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

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

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

式中：k为湍动能；ε为湍动能耗散率；${\mu }_{\text{t}}$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

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

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。

1.1.4 边界条件

某厂210 t转炉底吹流量为700 m³/h，底部供气元件的等效直径为16 mm，底吹气体流速通过底部供气元件数量计算得到。转炉底吹数值模拟方案及边界条件如表1所示。

1.2 210 t转炉底吹钢水流动的基本特征

使用ANSYS Fluent 17.1软件进行210 t转炉底吹钢水和气体流动的数值模拟直至残差收敛，得到转炉底吹过程熔池钢水流场分布特征。为直观查看三维转炉钢水数值模拟结果，选择转炉熔池的4个特征截面进行数值模拟结果分析，对x=0、z=0、液面下0.2 m及液面下0.8 m分别表示为x₀、z₀、y_0.2和y_0.8，如图2所示。

转炉熔池特征截面x₀和z₀的气液相界面分布如图3所示，可见较明显的相界面和底吹气体引起的液面波动，界面处靠近底吹孔位置的钢水波动较高，为底吹气体冲击该处所致。

转炉熔池不同特征截面的钢水流速分布如图4和图5所示，熔池底部底吹气体在上升过程中带动钢水从熔池底部向上部运动，从图4中可以看出钢水流速主要分布在0~1 m/s，整个熔池内钢水流速分布不均匀，并有多处湍流旋涡。整体来看越靠上部的钢水流速越大，在气液相界面处的钢水流速较大。从图5可以看出，钢水在底吹气体的上浮作用下形成2个区域的循环流，靠近底吹气相的钢水在气体上浮运动的带动下向上流动，到达液面后分别向中心和炉壁流动，然后循环向下流动。尽管该循环流可以促进钢水成分和温度均匀，但是仍存在一定低速流动的区域，如在靠近转炉壁面区域，此处钢水流速低，与其他区域的对流交换较弱，容易导致局部温度和成分不均匀。

2. 底吹孔布置参数对转炉熔池流场的影响

为研究底吹孔布置因素如底吹孔数量、底吹孔节圆位置和底吹孔角度布置对转炉熔池流场的影响，设计不同的底吹孔布置方案，采用数值模拟的方法对各个因素分别开展研究。

2.1 底吹孔数量影响

为研究底吹孔数量对转炉熔池流场的影响，分别设计了底吹孔数量为4、8和12的组合方案，如表1（1^#~5^#方案）和图6所示，并分别针对各方案开展了数值模拟计算。

不同底吹孔数量方案的截面x₀处气液相界面分布云图如图7所示，可以看出，除了底吹孔数量为4时钢水液面波动较大，底吹孔数量为8和12时的钢水液面均比较平稳。

图8所示为不同底吹孔数量方案的截面x₀处钢水流线分布，可以看出，底吹孔数量为4和8时，转炉熔池内部均存在明显的循环流，该循环流基本特征一致，均为钢水在底吹孔附近向上流动，到达液面后向中心和炉壁分散然后向下回流。底吹孔数量为12的3^#方案和5^#方案的转炉熔池并没有呈现类似的循环流。

不同底吹孔数量方案下的钢水流速分布如图9和表2所示，可见不同底吹孔数量方案下的钢水流速区别较大。采用钢水的流速作为判定底吹效果的主要指标，钢水流速小于0.04 m/s时表明钢水对流较弱，难以有效混合；钢水流速大于0.5 m/s表明钢水对流较强，混合效果充分。底吹孔数量为4时，流速小于0.04 m/s的钢水比例远大于底吹孔数量为8和12的方案；而且底吹孔数量为4时，流速大于0.5 m/s的钢水比例也小于底吹孔数量为8和12的方案。钢水流速是钢水对流交换强弱的主要指标，流速越大说明钢水之间对流交换温度和溶质的程度越激烈，反之亦然，因此可以认为底吹孔数量为4的方案的底吹搅拌效果没有底吹孔数量为8和12的效果好。

从表2中可以看出，流速小于0.04 m/s的钢水占比最小的方案和流速大于0.5 m/s的钢水占比最大的方案均为5^#方案，说明底吹孔数量越多，分布越分散，对转炉熔池的搅拌效果就越好。

