五流大方坯中間包流場(chǎng)優(yōu)化

張 華,羅榮華,倪紅衛(wèi),李 熠

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081)

五流大方坯中間包流場(chǎng)優(yōu)化

張 華,羅榮華,倪紅衛(wèi),李 熠

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081)

針對(duì)某鋼廠五流大方坯中間包3流鑄坯探傷不合格率較高的問(wèn)題,采用數(shù)值模擬方法,研究不同結(jié)構(gòu)中間包鋼液的流場(chǎng)。結(jié)果表明,該鋼廠現(xiàn)使用的中間包結(jié)構(gòu)不合理,近流有短路流出現(xiàn),且各流差異較大,不利于去除鋼液中的夾雜物和提高各流間鋼液的均勻性;采用大沖擊區(qū),擋墻中墻不開(kāi)孔、側(cè)墻開(kāi)4個(gè)孔,設(shè)置2個(gè)壩的中間包結(jié)構(gòu)最佳;中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,消除了近流的短路流,中間包鋼液平均停留時(shí)間達(dá)652.9 s,各流示蹤劑濃度的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.011 9,死區(qū)體積分?jǐn)?shù)也僅為21.96%,既有利于夾雜物上浮去除,也保證了各流間鋼液的均勻性。

中間包;數(shù)值模擬;流場(chǎng);RTD曲線

中間包是連接鋼包與結(jié)晶器的過(guò)渡容器,具有分壓、穩(wěn)流、連澆、凈化、調(diào)溫等功能[1]。對(duì)于多流連鑄中間包,如果控流裝置設(shè)計(jì)不合理,各流之間鋼液溫度及所含夾雜物的大小和數(shù)量會(huì)存在較大的差異,直接影響到鑄坯質(zhì)量及穩(wěn)定性。

某煉鋼廠五機(jī)五流大方坯連鑄機(jī)主要產(chǎn)品為質(zhì)量要求嚴(yán)格的重軌鋼,但在澆注生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),其3流鑄坯由內(nèi)部夾雜引起的探傷不合格率明顯高于其他4流,說(shuō)明該五流中間包各流間鋼液存在明顯的不均勻性。本文根據(jù)該廠五流大方坯連鑄機(jī)實(shí)際生產(chǎn)情況,應(yīng)用數(shù)值模擬方法,研究中間包控流裝置對(duì)鋼液流動(dòng)行為和傳熱特性的影響,進(jìn)而優(yōu)化中間包流場(chǎng),以提高中間包各流之間的鋼液均勻性,提高鋼液純凈度,改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

本模型假設(shè)鋼液為不可壓縮的黏性流體,忽略溫度對(duì)鋼液密度的影響,忽略中間包表面覆蓋劑及渣層對(duì)鋼液流動(dòng)的影響。中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)可看作三維單相穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng),示蹤劑的流動(dòng)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過(guò)程。描述鋼液流動(dòng)和傳熱的基本方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量傳輸方程、湍動(dòng)能方程及湍動(dòng)能耗散率方程,描述示蹤劑擴(kuò)散的方程為湍流擴(kuò)散方程,以上方程的具體形式及參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]。

1.2 邊界條件和初始條件

結(jié)合中間包鋼液實(shí)際流動(dòng)情況,模型的邊界條件如下:

(1)固體壁面上鋼液的流動(dòng)速度為零,壁面為無(wú)滑移壁面。

(2)中心對(duì)稱面法向鋼液的流動(dòng)速度為零,其他變量的法線方向?qū)?shù)為零。

(3)熔池液面上所有變量梯度為零。

(4)中間包入口處和出口處鋼液速度垂直向下,拉坯速度及鑄坯斷面根據(jù)流量相等原則確定入口速度,出口采用壓力出口邊界條件。入口處的湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率由文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]確定。

