單流中間包底吹氬氣去除夾雜物的數(shù)值模擬研究

劉淑培 周艾琳 張捷宇 王 波

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

單流中間包底吹氬氣去除夾雜物的數(shù)值模擬研究

劉淑培 周艾琳 張捷宇 王 波

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

以寶鋼特鋼提供的單流板坯連鑄機(jī)的梯形中間包為原型，在中間包結(jié)構(gòu)內(nèi)部加裝吹氣裝置，運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行了氣- 液兩相流動(dòng)、熱傳輸和夾雜物去除的數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，當(dāng)吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置距離入口1 700 mm時(shí)，中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)狀態(tài)得到明顯改善，鋼液流動(dòng)更加合理，增加了鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，促進(jìn)夾雜物的上浮去除，夾雜物的總?cè)コ蕿?6.9%。

中間包 夾雜物 氣幕擋墻 數(shù)值模擬

在連鑄工藝中，中間包是連接轉(zhuǎn)運(yùn)鋼包和連鑄結(jié)晶器的一個(gè)中間設(shè)備，隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，中間包在鋼水精煉中的地位與作用日益得到重視。通過(guò)采取相應(yīng)的中間包冶金技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了很多重要的冶金功能，如夾雜物的上浮與分離、鋼的冶金化、過(guò)熱度控制以及溫度和成分的均勻化等。大量研究表明[1- 3]，通過(guò)設(shè)置擋墻等控流技術(shù)，對(duì)于大于50 μm的夾雜物去除有效，但對(duì)于微小夾雜物(小于50 μm)的去除效果不明顯。中間包內(nèi)吹入惰性氣體，在中間包內(nèi)形成一道道氣幕，改變中間包內(nèi)的流場(chǎng)，促進(jìn)鋼液的混合，有利于溫度和成分的均勻，而且產(chǎn)生的氣泡在上升過(guò)程中捕獲夾雜物顆粒，帶動(dòng)夾雜物上浮，提高微小夾雜物去除效果，起到凈化鋼水的作用。另外，惰性氣體上浮后在中間包上部形成惰性氣氛，對(duì)中間包內(nèi)的鋼水有保護(hù)作用[4- 5]。

中間包內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)和速度分布對(duì)流體成分和溫度的均勻性、夾雜物的上浮與排除具有重要的影響[6- 7]，而中間包及其控流裝置的結(jié)構(gòu)決定了中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)與速度分布[8- 9]。因此研究中間包內(nèi)控流裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)與分布的影響，有利于凈化中間包內(nèi)鋼水，提高鑄坯質(zhì)量，為生產(chǎn)實(shí)際提供理論指導(dǎo)[10]。

本文以特鋼提供的單流板坯連鑄機(jī)的梯形中間包為原型，采用Eluer- Eluer模型，研究了不同吹氣量和吹氣位置對(duì)中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)及不同尺寸夾雜物去除率的影響。

1 模型的建立

1.1 研究對(duì)象

以特鋼提供的單流板坯連鑄機(jī)的梯形中間包為原型，針對(duì)該鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中存在明顯卷渣，鑄坯中含有較多非金屬夾雜等現(xiàn)象，為了提高鋼水的潔凈度和鑄坯的質(zhì)量，針對(duì)該包型采用了湍流器+擋墻+擋壩結(jié)構(gòu)的控流裝置，即在中間包原型的基礎(chǔ)上，加裝吹氣裝置。

1.2 控制方程

流體在中間包內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的湍流流動(dòng)過(guò)程，根據(jù)中間包底吹氣的流動(dòng)特征，采用Euler- Euler多相流模型，描述兩相流體在中間包內(nèi)流動(dòng)的方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程 (Navier- Stokes方程)以及描述湍流的方程，具體形式參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

采用歐拉- 拉格朗日隨機(jī)軌道模型描述夾雜物的運(yùn)動(dòng)，以瞬時(shí)流場(chǎng)為載體，采用隨機(jī)軌道模型對(duì)各種可能的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給出夾雜物的去除效率，采用BBO方程[11]描述夾雜物的運(yùn)動(dòng)。

1.3 基本假設(shè)和邊界條件

1.3.1 流場(chǎng)邊界條件

在固體墻面上，采用不滑動(dòng)的邊界條件；在近壁區(qū)，采用壁面函數(shù)對(duì)速度和湍流特性參數(shù)進(jìn)行修正；在自由表面，忽略渣層的影響，除垂直于表面的速度分量外，其余各變量的梯度均為零；經(jīng)大包長(zhǎng)水口的流體，其入流速度垂直于中間包液面；出口定為壓力邊界條件。

根據(jù)中間包入口流量與中間包出口流量相等，也與結(jié)晶器底部流出的流量相等，從而推算出中間包的入口速度w0，m/s：

(1)

