中間包水口鋼液流場的數(shù)值模擬

趙定國,黃 凱,王書桓

(河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063009)

中間包水口鋼液流場的數(shù)值模擬

趙定國,黃 凱,王書桓

(河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063009)

利用Fluent軟件,采用數(shù)值模擬的方法,研究中間包水口在正常情況下和存在結(jié)瘤時流場的形態(tài)變化。模擬結(jié)果表明:以小方坯為研究對象,拉坯速度為2.3 m/s,開口度為66%,夾雜物為Al2O3,無氬氣吹入時,當(dāng)水口結(jié)瘤少時,鋼液通過結(jié)瘤位置時相對于正常情況下鋼液流速增大的少;當(dāng)水口結(jié)瘤多時,鋼液通過結(jié)瘤位置時相對于正常情況下鋼液流速增大的多。

中間包水口;結(jié)瘤;數(shù)值模擬;鋼液流場

連鑄過程中鋼水經(jīng)過中間包水口進(jìn)入到結(jié)晶器內(nèi),鋼水中的高熔點(diǎn)鋁酸鈣等夾雜物會在水口內(nèi)壁粘結(jié)堆積,造成水口部分或者完全堵塞(結(jié)瘤)[1-3]。

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的研究,計(jì)算流體力學(xué)方法迅速發(fā)展起來。許多經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型和軟件可以深入詳細(xì)描述冶金反應(yīng)器內(nèi)的過程和現(xiàn)象,定量的給出實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和做出評估,為反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制提供依據(jù),CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)在冶金中也得到了廣泛應(yīng)用。

本文以小方坯為研究對象,采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同因素下水口內(nèi)鋼液的流場情況。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)[4]

1) 鋼液為粘性不可壓縮的牛頓流體;

2) 水口內(nèi)鋼液的自然對流不予考慮;

3) 認(rèn)為水口內(nèi)的鋼液流動是湍流流動;

4) 假定水口內(nèi)的夾雜物呈球形,在水口內(nèi)壁均勻分布。

1.2 控制方程

對水口內(nèi)鋼液的流動行為進(jìn)行數(shù)值模擬,需要求解的控制方程包括連續(xù)方程、動量方程及湍流k-ε方程。

連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

湍流動能(k)方程

(3)

湍流耗散(ε)方程

(4)

式中:xi,xj分別為張量的方向;Ui,Uj為流場時均速度;ρ為鋼液密度;β為體膨脹系數(shù);μ為動力學(xué)粘度;μeff為有效粘度系數(shù);k,ε為流體的湍動能和湍動能耗散率;G為湍動能產(chǎn)生率;C1,C2,σk,σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 邊界條件

1) 固體壁面:水口內(nèi)壁面,對速度、壓力使用無滑移邊界條件,將k、ε設(shè)為零;對壁面附近的區(qū)域使用壁面函數(shù)法。

2) 入口:設(shè)塞棒處于全開狀態(tài)時的水平環(huán)隙為入口,入口處速度大小由拉坯速度、小方坯截面積和環(huán)隙面積決定,采用速度入口邊界條件。根據(jù)拉速,采用流量相等的原理,確定入口速度,k,ε為速度的函數(shù)。

3) 出口:設(shè)水口出口為出口,即理論上流入的鋼液全部從水口出口流出去。

4) 初始條件:初始時刻,Z=0～1 025 mm高度范圍內(nèi)(整個水口內(nèi))為鋼液,鋼液流動。

1.4 網(wǎng)格劃分

將整個中間包水口作為計(jì)算域,為了縮短計(jì)算時間并提高計(jì)算精度,將水口分成五部分,劃分網(wǎng)格大約207 400。

2 不同結(jié)瘤情況對鋼液流場的影響

以150 mm×150 mm的小方坯為研究對象,浸入式水口選用直筒型,浸入式水口與中間包連接形式為組合型[5-6],生產(chǎn)不銹鋼,拉坯速度為2.3 m/s,開口度為66%,夾雜物為Al2O3,無Ar吹入。

2.1 無結(jié)瘤模擬

由圖1可見,正常情況時,從中間包上水口進(jìn)入的鋼液由于水口喉部的直徑減小,鋼液流速增大。當(dāng)鋼液從上水口進(jìn)入到浸入式水口時,由于浸入式水口上端部分直徑突然增大,在浸入式水口內(nèi)壁死區(qū)形成對稱的渦旋,此時鋼液流速降低,鋼液繼續(xù)向下流過水口,由于下端水口直徑變小,鋼液流速又繼續(xù)增大,在出水口時,鋼液以很強(qiáng)的射流流出。

圖1 正常情況下,截面流場圖和速度分布云圖

對圖1進(jìn)行分析可知,不存在結(jié)瘤情況時,在距離入口處100 mm截面位置,鋼液的速度范圍為(8.88～9.87)×10-1m/s之間,取平均值,則鋼液的流速約為0.94 m/s。

2.2 點(diǎn)結(jié)瘤模擬

點(diǎn)結(jié)瘤如圖2中陰影部分所示。結(jié)瘤首先出現(xiàn)在鋼液進(jìn)行分流的部分,選取距入口處100 mm截面位置進(jìn)行點(diǎn)結(jié)瘤模擬,作流場圖和速度云圖,如圖3所示。當(dāng)結(jié)瘤不斷聚集時,鋼液通過結(jié)瘤部位上端貼近水口內(nèi)壁部位的鋼液流速降低,通過結(jié)瘤截面時,由于水口直徑減小,鋼液流速增大。結(jié)瘤位置下端,貼近水口內(nèi)壁部位的鋼液由于結(jié)瘤的阻礙,流速降低。

