，得到转炉网格模型；

41、顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟仿真模块：

42、用于将所述转炉网格模型导入仿真软件，设定模型求解的基本假设，选择计算模型，设定物性参数、设定边界条件以及设定求解算法，随后进行初始化操作，最后进行迭代计算，得到顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场；获取转炉实际生产过程中的烟气信息数据，根据碳守恒计算得到不同冶炼时刻熔池气相和液相部分碳-氧反应气泡总量，计算得到转炉不同冶炼时刻熔池液相部分碳-氧反应比例，得到熔池液相部分碳-氧反应气泡量；建立熔池内部碳-氧反应气泡生成点，将所述熔池液相部分碳-氧反应气泡量设定为碳-氧反应的输入流量，对碳-氧反应气泡在渣-金界面消失行为进行编译，得到熔池内部碳-氧反应气泡行为；以及，将所述熔池内部碳-氧反应气泡行为与得到的所述顶吹和底吹复合吹炼条件下的转炉熔池流场进行耦合计算，求解得到顶吹、底吹以及碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果；

43、后处理模块：对所述碳-氧反应作用下的转炉熔池模拟结果进行后处理操作，得到不同吹炼时刻下碳-氧反应作用下的炼钢转炉熔池流场。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

45、本发明提供的一种碳-氧反应作用下炼钢转炉熔池流场仿真方法，通过考虑熔池液相部分碳-氧反应生成的co气泡上浮行为，模拟了转炉冶炼过程中三种能量源：顶吹超音速氧气射流、底吹惰性气泡羽流以及熔池内部碳-氧反应生成的co气泡群流作用下的熔池流场，所得模拟结果更加符合实际转炉熔池内部流动行为，可以获得碳-氧反应作用下熔池动力学特性的变化规律，上述结果对于实际转炉的设计优化、底吹工艺的优化、吹炼制度的优化以及转炉高效稳定的生产具有重要的指导意义。