式中:vcast- 鑄坯拉速，m/s；Sw- 中間包出口截面面積，m2；la- 鑄坯斷面寬度，m；lb- 鑄坯斷面高度。

1.3.2 夾雜物去除率邊界條件

夾雜物的初始位置在入口的橫截面上隨機(jī)取值，初始速度等于鋼液的入口速度；假設(shè)夾雜物顆粒為球形，并且初始時(shí)刻在鋼液中均勻分布，密度取3 000 kg/m3。假設(shè)夾雜物上浮至液面后被保護(hù)渣捕獲。

1.4 模擬方案

以特鋼單流板坯中間包為計(jì)算模型，在該中間包現(xiàn)有控流裝置(如圖1所示)基礎(chǔ)上，根據(jù)其實(shí)際操作工藝參數(shù)，在中間包結(jié)構(gòu)內(nèi)部加裝吹氣裝置，運(yùn)用FLUENT軟件，采用Euler- Eluer 多相流模型進(jìn)行氣- 液兩相流的流動(dòng)、傳熱耦合和夾雜物去除的數(shù)值模擬研究。中間包設(shè)計(jì)參數(shù)及模擬工藝條件如表 1所示。

圖1 中間包的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 中間包設(shè)計(jì)參數(shù)及模擬工藝條件

Table 1 Designed parameters of tundish and simulated operating parameters

項(xiàng)目參數(shù)鑄坯截面尺寸/mm×mm200×1300大包水口直徑/mm105中間包出口直徑/mm65拉速/(m·min-1)0．7示蹤劑在鋼液中的擴(kuò)散系數(shù)/(m2·s-1)1．1×10-8吹氣位置距入口中心距/mm1950、1700、1450吹氣量/(m3·h-1)1．5、0．9、0．3、0

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 無(wú)吹氣流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

首先對(duì)原型中間包即無(wú)吹氣裝置的中間包進(jìn)行數(shù)值模擬研究，無(wú)吹氣條件下(即吹氣量為0 m3/h)中間包中心截面的流場(chǎng)圖如圖2所示。

從圖2可以看出，大包注入的鋼水以較大的速度沖到中間包底部，在中間包壩、堰的作用下，鋼液向上翻，從壩的上部流過(guò)，可以消除短路流，導(dǎo)流孔使鋼液根據(jù)需要的方向流過(guò)孔洞，延長(zhǎng)鋼液的停留時(shí)間，促進(jìn)夾雜物的上浮。但是在中間包出口上方，鋼液的速度小，易形成死區(qū)。

圖2 無(wú)吹氣中間包中心截面的流場(chǎng)圖

2.2 不同吹氣量流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

在壩堰位置、高度固定，且不改變吹氣位置的情況下，改變氬氣的流量分別為1.5、0.9、0.3 m3/h，研究吹氣量對(duì)鋼液流動(dòng)狀態(tài)的影響。

圖3為吹氣位置距入口中心距1 700 mm、不同吹氣量時(shí)中間包中心截面的流場(chǎng)圖。由圖可知，當(dāng)吹氣量較大時(shí)，氣幕墻兩側(cè)形成的漩渦區(qū)比較強(qiáng)烈，在產(chǎn)生氣幕墻的截面上，鋼液向上流動(dòng)的速度比較大， 在靠近液面處產(chǎn)生的漩渦引起鋼液的翻騰，易引起金屬- 渣界面卷渣現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)沖開(kāi)表面保護(hù)渣而嚴(yán)重污染鋼水。當(dāng)吹氣量控制在0.3 m3/h左右時(shí)，氣幕帶著鋼液向上流動(dòng)，增加了夾雜物與渣層的接觸機(jī)會(huì)，且中間包表面沒(méi)有大的翻動(dòng)，有利于夾雜物的去除。

圖3 不同吹氣量時(shí)中間包中心截面的流場(chǎng)圖

2.3 不同吹氣位置流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

在吹氣量一定(0.3 m3/h)的情況下，吹氣位置距入口中心距分別為1 950、1 700、1 450 mm，研究吹氣位置對(duì)鋼液流動(dòng)狀態(tài)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣幕擋墻在不同位置時(shí)中間包縱向中心垂直截面XZ(Y=0)的流場(chǎng)圖

從圖4中可以看出，鋼液以較大的速度從鋼包沖擊到湍流控制裝置中，高速流動(dòng)的鋼液在湍流控制器內(nèi)充分混合，有利于夾雜物的碰撞長(zhǎng)大。鋼液與湍流控制器碰撞，產(chǎn)生較大的能量損失，使?jié)沧^(qū)鋼液湍動(dòng)能降低，流動(dòng)較平穩(wěn)。鋼液流到液面后沿著液面向四周擴(kuò)展，碰到擋渣堰后沿著堰的壁面向下流動(dòng)，并在入口引流的作用下向入口方向流動(dòng)，在靠近中間包底部堰和注入流之間形成小的回流區(qū)，擋渣堰的存在使得較大的湍流流動(dòng)控制在注入?yún)^(qū)內(nèi)，增強(qiáng)鋼液之間的混合，有利于夾雜物的碰撞長(zhǎng)大。

