شبیه سازی عددی پدیده دمش گاز آرگون در پاتیل های فولادسازی
Abstract
دمش گاز آرگون به داخل پاتیل های فولادسازی، یکی از مهمترین مراحل تولید فولاد است، که منجر به ایجاد یک جریان دوفازی مغشوش میان دو سیال با ویژگی های بسیار متفاوت می شود. گاز آرگون از طریق نازل از کف پاتیل به داخل فولاد مذاب تزریق می شود و باعث حرکت چرخشی مذاب می گردد. این فرایند یکی از پرکاربردترین روش ها برای مخلوط کردن مذاب و ایجاد شرایط یکنواخت در توزیع دما و نیز تنظیم ترکیبات و آنالیز شیمیایی ذوب است. به طور کلی دو رویکرد اویلری-اویلری و اویلری-لاگرانژی، برای تحلیل جریان های چند فازی وجود دارد. در این پایان نامه روش جامع و کامل اویلری برای مدل کردن کل جریان دوفازی میان گاز آرگون و مذاب به کار رفته است. این روش توانایی بالایی برای مدل کردن پدیده های پیچیده در جریان های چندفازی دارد و رفتار هر دو سیال آرگون و مذاب را به خوبی پیشبینی می کند. حذف ذرات ناخالصی از یک سو و پخش کامل ذراتی که برای تنظیم ترکیب شیمیایی ذوب به آن اضافه می شود از سوی دیگر، دو هدف مهمی است که در کوره های پاتیلی مورد توجه می باشد. برای شبیه سازی عددی این پدیده پس از بدست آمدن میدان سرعت و فشار کل، ذراتی در نقاط مختلف داخل پاتیل رها شده و مسیر حرکت آن ها به روش لاگرانژی دنبال شده است. در واقع نحوه حرکت ذرات نشان دهنده توانمندی جریان چرخشی ناشی از دمش گاز در همگن سازی مذاب است. هدف اصلی از این تحقیق، مطالعه ماهیت جریان پیچیده دوفازی موجود در کوره های پاتیلی تحت شرایط واقعی صنعت است، تا بتوان با شناخت فیزیک مسیله و بررسی پارامترهای موثر بر فرایند دمش گاز، در کوتاهترین زمان ممکن به یک ذوب همگن رسید. به همین منظور، مسیله به صورت سه بعدی مدل سازی شده و با در نظر گرفتن فرضیات ساده کننده منطقی، معادلات مربوطه به صورت گذرا برای تمام شبکه، حل شده است. برای تحلیل دقیق تر، دو نوع کوره پاتیلی مختلف را بر اساس نقشه های صنعتی موجود مدل سازی نمودیم، که در تعداد و محل قرار گرفتن نازل تزریق گاز با یکدیگر متفاوت هستند. این دو مدل از لحاظ الگوی جریان، قدرت چرخش، نواحی مرده و نیز توانایی در پخش ذرات افزودنی با یکدیگر مقایسه شده اند. نتایج نشان می دهد که افزایش تعداد نازل های تزریق گاز آرگون چندان سبب بهبود شرایط همگنی مذاب نمی شود، بلکه الگوی جریان در پاتیلی که فقط یک نازل تزریق برای گاز دارد تا حدودی قوی تر از جریان ناشی از دو نازل عمل می کند. در این تحقیق، مطالعاتی نیز بر روی نیروهای موثر بر جریان چندفازی انجام گرفته است که نشان می دهد با اعمال شرایط واقعی فیزیکی، می توان از نیروهای غیر درگ در شبیه سازی صرف نظر کرد و تنها با احتساب نیروی درگ بین فازی مسیله را با دقت خوبی مدل نمود. اما برای مطالعه حرکت ذرات افزودنی به روش لاگرانژی در یک جریان توربولانس به هیچ وجه نمی توان نیروهای غیر درگ را نادیده گرفت.