连续铸轧坯流场数值模拟研究

连续铸轧坯流场数值模拟研究

在连续铸造和研磨中，中间包不仅是一个熔液分离装置，也是一个融合浮升和去除粉末的地方。然而，熔液流动对去除混合颗粒有很大的影响。中间包内最基本的是熔液的流动,其功能包括炉与炉之间熔液的衔接、熔液中夹杂物的去除以及熔液温度和成分的均匀化。为了充分发挥中间包的这种特殊功能,必须掌握中间包内熔液流动的基本特征。直接测定高温熔液的流场很困难,但是采用数值模拟方法可以减少很多工作,通过模拟可以得到中间包内流场的特征、优化中间包的设计参数、改进中间包内部结构设计,以达到提高连续铸轧坯的质量。本文以板坯连铸机中间包为研究对象,采用FLUENT商业软件对中间包的流场进行数值模拟,通过分析比较模拟结果,得到优化的中间包结构。1数学模型的构建1.1u3000下底层序选取的研究对象为双流薄板坯连续铸轧中间包,中间包是一个高800mm、上底3500mm、下底3100mm的梯形。入水口在离上底边左边500mm处、出水口在下底边右边200mm处。其示意见图1所示。1.2钢液流体密度方程中间包内熔液流动是一个复杂的湍流流动过程,因此需要对中间包内流体进行一定的假设:(1)钢液为稳态、不可压缩的粘性流体;(2)忽略液面波动以及钢液表面渣层的影响;(3)忽略温度变化对钢液密度的影响,即ρ为常数。描述钢液在中间包内湍流传热的控制方程,包括连续性方程、动量方程、湍流模型。连续性方程:动量(N-S)方程:式中:p为压力,Pa;ρ为流体密度,kg/m3;ui,uj为流体速度,m/s;xi,xj分别为x,y方向上的速度分量,m/s;μeff为有效粘度系数,Pa·s。式中:μl为层流粘度系数,Pa·s;μt为湍流粘度系数,Pa·s。式中:Cμ为经验参数;K为湍流脉动动能,m2/s2;ε为耗散速率,m2/s3。其中Cμ参数采用Launder和Spalding的推荐值。1.3中间包入口钢液流动规律(1)熔池表面,忽略钢液表面渣层的影响,为自由液面;在自由液面上变量梯度为零、无剪切力。(2)中间包入口处,假设钢液流动是一维的,速度垂直于自由表面,速度大小由拉坯速度和入口断面积计算求得,入口断面上速度分布均匀。(3)中间包壁面,在靠近固体墙的区域,采用壁面函数理论来处理速度ui、K、ε,与固体墙接触的节点无滑移。2钢液流动规律连续铸轧中间包内无流动控制装置时钢液流动速度场的模拟结果如图2所示。从图可知:钢液注入中间包以较大速度向下流动并穿透整个熔液层到达中间包底部,然后沿包底向周围散开,其中一小部分钢液沿中间包的前后壁面流动,流向出水口。注入流股具有很大的卷吸作用,使注入流区上面部分的钢液反向流动,在中间包左右两侧分别形成一个回流区,基本上反映了中间包内钢液的流动特性。产生这种流动对钢液的质量有很大的影响。因为新注入的钢液停留时间较短,其中的夹杂物来不及上浮即随钢液进入双铸轧辊中。另外,注入流股的卷吸可能将自由表面的保护渣卷入钢液中而形成新的夹杂。因此,在中间包内要避免这种流场的出现,因而中间包内需设置控流装置来消除这种流场。在中间包内设置堰能引导注入钢液转包底流动,阻止表面形成回流,使钢液湍动集中在注入流区,下游形成平稳的熔池。坝能阻挡流体沿包底流动,使钢液流向中间包上方。因此,设置堰时,其下游应当设置坝以抑制钢液沿中间包底的流动。连续铸轧中间包内设有堰坝流动控制装置时钢液流动速度场的模拟结果如图3所示。从图可知:中间包内设置堰、坝后,钢液的流动状态发生了很大变化。堰把钢液的注入区限制在很小的范围,使新注入的钢液充分混合,成分、温度都达到均匀化。钢液越过坝后,先向钢液表面方向流动,后沿中间包的上部向两侧流动。这样,在中间包左右两侧各形成一个回流区,但回流的方向与没有加堰坝时的方向相反。这种流动可以将夹杂物带向液面,有利于夹杂物的上浮与去除,改善钢液的质量。2.1与入流口间距的影响数值模拟时,改变挡堰与注流口之间的距离,所得中间包流场分布示意图如图4所示。从图可知:挡堰与入流口之间的间距对钢液的流动有很大影响。当二者间距为800mm时,挡堰将冲击力很强的注入液流限定在进口区,使活塞流区有平静的渣面。同时,流场分布结果有一种趋势,距进口区越远的挡堰越对钢液稳定不利,因为限制注入流冲击的作用越来越弱,使钢液出口速度不均匀从而影响钢液的流动状态。2.2堰坝间距和注流口间距的影响在数值模拟过程中,将挡堰与入水口之间的距离设定为800mm,改变挡堰与挡坝之间的距离,进行分析与计算,所得中间包流场分布示意图如图5所示。从图可知:堰坝的间距对钢液流动有较大的影响。当二者间距为400mm时,坝能使钢液向熔液表面流动,有利于夹杂物的上浮和去除。还可以降低钢液的涌动对开始铸轧阶段的影响。另外,坝距注流口越远,钢液越能获得更长的停留时间,有利于钢液的均匀化,但太远会减弱钢液流向表面的速度,不利于夹杂物的去除。因此,堰与坝须保持合理的距离,才能获得最佳的效果。2.3挡堰相对高度的影响堰-坝组合可以得到一种很好的流场模拟结果。同样本研究模拟了挡堰相对高度对中间包流场的影响,通过分析影响对模型进行了必要的优化。挡堰相对高度对中间包流场的影响如图6所示。可以从图6(a)中看出,挡堰左侧的环流区很明显发育得不好。从图6(c)挡堰相对高度650mm的中间包流场速度矢量图中看出,流场左侧环流区发育的很好,但是越过挡坝的流向液面的那部分钢液流动的太快,流场不平稳。而图6(b)是挡堰相对高度550mm的中间包流场速度矢量图,显示出的环流区发育的就很好,很平稳。2.4挡坝相对高度对中间包流场的影响堰-坝组合使用可得到一种较为理想的流场模拟结果。同样本研究模拟了挡坝相对高度对中间包流场的影响,通过分析影响对模型进行了必要的优化。挡坝相对高度对中间包流场的影响如图7所示。图7(a)是挡坝相对高度250mm的中间包流场速度矢量图,可以看出,越过挡坝流向液面的钢液很大一部分不能充分到达液面。图7(c)是挡坝相对高度450mm的中间包流场速度矢量图,可以看出熔液可以充分到达液面,但是流动速度过于快。图7(b)挡坝相对高度350mm的中间包流场速度矢量图,可以看出流场有很了明显的改善,钢液流动平稳,而且杂质可以很充分的上浮。3堰-坝对钢液流场的影响(1)通过对连续铸轧中间包流场的数值模拟可以得到,在没有设置流动控制时,中间包内钢液的流动不利于夹杂物的上浮和去除;在设置流动控制装置后,钢液流动状况得到明显改善,有利于提高连续铸轧坯质量。设置堰-坝可以改变中间包内钢液的流动特征,延长了钢液的停留时