當(dāng)氣幕擋墻靠近出口時(shí)，氣幕擋墻右側(cè)靠近出口處形成較強(qiáng)的回流區(qū)，鋼液在澆注區(qū)的速度增加，不利于夾雜物與鋼液的分層脫離；當(dāng)氣幕擋墻靠近長(zhǎng)水口區(qū)域(湍流區(qū))時(shí)，鋼水從湍流控制器流出后與氣泡作用，在氣泡的攪拌作用下湍流狀況加劇，氣泡團(tuán)在尚未到達(dá)鋼渣界面時(shí)又被鋼水卷入流向中間包底部，而在氣幕擋墻的另一側(cè)(水口區(qū)域),雖形成了一個(gè)鋼水回流區(qū)，氣泡吸附了部分夾雜物上浮，鋼水在到達(dá)頂部后緩慢流向水口部位，但同時(shí)有一部分鋼水形成短路流直接流向水口，水口區(qū)域也存在較大的死區(qū)，不利于鋼水的凈化。

2.4 平均停留時(shí)間計(jì)算結(jié)果

中間包底吹氬氣可以顯著改變流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，合適的吹氣量和吹氣位置，可以有效減少死區(qū)體積，增加平均停留時(shí)間[12]，以此為依據(jù)選用冶金效果好的方案，可以對(duì)鋼廠的中間包進(jìn)行優(yōu)化。

圖5及表2為不同吹氣量和不同吹氣位置時(shí)中間包內(nèi)鋼液的RTD(residence time distribution)曲線圖及其分析結(jié)果。當(dāng)吹氣位置距入口1 700 mm，吹氣量為0.3 m3/h時(shí)，中間包內(nèi)鋼液的最短停留時(shí)間、峰值時(shí)間最長(zhǎng)，死區(qū)體積最小，活塞流體積最大。吹氣量太大或太小均不利于鋼液停留時(shí)間的延長(zhǎng)及死區(qū)體積的降低，不利于夾雜物的上浮。當(dāng)吹氣量為0.3 m3/h時(shí)，改變吹氣位置可以看出，當(dāng)氣幕擋墻距入口較近時(shí)，鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，死區(qū)體積較小。但結(jié)合圖2可以看出，當(dāng)氣幕擋墻靠近入口時(shí)，從湍流控制器流出的鋼液與氣泡相互作用，使該區(qū)域的湍流增強(qiáng)，被氣幕隔墻帶動(dòng)流向液體表面的流體在尚未到達(dá)中間包端部時(shí)就開(kāi)始下降。顯然當(dāng)吹氣位置距入口1 450 mm時(shí)，流場(chǎng)分布不合理，不利于夾雜物的去除，且在中間包出口上部形成渦流，不利于夾雜物與鋼液的分層脫離。

圖5 不同吹氣量和不同吹氣位置時(shí)中間包內(nèi)鋼液的RTD曲線圖

Fig.5 RTD curves of the molten steel in tundish with different gas blowing rates and blowing positions

表2 不同吹氣位置和不同吹氣量時(shí)RTD曲線分析

2.5 夾雜物去除率

采用歐拉- 拉格朗日隨機(jī)軌道模型描述夾雜物的運(yùn)動(dòng)，并借助數(shù)學(xué)模型研究中間包底吹氬氣條件下不同尺寸夾雜物的去除率。

不同吹氣量和吹氣位置下中間包夾雜物的去除率如表3、表4和圖6所示。由表3可以看出，隨著吹氣量的增大，由于鋼液的攪動(dòng)，不利于夾雜物的上浮，夾雜物的去除率降低。氣幕擋墻增強(qiáng)了壩堰之間鋼水的流動(dòng)，吹氣位置對(duì)中間包內(nèi)夾雜物的去除影響較大，由表4可見(jiàn)，氣幕擋墻的吹氣位置距流口太近或太遠(yuǎn)，均不利于夾雜物的去除。不同吹氣量和吹氣位置下，100 μm夾雜物的去除率在84%左右，均未達(dá)到100%。這可能是由于氣體的攪動(dòng)在中間包內(nèi)形成小的渦流，導(dǎo)致夾雜物不能上浮去除。綜合以上分析，當(dāng)吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置距入口1 700 mm時(shí)，可以有效地去除鋼中的夾雜物，夾雜物的總?cè)コ蕿?6.9%。