1.3 計(jì)算條件及方案

某鋼廠五機(jī)五流大方坯連鑄機(jī)主要生產(chǎn)U 71M n、U 75V等重軌鋼,鑄坯斷面尺寸為380 mm×280 mm,拉坯速率為0.5～0.8 m/min,計(jì)算時(shí)選擇其典型拉坯速率0.7 m/min,澆注溫度選擇其典型澆注溫度1 773 K。該鑄機(jī)中間包為T型對(duì)稱中間包,其擋墻為U型擋墻,澆注區(qū)設(shè)置2個(gè)壩(壩Ⅰ),工作容量為35 t,工作液面高度800 mm?？紤]中間包的對(duì)稱性,為了減少計(jì)算量,取其中一半作為計(jì)算區(qū)域,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

合理的中間包流場(chǎng)應(yīng)滿足以下3個(gè)要求[4-6]:①有效分流,保證中間包各流鋼液分配均勻,鋼液溫度、成分均勻;②鋼液流動(dòng)平穩(wěn),減少鋼液對(duì)鋼

圖1 中間包結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch of tundish structure

渣界面的沖擊及對(duì)包襯等耐火材料沖刷,避免卷入外來(lái)夾雜;③鋼液平均停留時(shí)間足夠長(zhǎng),促進(jìn)夾雜物的上浮去除。

為了評(píng)價(jià)中間包控流裝置對(duì)中間包流場(chǎng)的影響,本文在現(xiàn)場(chǎng)使用的 T型中間包結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過(guò)改變擋墻位置、孔型及壩的設(shè)置,共設(shè)計(jì)6種方案進(jìn)行模擬計(jì)算,如表1所示。其中方案1-1為現(xiàn)場(chǎng)使用的中間包結(jié)構(gòu)。根據(jù)擋墻距3流出口距離a(見(jiàn)圖1)的不同,6種方案又分為小沖擊區(qū)(a=291 mm)和大沖擊區(qū)(a=150 mm)兩大類。表1中,中墻指擋墻平行于各流出口的部分,側(cè)墻指擋墻兩側(cè)連接包襯部分,壩Ⅱ位置見(jiàn)圖1中虛線處。

表1 中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Table 1 Schemes for tundish structure

1.4 數(shù)值求解及RTD分析方法

本文采用SIM PLE法,利用CFD商業(yè)軟件對(duì)中間包三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,在得到穩(wěn)定的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)后,在鋼液入口處瞬態(tài)加入示蹤劑0.5 s,求解示蹤劑瞬態(tài)的三維湍流傳質(zhì)方程,可求出鋼液在各流出口的濃度隨時(shí)間的分布(RTD)曲線。根據(jù)文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9],利用RTD曲線,可以得到出口示蹤劑響應(yīng)時(shí)間 Tr、出口示蹤劑濃度達(dá)到最大值的峰值時(shí)間 Tp及其平均停留時(shí)間 Ta。結(jié)合相應(yīng)的流動(dòng)模型,可以計(jì)算出鋼液在中間包理論停留時(shí)間 Ts及中間包內(nèi)死區(qū)、活塞流區(qū)、全混流區(qū)的體積分?jǐn)?shù) Vd、Vp和Vm,并根據(jù)各流的RTD曲線計(jì)算在每個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)示蹤劑濃度值標(biāo)準(zhǔn)差總和的平均值SN,評(píng)價(jià)各流流動(dòng)特性的一致性,綜合分析鋼液的流動(dòng)特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 中間包流場(chǎng)和RTD曲線分析結(jié)果

不同結(jié)構(gòu)中間包的流線圖和出口縱截面流場(chǎng)圖如圖2所示。RTD曲線分析結(jié)果如表2所示。

2.2 沖擊區(qū)大小對(duì)中間包流場(chǎng)的影響

比較圖2(a)和圖2(e)及圖2(c)和圖2(g)可以發(fā)現(xiàn),中間包沖擊區(qū)擴(kuò)大后,沖擊區(qū)鋼液湍流程度減弱,速度減小,有利于減小沖擊區(qū)內(nèi)鋼流對(duì)包襯和鋼渣界面的沖擊,提高鋼液純凈度;同時(shí)沖擊區(qū)增大后,注流從導(dǎo)流孔流出后對(duì)澆注區(qū)的沖擊略有減弱。

