南鋼1 3 t中間包流場(chǎng)模擬

供稿|金愛軍,翟衛(wèi)江,劉福海 / JIN Ai-jun, ZAI Wei-jiang, LIU Fu-hai

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文章以南鋼集團(tuán)13 t中間包為例,應(yīng)用Fluent模擬軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行三維模擬.計(jì)算了在不同拉速下中間包內(nèi)熔池平均流速及夾雜物去除率.模擬計(jì)算結(jié)果為冶煉生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支持.文章還介紹了模擬中間包流場(chǎng)的軟件參數(shù)設(shè)置方法,希望能給讀者提供一些學(xué)習(xí)素材.

連鑄中間包是接受和再分配鋼水的冶金反應(yīng)容器,具有改善鋼液流動(dòng)條件、均勻鋼液溫度、促進(jìn)夾雜物上浮等功能.中間包不但是煉鋼生產(chǎn)流程的中間環(huán)節(jié),而且是煉鋼-連鑄過程中連續(xù)操作的銜接點(diǎn).隨著對(duì)特殊鋼質(zhì)量與性能要求的不斷提高,中間包的冶金效果越來(lái)越受到重視[1-2].

近年來(lái),采取了一系列技術(shù)措施來(lái)強(qiáng)化和擴(kuò)大中間包的冶金功能,從而使中間包由一種簡(jiǎn)單的鋼液過度容器變成了重要的鋼液精煉設(shè)備[2].一般在中間包內(nèi)完成的附加冶金功能主要有[3-4]:

(1) 凈化功能:在中間包內(nèi)采用擋墻加壩、吹氬、陶瓷過濾器等技術(shù)措施,可有效改善中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)狀態(tài),促進(jìn)鋼中非金屬夾雜物的上浮分離.

(2) 調(diào)溫功能:采取向中間包內(nèi)加小塊廢鋼、噴吹鐵粉等措施以調(diào)節(jié)鋼水溫度.

(3) 成分微調(diào):由中間包塞桿中心向結(jié)晶器喂入鋁、鈦、硼等包芯線,實(shí)現(xiàn)鋼中微合金成分的微調(diào),既提高了易氧化元素的收得率,又可避免水口堵塞.

(4) 精煉功能:在中間包鋼水表面加入雙層渣,吸收鋼中上浮的夾雜物,或者在中間包喂鈣線從而改變Al2O3夾雜形態(tài),防止水口堵塞.

(5) 加熱功能:在中間包內(nèi)采用感應(yīng)加熱和等離子體加熱等措施,可以保持最佳過熱度澆注、補(bǔ)充合金微調(diào)所需的熱量.

通常研究人員主要是通過理論計(jì)算和水模擬對(duì)中間包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).但中間包鋼水流動(dòng)實(shí)際影響因素較多,對(duì)理論計(jì)算和水模擬得出的結(jié)論會(huì)造成一定影響.因此,不能保證原計(jì)算以及模擬的準(zhǔn)確性.

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高,Fluent輔助工程模擬軟件以其高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)使數(shù)值模擬在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用.由于Fluent軟件具有計(jì)算周期短,模擬結(jié)果精確、三維可視能力高等優(yōu)勢(shì),研究人員可以更加直觀地理解流體的各種流動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律.

本文對(duì)南鋼13 t中間包進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了不同拉速下中間包內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)及去夾雜能力.

數(shù)值模擬

為縮短模擬計(jì)算周期,在保證計(jì)算結(jié)果精確度的條件下,采取了以下簡(jiǎn)化方法:

(1) 考慮到中間包幾何尺寸的對(duì)稱性,采用面對(duì)稱模擬方式;

(2) 僅考慮鋼液流動(dòng)狀態(tài),不考慮渣層流動(dòng)的影響;

(3) 認(rèn)為流入的鋼液是連續(xù)不斷的,且流入質(zhì)量恒定;

(4) 忽略出水口及塞棒結(jié)瘤的影響;

(5) 默認(rèn)模擬周期中塞棒位置不發(fā)生改變.