表3 吹氣位置距入口1700 mm時(shí)不同尺寸夾雜物的去除率

表4 吹氣量為0.3 m3/h時(shí)不同尺寸夾雜物的去除率

圖6 不同吹氣量和吹氣位置下夾雜物的去除率

3 結(jié)論

(1)設(shè)置中間包氣幕擋墻可以明顯改善中間包內(nèi)流體的流動(dòng)軌跡，當(dāng)吹氣量為1.5 m3/h時(shí)，鋼中的夾雜物數(shù)量明顯增加，這是因?yàn)榇禋饬刻?，中間包表面鋼液的湍動(dòng)能增大，引起鋼液的翻騰，導(dǎo)致上浮夾雜物及覆蓋劑的再次卷入，使鋼水二次污染。

(2)當(dāng)吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置不同時(shí)，中間包內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)有了明顯的改變，當(dāng)吹氣位置為1 700 mm時(shí)，延長(zhǎng)了鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間，減少了短路流，使其流場(chǎng)更加合理。

(3)從中間包底吹氣的流場(chǎng)來(lái)看，氣體對(duì)鋼液流的攪動(dòng)，增加了中間包內(nèi)小顆粒的碰撞機(jī)會(huì)，有利于其聚集長(zhǎng)大，吹氣位置不同，夾雜物的去除率也不相同，當(dāng)吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置為1 700 mm時(shí)，夾雜物的總?cè)コ首畲鬄?6.9%。

[1] 黃奧, 汪厚植, 顧華志, 等. 氣幕擋墻中包夾雜物去除及其機(jī)制影響數(shù)模研究[C]//第四屆發(fā)展中國(guó)家連鑄國(guó)際會(huì)議論文集.北京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2008:442-446.

[2] 張美杰, 汪厚植, 顧華志,等. 中間包底吹氬行為的數(shù)值模擬[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2007, 19(2): 16- 19.

[3] CWUDZINSKI A. Numerical simulation of liquid steel flow and behaviour of non- metallic inclusions in one- strand slab tundish with subflux turbulence controller and gas permeable barrier [J]. Ironmaking & Steelmaking, 2010, 37(3): 169- 180.

[4] ZHAN S H, OU J P, XIAO Z Q. Numerical simulation on gas- liquid two phase flow in continuous casting tundish with bottom gas blowing [J]. Chinese Journal of Process Engineering, 2005, 5(3): 233- 240.

[5] ZHANG L, TANIGUCHI S, CAI K. Fluid flow and inclusion removal in continuous casting tundish [J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2000, 31(2): 253- 266.

[6] 梁新騰, 張捷字, 劉旭峰, 等. 連鑄中間包內(nèi)湍流控制器控流過(guò)程的數(shù)值模擬[J]. 上海金屬, 2007, 29(3): 49- 53.

[7] 趙利榮, 王保軍, 鐘云波, 等. 電磁凈化中間包中鋼液流場(chǎng)及傳輸行為的水模擬研究[J]. 上海金屬, 2009, 31(1): 43- 47.

[8] 朱苗勇. 連鑄中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)與傳熱耦合過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬[J]. 金屬學(xué)報(bào), 1997, 33(9): 933- 938.

[9] 盛東源, 倪滿森, 鄧開(kāi)文, 等. 中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)，溫度控制和夾雜物行為的數(shù)學(xué)模擬 [J]. 金屬學(xué)報(bào), 1996, 32(7): 742- 748.

[10] KUMAR A, MAZUMDAR D, KORIA S C. Modeling of fluid flow and residence time distribution in a four- strand tundish for enhancing inclusion removal [J]. ISIJ International, 2008, 48(1): 38- 47.

[11] OETERS F. Metallurgy of steelmaking, verlag stahleisen mbH [M]. Berlin: Verlag Stahleisen,1994.

[12] SAHAI Y, EMI T. Melt flow characterization in continuous casting tundishes [J]. ISIJ International, 1996, 36(6): 667- 672.

收修改稿日期：2016- 04- 18

Numerical Simulation of Removing Inclusion from Single Tundish with Argon Bubbling

Liu Shupei Zhou Ailin Zhang Jieyu Wang Bo

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Gas blowing device was added according to the structure of continuous casting single- tundish of Testeel. Numerical simulation of gas-liquid flow, heat transport and inclusion removal by using the FLUENT software in the single- tundish was investigated. The results showed that when argon flow rate was 0.3 m3/h and the gas blowing position was 1 700 mm from inlet axis, the flowing state of molten steel in tundish was improved significantly, the flow field was more reasonable, which prolonged the fluid residence time and improved the removal of inclusions. The total removal rate of inclusions was 66.9%.

tundish，inclusions，bubble curtain，numerical simulation

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51474143)

劉淑培，女，主要從事單流中間包底吹氬氣的數(shù)值模擬研究,Email: shupeiliu420@126.com

張捷宇,教授，Email：zjy6162@staff.shu.edu.cn