Predictions of melt circulation rate in a RH degasser by mathematical modelling of two phase flow

• Autorzy: Neves L. , Carneiro C. A. R. , Reis R. F. , Parreiras Tavares R.

Warianty tytułu

PL

Przewidywanie prędkości cyrkulacji ciekłego metalu w procesie odgazowania RH poprzez matematyczne modelowanie przepływu dwufazowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Modeling of turbulent two phase flow is not a simple task, particularly under the conditions prevailing in metallurgical reactors. Different forces have to be considered and different models have been proposed to evaluate these forces. None of these models has been fully validated and they usually require the definition of coefficients whose values change according to the system being studied. In the case of the RH degasser, the variations of pressure and temperature inside the computational domain and the presence of a free surface add more difficulties to the development of an accurate mathematical model. In the present work, a mathematical model for two phase flow in a RH degasser has been developed using the commercial software Ansys-CFX. In this first approach, the mathematical model was developed to simulate two phase flow in a physical model of the RH degasser, using water to simulate steel. In this physical model, the variations of pressure are much less significant and an isothermal domain can be considered. Different models for turbulence and also for the interphase drag and non-drag forces have been considered. An Eulerian-Eulerian approach has been adopted. The predictions of the model in terms of melt circulation rate were compared to experimental results obtained in a physical model of a RH degasser. In this model, water was used to simulate liquid steel and air was used to simulate argon. The melt circulation rate in the physical model was determined by the injection of a solution of potassium chloride at the upleg snorkel and measuring the variation of its concentration with time at the downleg snorkel. Images taken from the physical model at the upleg snorkel and of the vacuum chamber were also used to validate the predictions of the model. The predictions of melt circulation rates with the different versions of the mathematical model were close to the experimental results, but none of the models could exactly reproduce the variation of the melt circulation rate with the gas flow rate. These results indicate that some adjustments are still required to improve the quality of the predictions of the mathematical model.

PL

Modelowanie turbulentnego przepływu dwufazowego jest zadaniem trudnym, szczególnie w warunkach występujących w reaktorach metalurgicznych. W procesie tym należy uwzględnić działanie różnych sił, stąd w literaturze zostały zaproponowane różne modele do oceny tych sił. Żaden z tych modeli nie został w pełni zweryfikowany i modele te wymagają zazwyczaj zdefiniowania współczynników, których wartości zmieniają się w zależności od analizowanego systemu. W przypadku urządzenia do próżniowej rafinacji stali typu RH, zmiany ciśnienia i temperatury w obszarze rozwiązania oraz obecność swobodnych powierzchni są dodatkowym utrudnieniem dla zbudowania dokładnego modelu matematycznego. W niniejszej pracy przed-stawiono matematyczny model dla dwufazowego przepływu w procesie odgazowania RH, stosując komercyjne oprogramowanie Ansys-CFX. W pierwszym przybliżeniu model został opracowany dla symulacji dwufazowego przepływu w fizycznym modelu urządzenia do próżniowej rafinacji stali typu RH, w którym stal zastąpiono wodą. W modelu fizycznym zmiany ciśnienia mają znacznie mniejsze znaczenie oraz dopuszczalne jest założenie warunków izotermicznych . Rozważono natomiast różne modele turbulencji i przyjęto brak sił międzyfazowych na granicy faz. W rozwiązaniu zastosowano sformułowanie Eulera. Przewidywania modelu w zakresie cyrkulacji cieczy zostały porównane z wynikami uzyskanymi z modelu fizycznego, w którym powietrze zastępowało argon. Prędkość cyrkulacji w modelu fizycznym została wyznaczona przez wstrzyknięcie roztworu chlorku potasu przez króciec wlotowy i pomiar zmian stężenia tego związku przy króciec wylotowy. Obraz przepływu uzyskany z fizycznego modelu oraz w komorze próżniowej zostały wykorzystane do weryfikacji modelu matematycznego. Przewidywane prędkości cyrkulacji dla różnych wersji modelu matematycznego były zgodne z danymi doświadczalnymi, ale żaden z modeli nie potrafił odtworzyć dokładnie zmian prędkości cyrkulacji powodowanych przez zmiany prędkości przepływ gazu. Uzyskane wyniki wykazują, że dalsze korekty są potrzebne aby poprawić jakość przewidywań modelu matematycznego.

Słowa kluczowe

EN

RH degasser; two-phase flow; mathematical modeling; circulation rate; drag and non-drag forces

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 10, No. 4
• Strony: 207--213
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys.

Twórcy

autor

Neves L.

autor

Carneiro C. A. R.

autor

Reis R. F.

autor

Parreiras Tavares R.

• UFMG-Federal University of Minas Gerais Avenida, Antonio Carlos, 6627 - Pampulha -31.270-901 - Belo Horizonte - MG Metallurgical and Materials Engineering Department - Brazil,

Bibliografia

• Kamata, C, Matsumura, H., Miyasaka, H., Hayashi, S., Ito, K., 1998, Cold model experiments on the circulation flow in RH reactor using a laser Doppler velocimeter, Steelmaking Conference Proceeding, Warrendale, Iron and Steel Society, 609-616.
• Kato, Y., Nakato, H., Fujii, T., Ohmiya, S., Takatori, S., 1993, Fluid flow in ladle and its effect on decarburization rate in RH degasser, ISIJ International, 33, 1088-1094.
• Kondo, H., Kameyama, K., Nishikawa, H., Hamagami, K., Fujji, T., 1989, Comprehensive refining process by the Q-BOP-RH route for producing ultra-low carbon steel, Iron & Steelmaker, 16, 34-38.
• Multiphase Flow Modeling, 2006, Ansys CFX-Solver Modeling Guide, Ansys, Inc., Canonsburg, PA, 155-202.
• Park, Y-G., Doo, W-C, Yi, K-W., Ahn, S-B, 2001, The effect of operating parameters and dimensions of the RH system on melt circulation using numerical calculations, ISIJ International, 41,403-409.
• Park, Y-G., Doo, W-C, Yi, K-W., Ahn, S-B., 2000, Numerical calculation of circulation flow rate in the degassing Rheinstahl-Heraeus process, ISIJ International, 40, 749-755.
• Seshadri, V., Costa, S.L.S., 1986, Cold model studies of R.H. degassing process, Transactions of ISIJ, 26, 133-138.
• Szekely, J., Themelis, N.J., 1971, Rate Phenomena in Process Metallurgy, John Wiley & Sons, New York, 687.