2.2 底吹孔节圆位置影响

为研究底吹孔节圆位置对转炉熔池流场的影响，分别设计了底吹孔数量为4，节圆位置为0.2D、0.5D和0.8D的3种方案，如表1（6^#、1^#和7^#方案）和图10所示，并分别针对各方案开展了数值模拟计算。

不同底吹孔节圆位置方案的截面x₀处气液相界面分布云图如图11所示，可以看出，不同底吹孔节圆位置方案的钢水液面均存在明显的液面波动，并且液面波峰位置与底吹孔位置有较强的对应关系。

图12为不同底吹孔节圆位置方案的截面x₀处钢水流线分布，可以看出，底吹孔节圆位置为0.5D和0.8D时，转炉熔池内部均存在明显的循环流，循环流方向以底吹孔位置为界限分为2个不同的方向。底吹孔节圆位置为0.2D时，转炉熔池钢水的上述循环特征几乎消失，这是由于底吹孔位置距离转炉中心太近，此时不同底吹孔气体上浮过程中容易聚合为一股气流。

不同底吹孔节圆位置方案的钢水流速分布如图13和表3所示，可以看出，流速小于0.04 m/s的钢水比例随着底吹孔节圆位置的增加而增加，并且流速大于0.5 m/s的钢水比例也随着底吹孔节圆位置的增加而减小。该结果表明底吹孔节圆位置越小，底吹搅拌的混匀效果越好。然而在实际转炉吹炼生产中，底吹孔位置不能太靠近转炉中心，否则容易与氧枪顶吹搅拌发生作用，从而减弱对钢水的搅拌效果。

2.3 底吹孔角度布置影响

为研究底吹孔角度布置对转炉熔池流场的影响，分别设计了底吹孔角度布置为底吹孔夹角90°等分和60°矩形的2种方案，如表1（1^#和8^#方案）和图14所示，并分别针对各方案开展了数值模拟计算。

不同底吹孔角度布置方案的截面x₀处气液相界面分布云图如图15所示，可以看出，不同底吹孔角度布置方案的钢水液面均存在一定程度的波动，底吹孔60°矩形布置的8^#方案的液面波动较小。图16为不同底吹孔角度布置方案的截面x₀处钢水流线分布，可以看出，8^#方案的转炉熔池未呈现如1^#方案所示的双循环流，表明底吹孔为非等分对称分布时，不易在转炉熔池内部形成双循环流。

不同底吹孔角度布置方案下的钢水流速分布如图17和表4所示，可以看出，底吹孔角度布置对流速小于0.04 m/s的钢水比例有较大影响，1^#和8^#方案的底吹孔数量及节圆直径均一致，8^#方案条件下流速小于0.04 m/s的钢水比例远小于方案1^#的，说明底吹孔角度不对称布置能有效减少转炉熔池死区比例，增强转炉底吹混匀效果。

2.4 工业验证试验

某厂目前采用的转炉底吹孔数量为4，节圆位置为0.5D，底吹孔角度为90°等分布置，统计2023年下半年转炉冶炼出钢终点钢水的碳氧积w([C])·w([O])为0.0021。根据数值模拟研究和理论分析得到的转炉底吹孔数量、底吹孔节圆位置和底吹孔角度布置因素对钢水流场影响规律，对转炉底吹孔数量和布置进行了优化，将转炉底吹孔数量改为8，节圆位置保持0.5D，底吹孔两两一对30°，四对等分布置，即4^#方案，并开展了40炉现场生产试验。统计发现转炉冶炼出钢终点钢水的碳氧积为0.0020。转炉冶炼出钢终点钢水的碳氧积是转炉终点钢水混匀程度的一个重要标志，转炉钢水混匀程度越好，则转炉终点碳氧积越低。从现场初步试验结果来看，优化转炉底吹孔布置后的吹炼终点钢水混匀程度得到提高。

3. 结束语

（1）底吹孔数量小于等于8个时，转炉熔池内部均存在明显的双循环流，底吹孔数量达到12个时，该双循环流消失。底吹孔数量越多，分布越分散，其对转炉熔池的搅拌效果就越好。

（2）在一定范围内，底吹孔节圆位置越小，底吹搅拌的混匀效果越好。

（3）底吹孔角度不对称布置能有效减少转炉熔池死区比例，增强转炉底吹混匀效果

来源--金属世界