比較圖2(b)和圖2(f)及圖2(d)和圖2(h)可以發(fā)現(xiàn),中間包沖擊區(qū)擴(kuò)大后,注流從擋墻導(dǎo)流孔流出的動(dòng)能減小,注流對(duì)沖擊區(qū)鋼渣界面的沖擊也減小,降低了卷渣的傾向。

對(duì)比表2中方案1-1和方案2-1的RTD分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于擋墻中墻采用開(kāi)孔設(shè)計(jì)的中間包,擴(kuò)大其沖擊區(qū),則擋墻中墻的寬度增大,中墻孔的位置向兩側(cè)移動(dòng),使中墻開(kāi)孔離近流(3流)的距離增大,有利于延長(zhǎng)近流的響應(yīng)時(shí)間,降低短路流出現(xiàn)的傾向,同時(shí)有利于減小遠(yuǎn)流(5流)的響應(yīng)時(shí)間和峰值時(shí)間,進(jìn)而減小各流間示蹤劑濃度的標(biāo)準(zhǔn)差。

比較表2中方案1-2和方案2-2的 RTD分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),中墻采用不開(kāi)孔設(shè)計(jì)時(shí),擴(kuò)大沖擊區(qū)可以顯著延長(zhǎng)3流的響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間和平均停留時(shí)間,4流和5流的響應(yīng)時(shí)間和峰值時(shí)間也略為延長(zhǎng),中間包的平均停留時(shí)間由558.1 s延長(zhǎng)至582.7 s,死區(qū)體積分?jǐn)?shù)由27.25%降至23.95%,有利于夾雜物的上浮去除。

2.3 擋墻中墻開(kāi)孔設(shè)計(jì)對(duì)中間包流場(chǎng)的影響

圖2中,比較方案1-1和方案1-2及方案2-1和方案2-2的中間包流線圖及出口縱截面流場(chǎng)圖可以發(fā)現(xiàn),不論是采用大沖擊區(qū)還是小沖擊區(qū),中墻采用開(kāi)孔設(shè)計(jì)時(shí),中間包沖擊區(qū)近流(3流、4流)的鋼流量明顯較大,而遠(yuǎn)流(5流)分配的鋼液明顯偏少,不利于鋼液的成分、溫度的均勻分布和近流鋼液夾雜物的上浮;而中墻采用不開(kāi)孔設(shè)計(jì)時(shí),中間包沖擊區(qū)鋼液僅由擋墻側(cè)孔流向澆注區(qū),減少了近流處鋼液的分配,并使遠(yuǎn)流處鋼液能夠獲得較充足的補(bǔ)充,明顯改善了各流間鋼液的均勻性。但是,由于沖擊區(qū)鋼液僅由側(cè)墻導(dǎo)流孔流出,故鋼流集束作用增強(qiáng),對(duì)鋼渣液面的沖擊明顯增大,但計(jì)算結(jié)果顯示,液面鋼液流動(dòng)速率最大值均沒(méi)有超過(guò)0.1 m/s,不會(huì)引起卷渣。

圖2 中間包鋼液流線圖及Y=0截面流場(chǎng)圖Fig.2 Stream lines of the schemesand flow field at Y=0 section of tundish

表2 各方案停留時(shí)間分布曲線計(jì)算及分析結(jié)果Table 2 Calculation and analysis results of the RTD curves of the schemes

表2中,比較方案1-1和方案1-2及方案2-1和方案2-2的RTD分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),擋墻中墻采用不開(kāi)孔設(shè)計(jì)時(shí),可以使中間包各流間響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間和平均停留時(shí)間的差值大大減小,顯著降低各流間示蹤劑濃度的標(biāo)準(zhǔn)差,如擋墻中墻采用開(kāi)孔設(shè)計(jì)的方案1-1,其3流和5流響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間和平均停留時(shí)間的差值分別達(dá)229.0、537.5、514.3 s,示蹤劑濃度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.0242,而擋墻中墻采用不開(kāi)孔設(shè)計(jì)的方案1-2,其3流和5流響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間和平均停留時(shí)間的差值分別僅為31.0、63.5、46.2 s,示蹤劑濃度標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.011 2。