根據(jù)中間包內(nèi)腔實(shí)際尺寸(如圖1所示)采用三維幾何模型.使用Gambit 2.2.30軟件建立幾何模型并劃分網(wǎng)格,采用六面體網(wǎng)格形式.最小網(wǎng)格尺寸位于氣體入口處.計(jì)算域中最大網(wǎng)格尺寸為18 mm,網(wǎng)格數(shù)約為1.20X107.

圖1 中間包內(nèi)腔尺寸(單位:mm)

利用Fluent模擬軟件對(duì)不同拉速下的中間包流場(chǎng)進(jìn)行模擬,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、無(wú)滑移壁面和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).計(jì)算過程中,壓力和速度采用PISO算法耦合,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算.壓力采用Body Force Weighted方法進(jìn)行差分,體積分?jǐn)?shù)采用Ger-Reconstruct進(jìn)行差分,其余變量采用一階迎風(fēng)格式差分[5].

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況給定邊界條件,入口邊界為鋼液質(zhì)量入口,出口邊界為壓力出口.中間包拉速分別為1.6、1.8、2.0 m/s.

結(jié)果分析

不同拉速下的速度云圖,如圖2所示.中間包內(nèi)的拉速為1.6、1.8、2.0 m/s時(shí),熔池平均速度分別為0.043、0.048和0.053 m/s.由此可見熔池平均速度隨拉速的增大而增大.

圖2 不同拉速下中間包內(nèi)熔池速度云圖

如圖3所示,鋼水通過長(zhǎng)水口不斷進(jìn)入中間包,圍墻內(nèi)形成明顯循環(huán)流動(dòng),在流動(dòng)過程中夾雜物部分上浮到渣層,部分由爐襯捕捉.通過圍墻的夾雜物隨包內(nèi)不規(guī)則旋流移動(dòng),并持續(xù)被渣層及爐襯捕捉,此過程中少部分夾雜物被鋼流經(jīng)由水口帶出中間包.不同拉速下,不同粒徑夾雜物去除率如表1所示.

圖3 不同拉速下中間包內(nèi)夾雜物流線圖

表1 不同拉速下不同粒徑夾雜物去除率

通過數(shù)值模擬可知:

1) 當(dāng)拉速為2.0 m/s時(shí),熔池內(nèi)平均速度為0.053 m/s,粒徑分別為10、20、70 μm的夾雜物去除率分別為50.4%、53.2%、55.8%;

2) 當(dāng)拉速為1.8 m/s時(shí),熔池內(nèi)平均速度為0.048 m/s,粒徑分別為10、20、70 μm的夾雜物去除率分別為52.1%、55.5%、57.4%;

3) 當(dāng)拉速為1.6 m/s時(shí),熔池內(nèi)平均速度為0.043 m/s,粒徑分別為10、20、70 μm的夾雜物去除率分別為52.3%、55.9%、58.0%.

結(jié)束語(yǔ)

利用Fluent模擬軟件,根據(jù)中間包實(shí)際工作情況,在保證結(jié)果精確度的同時(shí),合理簡(jiǎn)化模擬條件.可以在短時(shí)間內(nèi)得出中間包流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài),通過分析總結(jié)流動(dòng)規(guī)律,為優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)及調(diào)整冶煉工藝提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù).以煉鋼廠13 t四流中間包為研究對(duì)象,通過數(shù)值模擬中間包內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律及對(duì)夾雜物去除能力的影響:降低中間包拉速能夠增加夾雜物的去除率.

[1] 殷瑞鈺. 關(guān)于21世紀(jì)發(fā)展連續(xù)鑄鋼的若干認(rèn)識(shí). 連鑄,2001(l): l-3.

[2] 王建軍. 中間包冶金學(xué). 北京:冶金工業(yè)出版社,2001:4.

[3] 朱立光. 現(xiàn)代連鑄工藝與實(shí)踐. 石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社,2000:230.

[4] 蔡開科,程士富. 連續(xù)鑄鋼原理與工藝. 北京:冶金工業(yè)出版社,2007: 164.

[5] 李鵬飛,徐敏義,王飛飛,等. 精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn). 北京:人民郵電出版社,2011.