Physical and mathematical models of gas-liquid fluid dynamics in LD converters

Abstract

Fluid dynamics of gas-liquid interactions in a LD converter to refine steel was physically and mathematically simulated. Using a water model three cases of gas supply were considered, top blowing, bottom injection and combined process top blowing-bottom injection. Mixing time in top blowing increases with bath height and the distance between the lance of the gaseous jet and the bath surface. The jet penetration was found to be dependent on the modified Froude number. The unstable and unsteady behaviour of the bath topography, as affected by the gaseous jet, was well simulated through a multiphase momentum transfer model. In top blowing, three zones of liquid splashing were found, penetration with low splash, heavy splash and dimpling with low splash intensity. These zones depend on the gas flow rate and the distance from the lance to the bath surface. During bottom injection mixing times decrease with the number of tuyères, increases of bath height and gas flow rate. In a combined process mixing time decreases considerably due to the recirculating flow formed by the action of the top jet and the submerged jets. When a submerged jet is located just below the top jet the mixing time does not decrease as compared with the separated processes either top blowing or bottom stirring. Physikalische und mathematische Modelle zur Strömung von Gas und Schmelze im LD-Konverter. Das Strömungsverhalten in einem LD-Konverter wurde besonders im Hinblick auf die Wechselwirkungen zwischen Gas und Schmelze physikalisch und mathematisch simuliert. Mit einem Wassermodell wurden drei Varianten des Gaseinleitens betrachtet: Aufblasen, Bodenblasen und kombiniertes Blasen. Beim Aufblasen nimmt die Zeit zur Durchmischung mit der Badhöhe als auch mit dem Abstand der Lanze vom Gasstrahl und der Badoberfläche zu. Es zeigte sich, daß die Eindringtiefe des Strahls von der modifizierten Froude-Nummer abhängt. Das instabile und unstetige Verhalten der Badtopographie, soweit vom Gasstrahl betroffen, ließ sich gut mit einem mehrphasigen Momententransfermodell simulieren. Beim Aufblasen läßt sich das Spritzen in drei Zonen unterteilen: geringes Spritzen beim Eindringen des Gasstrahls in die Schmelze, starkes Spritzen und Dimplebildung mit geringer Spritzintensität. Diese Bereiche hängen von den beiden Parametern Strömungsgeschwindigkeit des Gases und Abstand der Lanze von der Badoberfläche ab. Beim Bodenblasen verkürzt sich die Mischzeit mit der Anzahl der Düsen, steigender Badhöhe und Gasströmungsgeschwindigkeit. Beim kombinierten Blasen fällt die Mischzeit infolge der gegenläufigen Strömung, die sich aus den Gasstrahlen der oberen Düse und der Bodendüsen zusammensetzt, beträchtlich. Wenn die Position des aus dem Tauchrohr austretenden Strahls gleich unterhalb des oberen Strahls liegt, nimmt die Mischzeit im Vergleich zum reinen Auf- oder Bodenblasen nicht ab.