雙流板坯中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)理模擬研究

劉崇林 崔 衡 李源源 鄧 深 安航航

(1：廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司 廣西柳州 545002；2：北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 北京100083；3：北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院 北京100083)

1 前言

中間包作為連接鋼包和結(jié)晶器的反應(yīng)器，其冶金作用不僅是維持鋼液面的穩(wěn)定，作為生產(chǎn)潔凈鋼的反應(yīng)容器，中間包在去除夾雜物以及調(diào)節(jié)鋼液溫度與成分上也發(fā)揮著重要的作用[1]。大量的實(shí)踐表明，優(yōu)化控流裝置可以有效地改善中間包內(nèi)鋼液的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，從而達(dá)到去除夾雜物和調(diào)節(jié)鋼液溫度的效果[2]。水模型實(shí)驗(yàn)可以對(duì)中間包的控流裝置進(jìn)行優(yōu)化，但卻很難模擬出非等溫過程的流動(dòng)以及傳熱特征[3][4]。本文對(duì)國內(nèi)某鋼廠二流中間包存在的流場(chǎng)不合理、溫度場(chǎng)不均勻的問題，利用數(shù)理模擬對(duì)該廠中間包原型及使用控流裝置后的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)出新的控流裝置，使中間包內(nèi)鋼液的流場(chǎng)合理，溫度場(chǎng)均勻，最終達(dá)到提高鑄坯質(zhì)量的目的。

2 物理模擬

為了提高夾雜物在中間包內(nèi)的上浮去除效果，改善原型中間包的流場(chǎng)特性，本文采用物理模擬的手段對(duì)中間包內(nèi)不同控流裝置下包內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究。在雙流澆注時(shí)，通過增設(shè)擋壩來改善中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)；在單流澆注時(shí)，通過改變長水口的形狀以及增設(shè)擋壩來優(yōu)化中間包內(nèi)的流場(chǎng)。最后，通過對(duì)RTD曲線的分析[5]以及墨汁實(shí)驗(yàn)對(duì)流場(chǎng)的顯示，來評(píng)價(jià)控流裝置的優(yōu)化效果。

2.1 雙流澆注時(shí)物理模擬結(jié)果分析

由水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在雙流澆注時(shí)，原型中間包中鋼液的滯止時(shí)間非常短，為25.8s，平均停留時(shí)間為358.3s，死區(qū)比例高達(dá)30.9%。而在增加擋壩后，擋壩位置如圖1所示，中間包滯止時(shí)間延長至66.9s，平均停留時(shí)間增加至410.6s，死區(qū)比例減少至20.4%，活塞區(qū)比例大大提高，由原來的7.7%增加到27.1%。增加擋壩后中間包的墨汁實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，由圖2 可以看出，擋壩有效地阻擋了中包從長水口流向出水口的短路流，對(duì)鋼液起到了很好的抬升作用，延長了鋼液的運(yùn)動(dòng)路徑。

圖1 擋壩位置示意圖

2.2 單流澆注時(shí)物理模擬結(jié)果分析

由單流澆注時(shí)的水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，原型中間包死區(qū)比例為38.6%，滯止時(shí)間為19.7s，平均停留時(shí)間為354.6s。而在使用彎曲水口后，彎曲水口示意圖如圖3所示，死區(qū)比例減少為23.8%，滯止時(shí)間也延長至105.7s；在彎曲水口的基礎(chǔ)上增加一個(gè)擋壩后，死區(qū)比例減少至23.1%，滯止時(shí)間延長至100s，這說明鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)路徑大大延長，停留時(shí)間也得到了延長。

圖2墨汁實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 彎曲水口示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 基本假設(shè)

鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，在計(jì)算過程中，在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的前提下，為了方便計(jì)算進(jìn)行如下基本假設(shè)：1)中間包內(nèi)的鋼液流動(dòng)為連續(xù)穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮的流動(dòng)；2)中間包鋼水的液面為自由液面，忽略中間包的表面波動(dòng)和表面保護(hù)渣層對(duì)鋼液流動(dòng)的影響；3)忽略溫度對(duì)鋼液密度的影響，即鋼液密度為常數(shù)；4)中間包內(nèi)的傳熱過程為穩(wěn)態(tài)傳熱；5)固液交界面為無滑移邊界，即在交界面處鋼液相對(duì)于壁面的速度為零；6)示蹤劑的傳輸是一個(gè)瞬態(tài)過程[6][7]。

3.2 建立數(shù)學(xué)模型

采用ANSYS CFD軟件對(duì)原型中間包和優(yōu)化后的中間包的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，所用到ANSYS軟件的模塊主要有ICEM CFD、CFX和CFD-POST。

