薄板坯連鑄單流中間包流場的數(shù)學(xué)模擬_圖文

1、薄板坯連鑄單流中間包流場的數(shù)學(xué)模擬馬天飛劉國齊李紅霞楊文剛于建賓(中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司,河南特種耐火材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摘要采用數(shù)值計(jì)算的方法模擬單流中間包內(nèi)鋼液流動行為。計(jì)算模擬了無控流裝置,應(yīng)用擋渣墻壩,以及導(dǎo)流隔墻時中間包內(nèi)鋼液流動分布、溫度場。結(jié)果表明:中間包無控流裝置易在中間包中下部形成貫穿流,不利于新舊鋼液混合以及夾雜物去除;導(dǎo)流隔墻可使鋼液充分上揚(yáng),夾雜物易為覆蓋渣俘獲,有利于夾雜物去除;加裝控流裝置后,湍動能在到達(dá)控流裝置前加強(qiáng),有利于小粒徑夾雜聚合上浮;而湍動能在經(jīng)過控流裝置后減弱,有利于鋼液平穩(wěn)流入結(jié)晶器;導(dǎo)流隔墻與堰壩組合均可使中間包內(nèi)鋼液充分混合,溫度均勻,進(jìn)出

2、口溫差減小。關(guān)鍵詞數(shù)學(xué)模擬中間包流場控流裝置MATHEMATIC SIMULATION OF FLOW FI ELD OF ONE STRANDTUN I S H FOR TH IN SLAB CASTERM a T ian f e i L i u Guoqi L iH ongx i a Y ang W engang Y u Jianbin(S i nosteel L uoyang Institute o f R efractor i es R esearch Co.,L td;H enan K ey L abo ra t o ry o f Advanced R e fractories,Lu

3、oyangAB STRACT F l ow behav ior of L i qui d stee l in tun i sh w ithout fl ow-contro l constructi on,w it h w eir and da m,and w a llw as stud i ed by nume rical si m ulati on me t hod.F l ow field and te m perature field w ere computed.The results sho w t hat:(1W it h-out flow-contro l constructi

4、on,breakdown flo w occu rred in the bottom of t unish,wh ich i s disadvantageous to blend bet w een ne w liquid steel and o l d li quid stee,l and disadvantageous t o i nc l usi on fl o tati on.(2A pp l y i ng wa llw ith po re,li quid steelw ill ascend to surface,i nc l usi on is easil y capt ured b

5、y slag,which is advantageous to e li m i nate i nc l usi on.(3W ith fl ow-contro l constructi on,t urbu l ent ene rgy enhance before wa l,l w hich is advan tageous to s m a ll i ncl usion aggreg ati on to float,butw eaken a fter w al,l wh i ch is advantageous to that li quid steel enter m oul d cal

6、m ly.(4W ith fl ow-contro l constructi on or w e ir and da m,new li qui d stee l and o ld liquid stee l can m i x adequa tely,t he temperature of liqu i d stee l is even in t unish,and te m pera-t ure difference bet w een entry and ex it deduces.K EY WORDS ma t he m a tics si m u l a ti on tun i sh

7、flow fi e l d flow-contro l constructi on0前言傳統(tǒng)的中間包只起到儲存、分配鋼水和穩(wěn)定注流的作用。隨著對鋼潔凈度要求的提高,人們把中間包作為鋼包與結(jié)晶器之間的一個精煉反應(yīng)器,以進(jìn)一步改善鋼的質(zhì)量。人們發(fā)現(xiàn)改善中間包內(nèi)鋼水流動狀態(tài)可以促進(jìn)鋼水中夾雜物上浮分離、防止中間包表面覆蓋渣卷入鋼水,這樣就進(jìn)一步凈化了進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水潔凈度。流場主要與幾何形狀和流速有關(guān),在通鋼量一定的情況下,可以通過改變中間包結(jié)構(gòu)來改善流場。流場的數(shù)值模擬可以觀察到不同結(jié)構(gòu)時中間包內(nèi)的流場、溫度場、鋼水湍動程度。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的知識,采用數(shù)值模擬的方法,以馬鋼中間包為模型,研

8、究了中間包內(nèi)控流耐火材料結(jié)構(gòu)對中間內(nèi)流場的影響。1計(jì)算模型以某鋼廠薄板坯連鑄中間包為原型,中間包基本尺寸為:工作液面高度:900mm;上液面寬度為1080mm;長度為4415mm;下液面寬度為830mm,長度為4030mm;鋼包-中間包長水口的直徑70 mm。中間包-結(jié)晶器水口直徑80mm。1.1假設(shè)條件1流體為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的粘性流體;2忽略中間包鋼水液面波動;3不考慮中間包內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。1.2基本流體方程中間包內(nèi)的鋼液流動是一個復(fù)雜的紊流過程,描述鋼液在中間包內(nèi)的流動和傳熱的方程有連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及方程1-3。1.3邊界條件1中間包入口:根據(jù)通鋼量恒定,確定入口速度、速度方向

9、垂直入口截面。2010年4月河南冶金A pr.2010第18卷第2期HENAN M ETALLURGY V o.l18N o.2聯(lián)系人:馬天飛,碩士,工程師,河南.洛陽(471039,中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司;收稿日期:20101252中間包出口:流體在出口處充分發(fā)展為壓力出口。3中間包鋼液頂面:流場速度梯度為零,法向速度為零。鋼液面輻射散熱量取36k W /m 2。假設(shè)夾雜物運(yùn)動到鋼液頂面后全部被表面渣層吸收。4固體壁面速度為零,壁面為非滑移界面,采用壁面函數(shù)計(jì)算;在澆注過程中,中間包壁傳熱視為恒定值,底墻散熱流量為1.4k W /m 2,橫向包壁散熱量為3.8k W /m 2,縱

