阮 飛 劉智宇 馮 帥 馬 婕 白 亮

(1：內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭014010；2：天津鋼管集團技術(shù)中心 天津300301；3：上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室 上海200072)

·設(shè)計與研究·

H型坯連鑄中間包傳熱及夾雜物去除的仿真研究①

阮 飛②1劉智宇2馮 帥3馬 婕3白 亮

(1：內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭014010；2：天津鋼管集團技術(shù)中心 天津300301；3：上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室 上海200072)

以H型坯連鑄中間包為研究對象，采用FLUENT軟件建立三維幾何模型，模擬研究了不同控流裝置參數(shù)下中間包內(nèi)溫度場分布及夾雜物上浮去除狀況，研究結(jié)果表明，導(dǎo)流孔直徑D=100mm，導(dǎo)流孔高度H=550mm，導(dǎo)流孔夾角θ=50°時，中間包各出口溫差較小，各出口鋼液均勻性較好、中間包溫降較小、夾雜物去除率較高，中間包綜合性能最優(yōu)。

H型坯連鑄 中間包 溫度場 夾雜物去除

1 前言

中間包是連鑄過程中的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著鋼液分配、穩(wěn)流、溫度成分均勻及凈化等重要作用[1]，合理的中間包結(jié)構(gòu)是改善連鑄過程操作穩(wěn)定性和提高連鑄坯質(zhì)量的有效措施，特別是對于控制難度大的H型坯連鑄更是如此，而通過在中間包內(nèi)設(shè)置合理的壩、堰、抑湍器、擋墻、導(dǎo)流孔等控流裝置能夠顯著改善中間包內(nèi)鋼液的流場、溫度場分布及夾雜物上浮去除效果[2-7]，因此對中間包內(nèi)控流裝置開展研究具有重要意義。

數(shù)值仿真由于具有數(shù)據(jù)完備、功能強大、實驗成本低、實驗周期短、不受試驗條件限制等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為當(dāng)前研究中間包控流裝置的有力手段[8-12]，因此作者主要采用數(shù)值仿真的方法針對某鋼廠近年投產(chǎn)的三機三流H型坯連鑄中間包開展研究。

該H型坯連鑄中間包為近似T型中間包，采用帶有導(dǎo)流孔的弧形擋墻進行控流，其每一流都采用2支浸入式水口澆注，結(jié)構(gòu)方面與傳統(tǒng)連鑄中間包存在很大差異，因此對不同控流裝置參數(shù)條件下中間包內(nèi)的溫度場及夾雜物上浮去除規(guī)律進行探索研究，能夠為H型坯連鑄領(lǐng)域科研及生產(chǎn)實踐提供參考。

2 研究方法及方案

2.1 幾何模型

圖1 中間包幾何模型示意圖

該中間包為近似T型三流中間包，長約8000mm，工作液位800mm，內(nèi)置弧形擋墻，擋墻上開有2個對稱的導(dǎo)流孔，其中導(dǎo)流直徑(D)、導(dǎo)流孔高度(H)、導(dǎo)流孔夾角(θ)等主要控流裝置參數(shù)依據(jù)研究方案選取，中間包每一流都采用2支浸入式水口，共6支水口，由于中間包結(jié)構(gòu)關(guān)于YZ平面對稱，為了提高計算效率，計算區(qū)域沿YZ平面取原中間包模型的1/2，故計算域內(nèi)只包含3支浸入式水口，沿X軸負方向依次命名為：outlet-1～outlet-3。

2.2 基本假設(shè)

1)忽略中間包覆蓋劑的影響。

2)鋼液視為不可壓縮粘性流體。

3)中間包壁面視為無穿透無滑移邊界。

2.3 基本控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

湍流方程：

(3)

(4)

式中ρ—鋼液密度，kg/m3；ui，uj—i和j方向的速度，m/s；xi，xj—i和j方向的坐標值，m；P—壓力，Pa；μeff—有效粘度系數(shù)，Pa·s；μt—湍流粘度系數(shù)，Pa·s；μl—層流粘度系數(shù)，Pa·s；k—湍動能，m2/s2；ε—湍動耗散率，m2/s3；Gk—平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，kg·m-1·s-3；

C1，C2，Cμ，Ck，Cε—經(jīng)驗常數(shù)。

此外計算溫度場及夾雜物去除還涉及到能量方程及離散相傳輸控制方程[13，14]。

2.4 研究方案

主要研究拉速為1.0m/min條件下，6種控流方案下中間包內(nèi)的溫度場分布及夾雜物上浮去除狀況，研究方案如表1所示。

表1 研究方案

2.5 模擬步驟及主要參數(shù)