具體步驟如下：

1)確定計(jì)算區(qū)域，建立研究對(duì)象的幾何模型；

2)幾何模型的離散，即網(wǎng)格劃分；

3)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行邊界條件的設(shè)置；

4)在劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對(duì)離散化后的方程進(jìn)行迭代求解，其中需要確定合適的迭代步數(shù)、迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)，以保證計(jì)算精度；

5)對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行后處理，提取所揭示的信息，用于指導(dǎo)工藝分析。

3.3 邊界條件

求解中間包的數(shù)學(xué)模型時(shí)必須設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，各邊界條件如下。

1)入口邊界條件

入口邊界類型選擇速度入口。在入口處，假設(shè)流股為一維流動(dòng)，其速度方向垂直于自由表面。假定入口截面上的速度分布都相同，速度的大小根據(jù)流量守恒，由拉速和出口、入口的內(nèi)徑可以推算出入口的流速。

2)出口邊界條件

中間包計(jì)算域的出口邊界設(shè)置為outlet，設(shè)鋼液在出口處充分發(fā)展，采用平均壓力出口，出口相對(duì)壓力設(shè)置為0Pa。

3)自由液面

中間包的液面設(shè)為自由表面，忽略表面波動(dòng)的渣層的影響，采用自由滑移邊界條件，除了垂直于液面的速度分量外，其余變量的梯度均為零。

4)中間包壁

中間包壁面采用無滑移的邊界條件，壁面附近流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析及討論

由水模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以知道，在雙流澆注時(shí)，增加擋壩后中間包滯止時(shí)間、平均停留時(shí)間均得到延長，死區(qū)比例得到減少，活塞區(qū)比例得到增加；在單流澆注時(shí)，采用彎曲水口方案后死區(qū)比例得到減少，滯止時(shí)間也得到了延長。同時(shí)，在彎曲水口的基礎(chǔ)上增加一個(gè)擋壩能更進(jìn)一步地對(duì)中間包的流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

因此根據(jù)水模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及利用上述的數(shù)學(xué)模型，在雙流澆注時(shí)我們對(duì)原型中間包及增加擋壩方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究；在單流澆注時(shí)，對(duì)原型中間包、單獨(dú)使用彎曲水口及彎曲水口加擋壩方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3.4.1 雙流澆注時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝下的雙流原型中間包的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布，得到雙流原型澆注時(shí)此對(duì)稱面上鋼液的流線圖和溫度場(chǎng)，如圖4和圖5所示。

圖4 原型中間包雙流澆注時(shí)流線圖

圖5 原型中間包雙流澆注時(shí)溫度場(chǎng)圖

從鋼液的流線圖中可以看出，鋼液以很高的速度從鋼包長水口流出后，遇到底部的沖擊板迅速鋪展開，很大一部分沿著中間包的底部徑直流向塞棒附近，這非常不利于鋼液中夾雜物的上浮去除。在中包澆注區(qū)附近，鋼液的流線非常稀疏，說明這部分的鋼液流動(dòng)非常不活躍，存在較大比例的死區(qū)。從鋼液的溫度場(chǎng)分布來看，雙流原型澆注時(shí)，長水口與連續(xù)測(cè)溫區(qū)域溫度差超過10℃，與左上角死區(qū)溫差20℃左右，整個(gè)溫度場(chǎng)的低溫區(qū)在澆注區(qū)上表面附近。

在雙流原型的基礎(chǔ)上，與水模實(shí)驗(yàn)時(shí)的位置相同，在兩側(cè)增加擋壩結(jié)構(gòu)，得到此時(shí)的流線圖和溫度場(chǎng)，如圖6和圖7所示。從鋼液的流線圖中可以看出，擋壩有效地阻擋了中包從長水口流向出水口的短路流，在長水口至擋壩這部分區(qū)域內(nèi)，流線的數(shù)量非常密集，說明這部分鋼液流動(dòng)非?；钴S，在擋壩至澆注區(qū)，由于鋼液的動(dòng)能耗散較多，流動(dòng)明顯減弱，流線密度較為稀疏，死區(qū)也主要發(fā)生在這部分區(qū)域。從鋼液的溫度場(chǎng)分布來看，擋壩對(duì)高溫鋼液起到了抬升作用，長水口與連續(xù)測(cè)溫區(qū)域溫度差8℃左右，與左上角死區(qū)溫差10℃左右，低溫區(qū)主要分布在中間包窄面的上部和擋壩的后方區(qū)域。