10、向包壁散熱量為3.2k W /m 24。2 模擬方案中間包模型(如圖1所示模擬計(jì)算方案如下:A 組計(jì)算中間包內(nèi)無擋墻、擋壩的情形。B 組計(jì)算在中間包內(nèi)安裝導(dǎo)流隔墻和擋壩的情形,其中導(dǎo)流隔墻距入流口550mm,擋壩距出流口900mm 。C 、D 組計(jì)算在中間包內(nèi)安裝擋墻和擋壩的情形,其中C 組將B 組的導(dǎo)流隔墻換成擋墻和擋壩組合,擋壩與擋壩之間距離100mm;D 組擋墻距入流口950mm ,右擋壩距出流口500mm 。圖1 中間包模型示意圖3 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1 中間包鋼水流場分布鋼液入口速度為3.2m /s 時中間包內(nèi)鋼液中心對稱面的速度矢量如圖2 所示。(a 無控流裝置(b 采用導(dǎo)

11、流隔墻控流(c 采用短距離堰壩組合控流(d采用長距離堰壩組合控流 圖2 中間包中心對稱面鋼液流速矢量圖由圖2(a無控流裝置時中間包內(nèi)鋼液的流場圖可以看出,無控流裝置時鋼液在入口區(qū)以較大的速度和包底相撞并向四周展開,同時由水口注入流股的/噴射泵0作用抽引周圍鋼液向入口區(qū)流動,有貫穿流沿中間包中下部直接流向出口,不利于夾雜物排除。由圖2(b設(shè)置導(dǎo)流隔墻控流裝置后中間包內(nèi)鋼液的流場圖可以看到,鋼液流過擋墻后,向上流向液面,有利于夾雜物被液面保護(hù)渣俘獲;且在右側(cè)形成一個順時針的大環(huán)流,延長了鋼液在中間包內(nèi)的停留時間。圖2(c和(d采用堰壩組合來實(shí)施控流,其中圖2(c中的堰壩離鋼液入口較近,圖2(d中的

12、堰壩離鋼液入口較遠(yuǎn)。由圖2(c 和(d可知,堰壩組合的控流裝置也能引導(dǎo)鋼液流經(jīng)液面,且均在堰壩右側(cè)形成回流,但流向液面的鋼液速度較小,且右側(cè)環(huán)流位置偏向中間包中下部。3.2 中間包內(nèi)湍動能分析有無控流裝置情況下中間包內(nèi)湍動能分布如圖3所示。(a無控流裝置(b采用導(dǎo)流隔墻控流(c采用短距離堰壩組合控流(d采用長距離堰壩組合控流圖3 中間包中心對稱面湍動能分布#10# 河 南 冶 金 2010年第4期由圖3可見,在設(shè)置控流裝置的中間包內(nèi),由于擋墻的作用,使鋼液在注入中間包的小區(qū)域內(nèi)湍動強(qiáng)烈,這有助于夾雜顆粒碰撞長大,從而增大夾雜物的上浮幾率;而擋墻過后的大區(qū)域,湍動減弱,有利于鋼流穩(wěn)定。3.3 中

13、間包鋼水溫度分布有無控流裝置情況下中間包內(nèi)鋼液中心對稱面溫度分布如圖4所示。有無控流裝置情況下中間包內(nèi)鋼液頂面溫度分布如圖5 所示。(a 無控流裝置(b 采用導(dǎo)流隔墻控流(c 短距離堰壩組合控流(d長距離堰壩組合控流圖4 中間包中心截面鋼液溫度場由圖4、圖5可知,無控流裝置時,中間包內(nèi)鋼液溫度分布不均勻,且液面溫度較低。中間包入口溫度為1800K,通過計(jì)算得知:無控流裝置時中間包內(nèi)鋼水最低溫度為1788K,最大溫差為12K 。有控流裝置時中間包內(nèi)最低溫度為1789K,最大溫差11K 。兩種情況下鋼水最底溫度均位于中間包出口上方液面角部。無控流裝置時中間包內(nèi)進(jìn)出口溫度差為1.8K,有控流裝置時中

14、間包內(nèi)進(jìn)出口溫度差為1.37K 。采用堰壩組合時,高溫區(qū)右移,其中堰壩偏右 時,高溫區(qū)右移較多,整個中間包溫度更均勻。(a無控流裝置(b采用導(dǎo)流隔墻控流(c采用短距離堰壩組合控流(d采用長距離堰壩組合控流圖5 中間包頂面鋼液溫度場4 結(jié)論1中間包無控流裝置易在中間包中下部形成貫穿流,不利于新舊鋼液混合以及夾雜物去除。2導(dǎo)流隔墻可使鋼液充分上揚(yáng),夾雜物易為覆蓋渣俘獲,有利于夾雜物去除。3加裝控流裝置后,湍動能在到達(dá)控流裝置前加強(qiáng),有利于小粒徑夾雜聚合上浮;而湍動能在經(jīng)過控流裝置后減弱,有利于鋼液平穩(wěn)流入結(jié)晶器。4導(dǎo)流隔墻與堰壩組合均可使中間包內(nèi)鋼液充分混合,溫度均勻,進(jìn)出口溫差減小。5 參考文獻(xiàn)1 程子建,成東全,程樹森,等.酒鋼板坯中間包等溫流場的數(shù)值模擬.鋼鐵研究學(xué)報,2008,20(2:60-63.2 蘇瑞先,樂可襄,孫于萍,等.板坯連鑄中間包鋼液流場的數(shù)學(xué)模擬.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,24(3:239-246.3 Ralf Bo lli ng ,H angs-J u rgen Od entha.l T rans i en t