利用Gambit 軟件建立中間包三維幾何模型，并劃分四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格基本尺寸為20mm，入口及出口處網(wǎng)格作細化處理，體網(wǎng)格總量在100萬左右，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT軟件中，設(shè)置物理模型及邊界條件，中間包入口速度v=1.42m/s，湍流強度I=3.65%，入口鋼液溫度T=1818K，出口壓力P=1.01×105Pa，鋼液密度ρ=7080kg/m3，粘度μ=5.5×10-3Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)λ=30W/(m·k)，熱容Cp=822J/(kg·k)，包頂熱通量(熱流密度)q=15kW/m2,包底熱通量q=1.4kW/m2，橫側(cè)壁熱通量q=3.2kW/m2，縱側(cè)壁熱通量q=3.8kW/m2。流場計算采用SIMPLE算法，收斂標準為各控制方程殘差小于1.0×10-4且出口流量基本穩(wěn)定，先計算得到穩(wěn)態(tài)流場，在此基礎(chǔ)上計算夾雜物運動，而溫度場計算采用耦合算法。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 中間包內(nèi)的溫度場分布

圖2 中間包內(nèi)典型溫度場分布

模擬得到的中間包內(nèi)典型溫度場分布如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)由于中間包注流區(qū)內(nèi)鋼液更新速率快，鋼液溫降較小，鋼液溫度較高。而位于擋墻外的狹長腔體內(nèi)鋼液溫降較為顯著，各部分溫度分布差異明顯，其中靠近導(dǎo)流孔流股沖擊區(qū)域附近鋼液溫度較高，而遠離導(dǎo)流孔流股沖擊區(qū)域鋼液溫度較低，特別是遠離注流區(qū)的outlet-1附近自由液面和包壁處溫降最為明顯。

圖3 中間包出口縱截面溫度場云圖

由中間包出口處縱截面溫度場分布可以看出，中間包各出口鋼液溫度存在明顯差異，其中outlet-3附近溫度最高，而outlet-2、outlet-1附近溫度依次降低。為定量比較不同方案下中間包各流出口鋼液溫度一致性，取不同工況下各出口鋼液溫度的方差如圖4所示。

由圖4可以看出，不同方案下中間包各出口溫度方差差別較大，其中4號方案中間包各出口溫度方差最大，各出口最大溫差約為4K，各出口鋼液一致性較差，不利于連鑄過程，而2號方案下中間包各出口溫度方差最小，各出口最大溫差在2K左右，各出口鋼液一致性較好，有利于縮小連鑄過程中各流鋼液的溫度差、有利于改善連鑄過程的穩(wěn)定性和提高鑄坯的質(zhì)量。

圖4 各方案下中間包出口鋼液溫度方差

圖5 各方案下中間包內(nèi)最低溫度

通過比較圖5各方案下中間包內(nèi)最低溫度可以看出，其中3號方案下中間包內(nèi)最低溫度為1786.81K，溫降約為30K，為各方案中溫降最大的方案，中間包內(nèi)溫降太大將會為連鑄過程帶來諸多不利影響，而其中2號方案中間包內(nèi)最低溫度為1802.21K，溫降約為16K，為各方案中溫降最小的方案，有利于合理制定連鑄工藝制度，穩(wěn)定連鑄工藝過程。

綜合以上，方案2，D=100mm，H=550mm，θ=50°，中間包溫度場分布最為合理。

3.2 中間包內(nèi)的夾雜物去除

以計算得到的穩(wěn)態(tài)流場為基礎(chǔ)，利用離散相隨機游走模型模擬得到的各方案下中間包內(nèi)20μm～100μm的夾雜物上浮去除率如圖6所示。

由圖6可以看出，同一方案下，隨著夾雜物粒徑的增大，夾雜物上浮去除率逐漸增大，其中20μm夾雜物上浮去除率約為30%～42%，40μm夾雜物去除率約33%～46%，60μm夾雜物去除率約40%～52%之間，80μm夾雜物上浮去除率約46%～58%，而100μm夾雜物上浮去除率在64%～76%之間，因此本模擬條件下20μm～100μm夾雜物上浮去除率約為30%～76%。

