薄板坯连铸单流中间包流场的数学模拟_图文

1、薄板坯连铸单流中间包流场的数学模拟马天飞刘国齐李红霞杨文刚于建宾(中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司,河南特种耐火材料重点实验室摘要采用数值计算的方法模拟单流中间包内钢液流动行为。计算模拟了无控流装置,应用挡渣墙坝,以及导流隔墙时中间包内钢液流动分布、温度场。结果表明:中间包无控流装置易在中间包中下部形成贯穿流,不利于新旧钢液混合以及夹杂物去除;导流隔墙可使钢液充分上扬,夹杂物易为覆盖渣俘获,有利于夹杂物去除;加装控流装置后,湍动能在到达控流装置前加强,有利于小粒径夹杂聚合上浮;而湍动能在经过控流装置后减弱,有利于钢液平稳流入结晶器;导流隔墙与堰坝组合均可使中间包内钢液充分混合,温度均匀,进出

2、口温差减小。关键词数学模拟中间包流场控流装置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前言传统的中间包只起到储存、分配钢水和稳定注流的作用。随着对钢洁净度要求的提高,人们把中间包作为钢包与结晶器之间的一个精炼反应器,以进一步改善钢的质量。人们发现改善中间包内钢水流动状态可以促进钢水中夹杂物上浮分离、防止中间包表面覆盖渣卷入钢水,这样就进一步净化了进入结晶器的钢水洁净度。流场主要与几何形状和流速有关,在通钢量一定的情况下,可以通过改变中间包结构来改善流场。流场的数值模拟可以观察到不同结构时中间包内的流场、温度场、钢水湍动程度。本实验应用计算流体力学的知识,采用数值模拟的方法,以马钢中间包为模型,研

8、究了中间包内控流耐火材料结构对中间内流场的影响。1计算模型以某钢厂薄板坯连铸中间包为原型,中间包基本尺寸为:工作液面高度:900mm;上液面宽度为1080mm;长度为4415mm;下液面宽度为830mm,长度为4030mm;钢包-中间包长水口的直径70 mm。中间包-结晶器水口直径80mm。1.1假设条件1流体为稳态、不可压缩的粘性流体;2忽略中间包钢水液面波动;3不考虑中间包内的化学反应。1.2基本流体方程中间包内的钢液流动是一个复杂的紊流过程,描述钢液在中间包内的流动和传热的方程有连续性方程、动量方程、能量方程及方程1-3。1.3边界条件1中间包入口:根据通钢量恒定,确定入口速度、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联系人:马天飞,硕士,工程师,河南.洛阳(471039,中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司;收稿日期:20101252中间包出口:流体在出口处充分发展为压力出口。3中间包钢液顶面:流场速度梯度为零,法向速度为零。钢液面辐射散热量取36k W /m 2。假设夹杂物运动到钢液顶面后全部被表面渣层吸收。4固体壁面速度为零,壁面为非滑移界面,采用壁面函数计算;在浇注过程中,中间包壁传热视为恒定值,底墙散热流量为1.4k W /m 2,横向包壁散热量为3.8k W /m 2,纵

10、向包壁散热量为3.2k W /m 24。2 模拟方案中间包模型(如图1所示模拟计算方案如下:A 组计算中间包内无挡墙、挡坝的情形。B 组计算在中间包内安装导流隔墙和挡坝的情形,其中导流隔墙距入流口550mm,挡坝距出流口900mm 。C 、D 组计算在中间包内安装挡墙和挡坝的情形,其中C 组将B 组的导流隔墙换成挡墙和挡坝组合,挡坝与挡坝之间距离100mm;D 组挡墙距入流口950mm ,右挡坝距出流口500mm 。图1 中间包模型示意图3 数值模拟试验结果与分析3.1 中间包钢水流场分布钢液入口速度为3.2m /s 时中间包内钢液中心对称面的速度矢量如图2 所示。(a 无控流装置(b 采用导

11、流隔墙控流(c 采用短距离堰坝组合控流(d采用长距离堰坝组合控流 图2 中间包中心对称面钢液流速矢量图由图2(a无控流装置时中间包内钢液的流场图可以看出,无控流装置时钢液在入口区以较大的速度和包底相撞并向四周展开,同时由水口注入流股的/喷射泵0作用抽引周围钢液向入口区流动,有贯穿流沿中间包中下部直接流向出口,不利于夹杂物排除。由图2(b设置导流隔墙控流装置后中间包内钢液的流场图可以看到,钢液流过挡墙后,向上流向液面,有利于夹杂物被液面保护渣俘获;且在右侧形成一个顺时针的大环流,延长了钢液在中间包内的停留时间。图2(c和(d采用堰坝组合来实施控流,其中图2(c中的堰坝离钢液入口较近,图2(d中的

12、堰坝离钢液入口较远。由图2(c 和(d可知,堰坝组合的控流装置也能引导钢液流经液面,且均在堰坝右侧形成回流,但流向液面的钢液速度较小,且右侧环流位置偏向中间包中下部。3.2 中间包内湍动能分析有无控流装置情况下中间包内湍动能分布如图3所示。(a无控流装置(b采用导流隔墙控流(c采用短距离堰坝组合控流(d采用长距离堰坝组合控流图3 中间包中心对称面湍动能分布#10# 河 南 冶 金 2010年第4期由图3可见,在设置控流装置的中间包内,由于挡墙的作用,使钢液在注入中间包的小区域内湍动强烈,这有助于夹杂颗粒碰撞长大,从而增大夹杂物的上浮几率;而挡墙过后的大区域,湍动减弱,有利于钢流稳定。3.3 中

13、间包钢水温度分布有无控流装置情况下中间包内钢液中心对称面温度分布如图4所示。有无控流装置情况下中间包内钢液顶面温度分布如图5 所示。(a 无控流装置(b 采用导流隔墙控流(c 短距离堰坝组合控流(d长距离堰坝组合控流图4 中间包中心截面钢液温度场由图4、图5可知,无控流装置时,中间包内钢液温度分布不均匀,且液面温度较低。中间包入口温度为1800K,通过计算得知:无控流装置时中间包内钢水最低温度为1788K,最大温差为12K 。有控流装置时中间包内最低温度为1789K,最大温差11K 。两种情况下钢水最底温度均位于中间包出口上方液面角部。无控流装置时中间包内进出口温度差为1.8K,有控流装置时中

14、间包内进出口温度差为1.37K 。采用堰坝组合时,高温区右移,其中堰坝偏右 时,高温区右移较多,整个中间包温度更均匀。(a无控流装置(b采用导流隔墙控流(c采用短距离堰坝组合控流(d采用长距离堰坝组合控流图5 中间包顶面钢液温度场4 结论1中间包无控流装置易在中间包中下部形成贯穿流,不利于新旧钢液混合以及夹杂物去除。2导流隔墙可使钢液充分上扬,夹杂物易为覆盖渣俘获,有利于夹杂物去除。3加装控流装置后,湍动能在到达控流装置前加强,有利于小粒径夹杂聚合上浮;而湍动能在经过控流装置后减弱,有利于钢液平稳流入结晶器。4导流隔墙与堰坝组合均可使中间包内钢液充分混合,温度均匀,进出口温差减小。5 参考文献1 程子建,成东全,程树森,等.酒钢板坯中间包等温流场的数值模拟.钢铁研究学报,2008,20(2:60-63.2 苏瑞先,乐可襄,孙于萍,等.板坯连铸中间包钢液流场的数学模拟.安徽工业大学学报,2007,24(3:239-246.3 Ralf Bo lli ng ,H angs-J u rgen Od entha.l T rans i en t