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分享：如何让210 t转炉里的钢水搅拌更均匀

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浏览：- 发布日期：2026-07-28 16:54:19【大中小】

在现代钢铁冶炼工艺中，转炉冶炼是主要方法之一。目前主要采用顶底复吹的方法炼钢，在顶吹氧气的同时从转炉底部吹入氮气或者氩气等气体搅拌钢水，改善熔池的流动性，增加熔池的混匀速率，提高转炉冶炼效率^[1−4]。

转炉底吹过程中的气体分布、流动特性以及其与钢水的相互作用机制均为影响底吹效果的关键因素。底吹孔的布置通过影响转炉熔池的钢水流动，进而影响转炉底吹搅拌效果。通过对底吹过程中的流体动力学特性进行深入分析，可以为转炉的设计和操作提供更为精确的指导，不少学者对此进行了相关研究^[5−8]，汪成义等^[9]针对210 t转炉研究了底吹供气元件数量、位置等对熔池混匀的影响，冯强等^[10]对100 t转炉不同底吹方式对熔池混匀时间的影响进行了研究，宁林新等^[11]对100 t转炉底部透气元件布置对钢水流场的影响进行了数值模拟研究，李姣等^[12]对210 t转炉供气元件支数和位置对冶炼的影响进行了数值模拟研究和工业试验分析。随着大废钢比、高效冶炼转炉炼钢需求的进一步提高，转炉底吹技术也在不断改进。

顶底复吹转炉底吹搅拌的强弱对冶炼效果影响显著，底吹搅拌强度越大，钢水混匀效果越好。为进一步研究转炉底吹孔布置对熔池混匀效果的影响，本文设计了不同210 t转炉底吹孔布置方案，并采用数值模拟的方法研究了底吹孔数量、底吹孔节圆位置和底吹孔角度布置对转炉流场的影响规律。

1. 210 t转炉底吹数值模拟

为研究某厂210 t转炉不同底吹孔布置方案对转炉熔池流场的影响，建立了转炉底吹钢水和气体流动的数学模型，并开展了数值模拟计算。

1.1 转炉底吹数值模拟

1.1.1 基本假设

钢水在转炉内的流动是复杂的湍流流动，为了建立转炉底吹数学模型，进行以下基本假设：

（1）钢水为牛顿流体；

（2）钢水不与气体发生化学反应；

（3）计算边界为无滑移边界；

（4）底吹孔没有堵塞，气体从底吹孔均匀流出。

1.1.2 控制方程

基于连续介质模型建立某厂转炉底吹数学模型，描述钢水在转炉熔池内流动的控制方程为连续性方程、动量守恒方程、标准k–ε方程、能量守恒方程和体积函数方程。具体如下：

（1）连续性方程

\frac{\partial ρ}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u_{i})}{\partial x_{i}} = 0

(1)

式中：ρ为钢水密度，kg/m³；u_i为钢水在i方向的流速，m/s；t为时间，s； $x_{i}$ 为i方向的坐标。

（2）动量守恒方程

\frac{\partial (ρ u_{i})}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u_{i} u_{j})}{\partial x_{j}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} (μ \frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}}) - \frac{\partial p}{\partial x_{i}} + ρ g_{i}

(2)

式中：p为静压力，Pa；μ为黏度系数，Pa·s；g_i为重力加速度，m/s²； $u_{i}$ 和 $u_{j}$ 分别为钢水在i、j方向的速度分量，m/s； $x_{i}$ 和 $x_{j}$ 分别为i、j方向的坐标。

（3）k–ε方程

\frac{\partial (ρ k)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ k u_{i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{j}}] + G_{k} + G_{b} - ρ ε - Y_{M}

(3)

\begin{aligned} \frac{\partial (ρ ε)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ ε u_{i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{ε}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{j}}] + \\ C_{1 ε} \frac{ε}{k} (G_{k} + C_{3 ε} G_{b}) - C_{2 ε} ρ \frac{ε^{2}}{k} \end{aligned}

(4)

式中：k为湍动能；ε为湍动能耗散率； $μ_{t}$ 为湍动能黏度；G_k为由于平均速度梯度产生的湍流动能；G_b为由于浮力产生的湍流动能；Y_M为在可压缩湍流中波动膨胀对整体耗散率的贡献；C_1ε、C_2ε和C_3ε为常数；σ_k和σ_ε分别为k和ε的湍流普朗特数。

（4）能量守恒方程

\frac{\partial (ρ T)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u_{i} T)}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{i}} (\frac{λ}{c_{p}} \frac{\partial T}{\partial x_{i}})

(5)

式中：c_p为定压比热容，J/(kg·K)；λ为热导率，W/(m·K)；T为钢水温度，K。

（5）体积函数

\frac{\partial F}{\partial t} + μ_{i} \frac{\partial F}{\partial x_{i}} = 0

(6)

式中：F为体积函数，当函数F=1表示钢水充满状态，当0<F<1表示自由表面，F=0表示无钢水状态。

1.1.3 几何模型与网格划分

某厂210 t转炉炉膛内径为5800 mm，炉底直径D为4200 mm，熔池深度为1650 mm，使用几何建模软件Pro/E进行转炉顶底复吹计算区域的三维几何建模，如图1(a)所示。底吹孔数量为4，等角度对称分布，所处节圆（底吹孔布置的圆周，称为“节圆”）位置为0.5D。考虑到计算区域的对称性，为有效利用计算资源，建立1/4模型并进行网格划分，如图1(b)和1(c)所示。通过逐步减小网格的网格无关性测试后，选择网格尺寸最大为50 mm，底吹孔处网格尺寸为2 mm，单元总数量共83692个。

图 1 转炉熔池几何模型及网格划分：(a)几何模型；(b) 1/4模型；(c)网格划分

方案	底吹孔数量	节圆位置	角度布置	底吹压力/MPa	气体流速/(m/s)
1^#	4	单节圆0.5D	等分	2.5	323
2^#	8	单节圆0.5D	等分	2.5	161.5
3^#	12	单节圆0.5D	等分	2.5	108
4^#	8	单节圆0.5D	两两一对30°，四对等分	2.5	161.5
5^#	12	双节圆0.3D、0.5D	等分	2.5	36
6^#	4	单节圆0.2D	等分	2.5	323
7^#	4	单节圆0.8D	等分	2.5	323
8^#	4	单节圆0.5D	矩形（60°）	2.5	323

方案		占比/%
方案	<0.04 m/s	>0.1 m/s	>0.5 m/s
1^#	17.32	52.00	9.99
2^#	7.61	75.13	11.41
3^#	5.89	78.77	10.45
4^#	7.51	75.80	11.11
5^#	5.70	86.52	13.52

分享：如何让210 t转炉里的钢水搅拌更均匀

1. 210 t转炉底吹数值模拟

1.1 转炉底吹数值模拟

1.1.1 基本假设

1.1.2 控制方程

1.1.3 几何模型与网格划分

1.1.4 边界条件

1.2 210 t转炉底吹钢水流动的基本特征

2. 底吹孔布置参数对转炉熔池流场的影响

2.1 底吹孔数量影响

2.2 底吹孔节圆位置影响

2.3 底吹孔角度布置影响

2.4 工业验证试验

3. 结束语

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