圖6 各方案下不同粒徑夾雜物上浮去除率

而比較不同方案下各粒徑范圍夾雜物上浮去除率可以看出，6號方案下，各粒徑夾雜物上浮去除率最低，20μm～100μm夾雜物上浮去除率約為30%～65%，夾雜物去除效果最差，而相反2號方案下夾雜物總體上浮去除率最高，20μm～100μm夾雜物上浮去除率約為41%～76%，夾雜物去除效果最好，有利于中間包內(nèi)鋼液的凈化。

綜合以上，從夾雜物上浮去除的角度考慮，方案6，D=200mm，H=550mm，θ=35°時，中間包夾雜物上浮去除效果最差；而方案2，D=100mm，H=550mm，θ=50°，中間包各粒徑夾雜物上浮去除效果最好。

3.3 中間包的綜合性能

以上分別從中間包內(nèi)溫度場分布和夾雜物上浮去除狀況兩個方面研究了不同方案下中間包傳輸狀況，而對于實際中間包而言，通常需要考察其各方面的綜合性能，為此從中間包內(nèi)鋼液溫度場分布狀況、中間包內(nèi)夾雜物上浮去除狀況等方面，對中間包綜合性能進行綜合評價。

首先將中間包各出口鋼液溫度方差、中間包內(nèi)最低溫度、中間包各粒徑夾雜物上浮去除率等指標轉(zhuǎn)化為各自的評分，轉(zhuǎn)化公式如(5)式和(6)式所示：

(5)

(6)

其中中間包內(nèi)最低溫度、中間包各粒徑夾雜物上浮去除率評分按照(5)式計算，各出口鋼液溫度方差評分按照(6)式計算，計算得到的評分如表2所示。

表2 各指標的評分/分

將表2中相同方案下各指標對應(yīng)的評分取算術(shù)平均，得到各方案下的綜合評分，以此衡量中間包綜合性能，計算得到的綜合評分如圖7所示。

圖7 各方案下的綜合評分

分析圖7中綜合評分可知，方案6綜合評分最低，不足20分，中間包綜合性能最差，而方案2綜合評分明顯最高，評分達100分，中間包綜合性能最優(yōu)。

綜上所述，最終確定D=100mm，H=550mm，θ=50°時，中間包溫度場分布及夾雜物去除綜合性能明顯最優(yōu)，推薦用于指導(dǎo)H型坯連鑄生產(chǎn)實踐。

4 結(jié)論

1)中間包注流區(qū)及導(dǎo)流孔流股沖擊區(qū)域附近鋼液溫度較高，遠離注流區(qū)自由液面及包壁處附近鋼液溫度較低。

2)4號方案中間包各出口溫差較大，最大溫差約為4K，而2號方案下中間包各出口溫差較小，最大溫差約2K，各出口鋼液均勻性較好。

3)3號方案中間包內(nèi)溫降較大，約為30K， 2號方案溫降約為16K，溫降較小。

4)6號方案夾雜物上浮去除效果最差，夾雜物去除率約30%～65%，2號方案夾雜物去除率最高，約41%～76%。

5)最終確定D=100mm，H=550mm，θ=50°，中間包綜合性能最優(yōu)。

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Simulation Research on Heat Transfer and Inclusion Removal in Tundish for H-Beam Blank Continuous Casting

Ruan Fei1Liu Zhiyu2Feng Shuai3Ma Jie3Bai Liang3

(1:School of Materials and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010;2:Technology Center, Tianjin Pipe Group, Tianjin 300301;3:State Key Laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai university, Shanghai 200072)

With H-beam blank continuous casting tundish as the research object in this paper, the FLUENT software was adopted to build three dimensional geometry model and simulate temperature field distribution and inclusion removal characteristic in the tundish with different flow control device parameters. The results showed that, the tundish that diameter of flow-guiding bore (D) is 100mm, height of flow-guiding bore (H) is 550mm and angle between flow-guiding bores (θ) is 50° had the advantages of lower temperature difference at each outlet, better uniformity of molten steel at each outlet, lower temperature drop and higher inclusion removal ratios. Therefore, the above mentioned tundish had the best comprehensive performance.

H-beam blank continuous casting Tundish Temperature field Inclusion removal

內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項目(2015QDL25)；內(nèi)科大材冶學(xué)院青年人才孵化器平臺資助項目(2014CY012)

阮飛，男，1985年出生，畢業(yè)于上海大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)，講師，碩士，主要從事冶金過程模型及仿真研究3

TF777

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.002

2015-05-19)