圖7 雙流澆注加擋壩時(shí)溫度場(chǎng)圖

3.4.2 單流澆注時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝下的單流原型中間包的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布，得到單流原型澆注時(shí)此對(duì)稱面上鋼液的流線圖和溫度場(chǎng)，如下圖8和9所示。從流線圖中可以發(fā)現(xiàn)，開澆一側(cè)的流線數(shù)量要明顯多于未開澆一側(cè)，說明開澆一側(cè)鋼液流動(dòng)的活躍度大于未開澆一側(cè)，從長水口產(chǎn)生的流線有一部分沿著中間包底部直接流向出水口，這部分鋼液在中包內(nèi)的停留時(shí)間短，夾雜物的去除率低，不利于鋼液的充分混合，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，單流澆注時(shí)，整個(gè)中間包流線比較稀疏的區(qū)域主要分布在未開澆一側(cè)和開澆一側(cè)澆注區(qū)的上方，這些部分區(qū)域容易形成死區(qū)。從溫度場(chǎng)的分布來看，中間包的高溫區(qū)在沖擊板附近，鋼液的溫度大部分在1553℃左右，未開澆一側(cè)和開澆一側(cè)的溫度場(chǎng)相差不大，長水口與出水口的鋼液溫差在6℃左右，低溫區(qū)主要在為開澆一側(cè)的塞棒上方區(qū)域和鋼液表面。

圖8 原型中間包單流澆注時(shí)流線圖

圖9 原型中間包單流澆注時(shí)溫度場(chǎng)圖

從前面水模實(shí)驗(yàn)的分析得到，單流澆注時(shí)將直水口改用彎曲水口，并配合使用擋壩，能夠很好地改善單流澆注時(shí)的流場(chǎng)分布。以下分別模擬計(jì)算了單獨(dú)使用彎曲水口和彎曲水口加一擋壩時(shí)的中間包內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，如圖10～13所示。

圖10 僅使用彎曲水口時(shí)流線圖

圖11 使用彎曲水口加一擋壩時(shí)流線圖

圖12 僅使用彎曲水口時(shí)溫度場(chǎng)圖

圖13 使用彎曲水口加一擋壩時(shí)溫度場(chǎng)圖

從這兩種方案的流線圖中可以發(fā)現(xiàn)，中間包未開澆一側(cè)的流線數(shù)量非常密集，說明這一側(cè)的鋼液流動(dòng)十分活躍，而在開澆一側(cè)的流線數(shù)量明顯變得稀疏，未增加擋壩的情況下，鋼液流向出水口時(shí)，由于速度減小和重力的作用，鋼液會(huì)沿著中包底部流動(dòng)，從而使得開澆一側(cè)的上部區(qū)域流動(dòng)變得不活躍，流線數(shù)量較少，這部分區(qū)域容易產(chǎn)生死區(qū)；在開澆一側(cè)增加擋壩后，對(duì)開澆一側(cè)底部的鋼液有抬升作用，使得上部區(qū)域變得活躍，在塞棒附近的上部區(qū)域流線較少，這部分容易形成死區(qū)。整體來看，相比較于直水口，使用彎曲水口后，鋼液在中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑大大延長，從而停留時(shí)間也大大延長，有利于鋼中的夾雜物能夠充分地上浮去除。從溫度場(chǎng)的分布上可以看出，高溫區(qū)主要集中分布在未開澆一側(cè)，溫度在1556℃左右。未增加擋壩的情況下，長水口與出水口的鋼液溫差在6℃左右，低溫區(qū)主要分布在開澆一側(cè)的液面和中包窄面附近；增加擋壩后，長水口與出水口的鋼液溫差也在6℃左右，低溫區(qū)分布在塞棒和窄面之間的區(qū)域，低溫區(qū)比未增加塞棒時(shí)有所減小。

4 結(jié)論

1)中間包雙流澆注情況下，原型澆注時(shí)，死區(qū)比例為30.9%，滯止時(shí)間為25.8s，平均停留時(shí)間為358.3s，長水口與連續(xù)測(cè)溫區(qū)域溫度差超過10℃，與左上角死區(qū)溫差20℃左右；增加擋壩后，死區(qū)比例減少至20.4%，滯止時(shí)間延長為66.9s，平均停留時(shí)間增加至410.6s，長水口與連續(xù)測(cè)溫區(qū)域溫度相差8℃左右，與中包左上角部死區(qū)位置溫度相差超過10℃。增加擋壩使得鋼液流動(dòng)更加活躍，死區(qū)比例得到減小。

2)中間包單流澆注情況下，原型中間包死區(qū)比例為38.6%，滯止時(shí)間為19.7s，平均停留時(shí)間為354.6s，大部分鋼液溫度在1553℃左右，長水口與出水口的鋼液溫差在6℃左右；彎曲水口加擋壩的方案鋼液在中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑和停留時(shí)間大大延長，死區(qū)比例減少至23.1%，滯止時(shí)間延長至100s，平均停留時(shí)間增加至425.6s，大部分鋼液溫度在1556℃左右，長水口與出水口的鋼液溫差在6℃左右。彎曲水口加擋壩方案可以使鋼液在中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑延長，從而使停留時(shí)間也得到延長，有利于鋼中的夾雜物的上浮去除。