圖2 點(diǎn)結(jié)瘤示意圖

圖3 截面流場圖和速度云圖

由圖3分析計(jì)算可知,當(dāng)鋼液流過結(jié)瘤截面位置時,流速由0.94 m/s增大到1.34 m/s。

2.3 環(huán)結(jié)瘤模擬

環(huán)結(jié)瘤如圖4中陰影部分所示。

圖4 環(huán)結(jié)瘤示意圖

選取距入口處100 mm截面位置進(jìn)行環(huán)結(jié)瘤模擬,作流場圖和速度云圖,如圖5所示。

當(dāng)結(jié)瘤不斷聚集長大的過程中,即結(jié)瘤由點(diǎn)結(jié)瘤發(fā)展成環(huán)結(jié)瘤時,相比點(diǎn)結(jié)瘤,鋼液在通過結(jié)瘤部位時,速度增大的更為明顯。

由圖5分析計(jì)算可知,當(dāng)鋼液流過結(jié)瘤截面位置時,流速由0.94 m/s增大到2.32 m/s。

3 不同結(jié)瘤情況對鋼液湍動能的影響

正常情況下,點(diǎn)結(jié)瘤、線結(jié)瘤時鋼液的湍動能云圖,如圖6所示。

由數(shù)值模擬分析可見,如6-a圖,當(dāng)水口內(nèi)沒有結(jié)瘤時,水口上端喉部存在湍動能分布。

當(dāng)存在點(diǎn)結(jié)瘤時,即由6-a圖向6-b圖過渡時,水口上端喉部湍動能分布有擴(kuò)散的趨勢。并在結(jié)瘤部位及結(jié)瘤下方形成湍動能分布。

當(dāng)形成環(huán)結(jié)瘤時,即由6-b圖向6-c圖過渡時,喉部湍動能消失,結(jié)瘤部位及結(jié)瘤下方形成的湍動能變大并向下擴(kuò)張出去。

4 結(jié)論

1) 在結(jié)瘤位置,隨著夾雜物的粘結(jié)堆積,結(jié)瘤位置出現(xiàn)湍流,并在水口內(nèi)形成偏流。

2) 點(diǎn)結(jié)瘤時,通過結(jié)瘤位置的鋼液流速由正常時的0.94 m/s增大到1.34 m/s,增大了1.43倍。

3) 環(huán)結(jié)瘤時,通過結(jié)瘤位置的鋼液流速由正常時的0.94 m/s增大到2.72 m/s,增大了2.89倍。

4) 環(huán)結(jié)瘤與點(diǎn)結(jié)瘤相比,即結(jié)瘤不斷粘結(jié)堆積長大的過程中,結(jié)瘤對鋼液流場的影響越來越顯著。

圖6 截面湍動能云圖

[1]袁方明,王新華,張炯明,等.連鑄中間包水口堵塞的數(shù)值模擬[J].金屬學(xué)報,2006,42(10):1109-1114.

[2]馮捷,史學(xué)紅.連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:39-44.

[3]蔡開科. 連鑄結(jié)晶器[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008:261-273.

[4]趙李平,王勇,王鴻盛. 連鑄中間包水口堵塞問題的研究現(xiàn)狀[J]. 煉鋼,2007,23(2):59-62.

[5]吳蘇州,張炯明. 連鑄浸入式水口結(jié)瘤現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 鋼鐵研究學(xué)報,2007,19(12):1-4.

[6]舒宏富,劉瀏,劉學(xué)華. 寬規(guī)格板坯連鑄結(jié)晶器浸入式水口的數(shù)值模擬[J]. 特殊鋼,2013,34(1):1-4.

[7]張彩軍, 趙鐵成,艾立群. FTSC 薄板坯連鑄中間包內(nèi)流場及夾雜物運(yùn)動軌跡的數(shù)值模擬[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2006, 28(11): 1014-1014.

(編輯：劉笑達(dá))

NumericalSimulationonFluidFieldofTundishNozzle

ZHAODingguo,HUANGKai,WANGShuhuan

(SchoolofMetallurgicalandEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009)

The Fluent software was used for numerical simulation of tundish nozzle under normal circumstances to present nodulation flow field morphological changes. Simulation results show that: with billet as the research object, under the conditions of the casting speed of 2.2 m/s, the opening degree of 66%, no argon blowing, and low clogging, the flow velocity of molten steel through twinning tumor position increased less relative to the normal conditions of molten steel flow; with long clogging, the flow velocity of molten steel through nodulation position increased more relative to the normal conditions of molten steel flow.

tudish nozzle; clogging; flow field; numerical simulation

2013-08-09

國家自然基金資助項(xiàng)目(51304060)

趙定國(1981-)，男，河北欒城人，副教授，主要從事煉鋼新技術(shù)及高壓冶金方面研究，(Tel)0315-2592091,(E-mail)gyyzhao@163.com

王書恒，男，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wshh88@heuu.edu.cn

1007-9432(2014)02-0176-03

TF777

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