南鋼13噸中間包流場(chǎng)模擬研究

金愛(ài)軍 翟衛(wèi)江

1.前言

中間包是煉鋼生產(chǎn)流程的中間環(huán)節(jié)，而且是煉鋼—連鑄過(guò)程中連續(xù)操作的銜接點(diǎn)。連鑄中間包是接受和鋼水再分配的冶金反應(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。隨著對(duì)特鋼質(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]。本文通過(guò)數(shù)值模擬研究，對(duì)南鋼13噸中間包經(jīng)行模擬研究。分析不同拉速下中包內(nèi)的流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)及去夾雜能力。

2.數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

針對(duì)南鋼13噸四流中間包進(jìn)行模擬，考慮到中間包的幾何尺寸的對(duì)稱性，采用面對(duì)稱模擬方式，且不考慮渣層的影響。方案如下：

方案一：拉速2m/s 加入夾雜物顆粒粒徑分別為10 μm、20μm、70μm；

方案二：拉速1.8m/s 加入夾雜物顆粒粒徑分別為10μm、20μm、70μm；

方案三：拉速1.6m/s 加入夾雜物顆粒粒徑分別為10μm、20μm、70μm。

2.2 模型建立

為驗(yàn)證中間包是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，研究利用Fluent模擬軟件對(duì)不同拉速情況的中包流場(chǎng)的影響進(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(guò)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[2]。

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18mm，網(wǎng)格數(shù)約為22萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量0.4以上。中包網(wǎng)格形式見(jiàn)圖1。

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，其他壁面為絕熱面。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

不同拉速下的速度云圖，如圖2所示。中包內(nèi)的平均速度在1.6m/s、1.8m/s、2.0m/s時(shí)，分別為0.043m/s、0.048 m/s和0.053 m/s。由此可見(jiàn)熔池平均速度隨拉速的增大而增大。

圖3為鋼水通過(guò)長(zhǎng)水口不斷進(jìn)入中包，圍墻內(nèi)形成明顯的循環(huán)流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中夾雜物部分上浮到渣層，部分由爐襯捕捉。通過(guò)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(guò)程中少部分夾雜物被鋼流經(jīng)由水口被帶出中包。

由表1可知，夾雜物粒徑為10μm、20μm、70μ m時(shí)，平均去除率為51.6%、54.9%和57.1%；拉速分別為2.0m/s、1.8m/s、1.6m/s時(shí)，夾雜物平均去除率為51.3%、55.0%、55.4%，且?jiàn)A雜物去除率隨拉速增大而降低。

表1 不同拉速下不同粒徑夾雜物去除率

3.結(jié)論

以煉鋼廠13噸四流中間包為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬研究中間包內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律及對(duì)夾雜物去除能力的影響，得出如下結(jié)論：

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

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

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

（4) 中間包內(nèi)拉速對(duì)夾雜物的排除率有影響。降低中間包拉速高度，能夠增加夾雜物的排除率。

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

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