2.4 擋墻側(cè)墻導(dǎo)流孔數(shù)對(duì)中間包流場(chǎng)的影響

比較圖2(g)和圖2(i)及圖2(h)和圖2(j)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)擋墻側(cè)墻孔數(shù)由2個(gè)增至4個(gè)后,中間包流線變化不大,只是由于擋墻側(cè)墻孔數(shù)增大,注流從沖擊區(qū)流出的集束作用減弱,對(duì)5流出口區(qū)域的攪動(dòng)略有減弱,同時(shí),注流對(duì)鋼液界面的沖擊明顯減弱,降低了卷渣的傾向。

表2中,比較方案2-2和方案2-3的RTD分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),擋墻側(cè)墻導(dǎo)流孔數(shù)增加,對(duì)各流的響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間、平均停留時(shí)間及各流間的差值影響都不大,各流間示蹤劑濃度標(biāo)準(zhǔn)差略有減小,中間包死區(qū)面積減小了1.42%。

綜合考慮,擋墻側(cè)墻導(dǎo)流孔開(kāi)4孔方案優(yōu)于開(kāi)2孔方案。

2.5 壩設(shè)計(jì)對(duì)中間包流場(chǎng)的影響

比較圖2(g)和圖2(k)及圖2(h)和圖2(l)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)在中間包增加壩Ⅱ設(shè)計(jì)后,3流和4流出口附近鋼液的流動(dòng)有所加強(qiáng),5流出口區(qū)域的鋼液流動(dòng)略有減弱;同時(shí)注流對(duì)鋼渣界面的沖擊明顯有所減小,鋼液整體流動(dòng)變化不大。

表2中,比較方案2-2和方案2-4可以發(fā)現(xiàn),增加壩Ⅱ設(shè)計(jì),各流的響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間、平均停留時(shí)間及各流間的差值變化不大,中間包的平均停留時(shí)間、各流示蹤劑濃度標(biāo)準(zhǔn)差和死區(qū)面積也相差不大。但增加一個(gè)壩設(shè)計(jì)會(huì)增加耐火材料成本和人力成本,綜合考慮,中間包內(nèi)僅設(shè)置壩Ⅰ即可。

2.6 最佳中間包結(jié)構(gòu)的確定

綜合分析沖擊區(qū)大小、擋墻結(jié)構(gòu)及壩對(duì)中間包流場(chǎng)的影響,采用大沖擊區(qū)、擋墻中墻不開(kāi)孔、側(cè)墻開(kāi)4孔、設(shè)置壩Ⅰ的方案2-3為最佳中間包結(jié)構(gòu)。

比較圖2(a)和圖2(i)及圖2(b)和圖2(j)可以看出,采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案2-3后,中間包近流(3流)附近鋼液分配明顯減少,遠(yuǎn)流(5流)處鋼液補(bǔ)充更充分,在出口縱截面流場(chǎng)圖中也可以看出各流附近鋼液流速分布更加均勻。

原中間包與優(yōu)化后中間包的出口處縱截面的溫度場(chǎng)如圖3所示。由圖3中可見(jiàn),原中間包3、4、5流出口有明顯溫差,3流出口處溫度比4流、5流分別高約1 K和4 K,而結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,各流出口處溫差小于1 K,中間包各流間鋼液溫度均勻性大大改善。

圖3 方案1-1和方案2-3出口Y向截面上的溫度分布(單位:K)Fig.3 Temperature distribution at Y directional section of the outlet for schemes of 1-1 and 2-3

原中間包和優(yōu)化后中間包的 RTD曲線如圖4所示。由圖4和表2中可以看出,原中間包3、4、5流間差異較大,3流響應(yīng)時(shí)間只有15.5 s,并且出現(xiàn)了短路流,夾雜物不能充分上浮去除,而遠(yuǎn)水口處5流的響應(yīng)時(shí)間非常長(zhǎng),并且 Ta長(zhǎng)達(dá)919.8 s,超過(guò)了理論平均停留時(shí)間,不利于溫度和成分一致;而結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的中間包,其3流的響應(yīng)時(shí)間明顯延后,并且消除了短路流,3、4、5流的停留時(shí)間比較接近。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,中間包平均停留時(shí)間為652.9 s,各流示蹤劑濃度的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.011 9,死區(qū)的體積分?jǐn)?shù)也僅為21.96%,既有利于夾雜物上浮去除,也保證了各流間鋼液溫度和成分的均勻性。

