基于CFD的板坯連鑄機(jī)蒸汽排出裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

翁 承，劉彩玲，曾 晶

（中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032）

0 前言

在連鑄機(jī)的主機(jī)區(qū)設(shè)備中，蒸汽排出裝置是重要的輔助設(shè)備，其主要功能是將主機(jī)區(qū)二冷噴水冷卻鑄坯所產(chǎn)生的大量水蒸氣排出廠房之外，為連鑄車間提供安全、環(huán)保、干凈的工作環(huán)境。

若蒸汽排出裝置設(shè)計(jì)不合理，蒸汽排出效果不好，二冷蒸汽將透過結(jié)晶器蓋周邊的空隙擴(kuò)散到澆鋼平臺，影響澆鋼工視線，威脅澆鋼操作安全；同時(shí)二冷蒸汽對主機(jī)區(qū)設(shè)備及連鑄機(jī)周邊的鋼結(jié)構(gòu)會(huì)造成嚴(yán)重腐蝕，所以蒸排風(fēng)機(jī)合理選型以及蒸排管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)對整臺連鑄機(jī)的良好運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

1 蒸汽排出系統(tǒng)的設(shè)備組成

蒸汽排出裝置主要由出風(fēng)管道、風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)管道、膨脹節(jié)、風(fēng)量調(diào)節(jié)門、安全網(wǎng)和支吊架組成，如圖1所示。

圖1 蒸汽排出裝置的設(shè)備組成

2 蒸排風(fēng)機(jī)的選型

由工藝設(shè)計(jì)人員提供的連鑄機(jī)最大的水氣用量，通過計(jì)算可以得到二冷密封室內(nèi)的總氣量為2800 m3／min，二冷密封室內(nèi)氣體的平均溫度為66.1℃，混合氣體的比重為0.844 kg／m3，故選擇風(fēng)機(jī)型號為4－79－16.5D，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為220 kW。

3 蒸排裝置的CFD仿真設(shè)置

本文首先對蒸汽排出裝置在SolidWorks中進(jìn)行建模，之后導(dǎo)入flow simulation中進(jìn)行分析。Solid-Works flow simulation是一款計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，能夠?qū)φ襞畔到y(tǒng)進(jìn)行流場模擬，得到蒸排系統(tǒng)的壓力損失及各個(gè)抽風(fēng)口的流量分配情況。

在建模過程中，由于蒸汽排出裝置的風(fēng)機(jī)和管道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了更好的進(jìn)行有限元分析，為此針對蒸汽排出裝置的工作特點(diǎn)，對蒸排風(fēng)機(jī)及管道進(jìn)行了合理的簡化，例如風(fēng)機(jī)只對與蒸排流體分析相關(guān)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口進(jìn)行了建模，管道的建模則去掉了法蘭連接以及人孔和排水孔等對管網(wǎng)壓力損失影響很小的特征，蒸汽密封室抽風(fēng)口的安全網(wǎng)應(yīng)用flow simulation的多孔板特征進(jìn)行模擬等。簡化之后的模型如圖2所示。

圖2 蒸汽排出裝置的簡化模型

3.1 Flow Simulation的常規(guī)設(shè)置

在flow simulation中可以對分析求解的項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置：流體設(shè)置為空氣和蒸汽的混合流體，蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)42%，空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)58%；壁面條件選擇為絕熱壁面，粗糙度150μm；初始條件設(shè)置為溫度66.1℃，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P＝1.01×105Pa，湍流強(qiáng)度2%，湍流長度0.15 m。

3.2 Flow Simulation的邊界條件設(shè)置

因?yàn)檫B鑄機(jī)的密封室不能做到完全密閉，同時(shí)廠房屋頂?shù)呐艢饪谂c外界環(huán)境直接相通，所以抽風(fēng)口和屋頂排風(fēng)口的氣壓均為環(huán)境壓力，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P＝1.01×105Pa。抽風(fēng)口布置如圖3所示。

圖3 抽風(fēng)口布置圖

為了保護(hù)人身和風(fēng)機(jī)的安全，蒸汽密封室的抽風(fēng)口應(yīng)設(shè)計(jì)安全網(wǎng)，在flow simulation中可以使用多孔板特征對安全網(wǎng)的蒸汽排出阻力進(jìn)行模擬計(jì)算。多孔板是安裝在入口或出口模型開口或風(fēng)扇處的帶有多個(gè)孔的薄板（建模為無限?。┑恼w模型。多孔板可以應(yīng)用到已有指定邊界條件（環(huán)境壓力或風(fēng)扇）的平面或彎曲模型面。該多孔板的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 多孔板設(shè)置