圖4 方案1-1和方案2-3中各流的RTD曲線Fig.4 Residence time distribution curvesat three different outlets for schemes of 1-1 and 2-3

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)使用的中間包流場(chǎng)不合理,近流有短路流出現(xiàn),并且各流間差異較大,不利于鋼液中夾雜物的去除和提高鋼液的均勻性。

(2)采用大沖擊區(qū)的中間包,有利于減少?zèng)_擊區(qū)鋼渣卷混,有利于提高鋼液純凈度,使各流的鋼液分配更為均勻,有利于提高中間包鋼液的停留時(shí)間。

(3)中間包擋墻中墻不開(kāi)孔,可以顯著延長(zhǎng)近流的響應(yīng)時(shí)間,縮短遠(yuǎn)流的響應(yīng)時(shí)間,明顯改善各流間鋼液的均勻性。

(4)中間包擋墻側(cè)孔采用4孔設(shè)計(jì)時(shí),注流對(duì)鋼液界面的沖擊明顯減弱,降低了卷渣的傾向。

(5)在3流和4流間增設(shè)壩Ⅱ?qū)χ虚g包流場(chǎng)影響不大。

(6)五流中間包最佳結(jié)構(gòu)為采用大沖擊區(qū)、擋墻中墻不開(kāi)孔、側(cè)墻開(kāi)4孔、設(shè)置壩Ⅰ的方案2-3。

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Flow field optim ization of five strand bloom tundish

Zhang H ua,L uo Ronghua,N i Hongw ei,L i Yi
(Key Labo rato ry for Ferrous Metallurgy and Resources U tilization of M inistry of Education, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

To tackle the high percentage of disqualification found in the flaw detection of a five strand bloom tundish at a steelmill,mathematical simulation method was emp loyed to research the influence of tundish structure on molten steel flow.The research results show as follow s:(1)The structure at p resent is disqualified and there is sho rt circuit flow in the near strand w ith a quite big difference between strands,w hich is an obstacle to the removal of inclusions and imp rovement of the homogeneity of steel;(2)A dap ting large impact zone w ith no holes in themiddle wall,4 holes in the side wall and 2 dam s in the tundish is the best scheme;(3)After the op timization,short circuit flow in the near strand is eliminated;the average residence time of tundish is 652.9 s;the standard deviation betw een each strand isonly 0.0119;and the rate of dead space in tundish is21.96%.The imp rovement can effectively p romo te the removal of inclusions and guarantee the homogeneity of steel in each strand.

tundish;mathematical simulation;flow field;residence time distribution curve

TF777.2

A

1674-3644(2010)05-0486-06

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

作者介紹:張 華,男,1978年出生。2000年武漢科技大學(xué)冶金工程專業(yè)工學(xué)學(xué)士畢業(yè),2003年武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)碩士研究生畢業(yè),現(xiàn)攻讀博士研究生。武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院講師。先后在國(guó)內(nèi)核心期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文12篇。參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目1項(xiàng)、湖北省教育廳基金項(xiàng)目1項(xiàng),主持鋼鐵冶金及資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金1項(xiàng),主持和參與橫向科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)2項(xiàng),“利用燒結(jié)法氧化鋁生產(chǎn)廢渣開(kāi)發(fā)煉鋼精煉渣”獲2005年中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng);“一種制備鋼水精煉渣的方法”獲2007年湖北省技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng)。參與的項(xiàng)目“抗菌不銹鋼制備技術(shù)”2008年鑒定為國(guó)際先進(jìn)。參與申請(qǐng)專利9項(xiàng)。主要研究方向?yàn)檫B鑄新技術(shù)、冶金過(guò)程模擬仿真與控制、潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)。

2010-06-30

張 華(1978-),男,武漢科技大學(xué)講師,博士生.E-mail:huazhang@wust.edu.cn