3.3 蒸汽排出裝置風(fēng)機(jī)的設(shè)置

根據(jù)初選結(jié)果，風(fēng)機(jī)型號為4－79－16.5D，其性能曲線如圖4所示。

圖4 4－79－16.5D風(fēng)機(jī)的性能曲線

選擇風(fēng)機(jī)的類型為內(nèi)部風(fēng)扇，指定風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口

4 蒸排裝置的CFD仿真結(jié)果

Flow simulation設(shè)置完成后，經(jīng)過計(jì)算，就可以得到得到蒸排系統(tǒng)的壓力損失及各個(gè)抽風(fēng)口的流量分配情況，見表2。

圖6為蒸汽排出裝置穩(wěn)態(tài)下的流動(dòng)跡線圖，風(fēng)機(jī)總風(fēng)量60.7 m3／s，由圖7和圖8可以得到風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口靜壓為101 803.8 Pa，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口靜壓為99 964.6 Pa，靜壓差為1 839.2 Pa，風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處動(dòng)壓為491.6 Pa，風(fēng)機(jī)全壓為2 330.8 Pa。

圖6 蒸汽排出裝置的流動(dòng)跡線

表2 抽風(fēng)口的流量分配

圖7 進(jìn)風(fēng)管道風(fēng)壓圖

圖8 出風(fēng)管道風(fēng)壓圖

傳統(tǒng)的蒸排管道在每一個(gè)抽風(fēng)口都需要配置一個(gè)風(fēng)量調(diào)節(jié)門，用來平衡各個(gè)抽風(fēng)口的風(fēng)量。本文應(yīng)用CFD仿真的方法能夠在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)連鑄機(jī)二冷水蒸氣的分布情況調(diào)整各個(gè)抽風(fēng)口的風(fēng)量，這樣設(shè)計(jì)出來的蒸排管道就不需要安裝風(fēng)量調(diào)節(jié)門，降低了管道阻力的同時(shí)減少了設(shè)備投資。

河北遷安某鋼廠的蒸排抽風(fēng)口設(shè)置如圖9所示。抽風(fēng)口1、2、3設(shè)置在SEG0（彎曲段）附近，因?yàn)镾EG1、2、3、4所產(chǎn)生的蒸汽會(huì)沿著隧道式密封向上移動(dòng)，所以這三個(gè)抽風(fēng)口不但負(fù)責(zé)抽排結(jié)晶器足輥、SEG0產(chǎn)生的蒸汽，還負(fù)責(zé)SEG1、2、3、4產(chǎn)生的蒸汽。抽風(fēng)口4、5設(shè)置在SEG5、6、7、8附近，負(fù)責(zé)這4個(gè)扇形段所產(chǎn)生蒸汽的抽排。抽風(fēng)口6、7設(shè)置在 SEG9、10、11、12、13附近，負(fù)責(zé)這5個(gè)扇形段所產(chǎn)生蒸汽的抽排。

圖9 抽風(fēng)口與扇形段位置圖

根據(jù)工藝人員提供的連鑄機(jī)二冷水表，可以得到連鑄機(jī)的二冷水量的分布，進(jìn)一步得到每個(gè)扇形段產(chǎn)生的蒸汽量。表3中可以看到蒸排抽風(fēng)量和扇形段產(chǎn)氣量比例相近，二冷所產(chǎn)生的水蒸氣能被最近的抽風(fēng)口排走，蒸汽排出裝置的風(fēng)口布置和管道設(shè)計(jì)是合理的。

表3 抽風(fēng)量與產(chǎn)氣量比例對照

5 結(jié)論

本文討論了連鑄機(jī)蒸汽排出裝置的風(fēng)機(jī)的選型，并應(yīng)用流體分析軟件對蒸排管道進(jìn)行了流動(dòng)分析，得到了蒸排管道的壓力損失及抽風(fēng)口的流量分布，驗(yàn)證了蒸汽排出裝置風(fēng)機(jī)的選型和管道設(shè)計(jì)的合理性。

河北遷安某鋼廠連鑄機(jī)蒸汽排出裝置已經(jīng)投入生產(chǎn)一年半時(shí)間，成功經(jīng)受了河北遷安地區(qū)冬季最低溫度－22℃的考驗(yàn)，蒸排裝置運(yùn)行穩(wěn)定，蒸汽排出效果干凈徹底，用戶非常滿意。

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