抑旋板條件下多流中間包流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

郭 卓，鉉明濤，李嬌嬌，王 楠，陳 敏

(東北大學(xué) 冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110819)

隨著市場(chǎng)對(duì)鋼鐵產(chǎn)品多樣化需求的日益增加，定制化生產(chǎn)已成為合金鋼生產(chǎn)的重要趨勢(shì)，因此將不可避免地出現(xiàn)因小批量引起的生產(chǎn)成本問(wèn)題[1].眾所周知，為避免匯流旋渦將中間包覆蓋劑卷入結(jié)晶器內(nèi)影響鑄坯質(zhì)量，在每個(gè)澆次末期中間包內(nèi)都會(huì)剩余一定量鋼水即殘鋼.隨連鑄批量減少，殘鋼量所占比例增加，金屬收得率相應(yīng)降低，進(jìn)而嚴(yán)重影響生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益.因此，開發(fā)抑制中間包內(nèi)匯流旋渦卷渣技術(shù)，提高金屬收得率，對(duì)連鑄生產(chǎn)特別是高附加值合金鋼連鑄具有重要意義[2-6].

關(guān)于抑制匯流旋渦減少殘鋼量的措施，不少學(xué)者通過(guò)改變中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)或改變工藝參數(shù)來(lái)達(dá)到目的.苑品等[7]和青靚等[8]采用水模實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，在雙流板坯中間包內(nèi)增加擋壩高度并向上開通鋼孔可以大幅減少中間包殘鋼量；李新偉[9]以五流中間包為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬研究總結(jié)出塞棒高度、拉速、中間包水口內(nèi)徑和覆蓋劑厚度對(duì)旋渦產(chǎn)生的影響.此外，還有學(xué)者通過(guò)在水口附近添加抑旋裝置來(lái)降低匯流旋渦產(chǎn)生高度，劉金剛[10]開發(fā)出板式旋渦抑制器并應(yīng)用于雙流板坯中間包內(nèi)，可明顯抑制匯流旋渦的產(chǎn)生；趙亮等[11]通過(guò)水模優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明，在無(wú)控流裝置的四流中間包水口附近布置抑流件，可有效降低旋渦卷渣臨界高度.

本文以四流方坯中間包為研究對(duì)象，針對(duì)在端部4流水口上方較早發(fā)生旋渦卷渣的問(wèn)題，采用數(shù)值模擬手段對(duì)澆注末期中間包內(nèi)匯流旋渦的形成特點(diǎn)進(jìn)行研究.在不改變中間包原有控流裝置條件下，結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出工字型抑旋板以降低卷渣液位，并對(duì)加入抑旋板前后中間包內(nèi)流場(chǎng)特征進(jìn)行分析，同時(shí)研究了抑旋板安放角度及高度對(duì)抑旋效果的影響，從而為開發(fā)多流中間包抑旋技術(shù)提供理論參考.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 中間包參數(shù)

圖1為四流T型中間包結(jié)構(gòu)圖.該中間包控流裝置采用湍流控制器、導(dǎo)流擋墻及擋壩的組合結(jié)構(gòu).中間包模型與實(shí)際中間包比例為1∶1，基本尺寸如表1所示.

圖1 中間包結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of tundish structure

考慮到該四流中間包流場(chǎng)的對(duì)稱特點(diǎn)，本文只選取其二分之一建立計(jì)算模型，圖2為計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分.

表1 中間包尺寸參數(shù)Table 1 Parameters of the tundish

圖2 計(jì)算模型和網(wǎng)格圖Fig.2 Calculation model and mesh

1.2 模型假設(shè)和邊界條件

對(duì)中間包澆注過(guò)程作如下假設(shè)：(1)由于模擬的是澆注末期，不再有鋼液從鋼包內(nèi)流入中間包，故對(duì)鋼包長(zhǎng)水口可做簡(jiǎn)化處理； (2)不考慮溫度變化對(duì)中間包澆注過(guò)程的影響； (3)初始鋼液處于靜止?fàn)顟B(tài)且澆注過(guò)程中靠重力驅(qū)動(dòng)流出； (4)將中間包內(nèi)液面視為自由表面.

邊界條件為：(1)中間包頂部不斷有空氣流入，將上表面設(shè)為空氣壓力入口； (2)本模擬中不考慮拉速的情況，因此將中間包出水口設(shè)為壓力出口； (3)所有壁面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件.

為得到澆注末期匯流旋渦卷渣的臨界液位，在迭代計(jì)算過(guò)程中對(duì)中間包水口界面覆蓋劑的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了監(jiān)控，從而確定水口開始卷渣的時(shí)間.表2為模型中鋼液、中間包覆蓋劑和空氣的物性參數(shù).

表2 流體物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of fluid

1.3 控制方程

為了研究鋼液、中間包覆蓋劑和空氣三相的流動(dòng)特性，本文采用VOF界面方法研究多相傳輸特征，中間包澆注過(guò)程考慮氣、鋼液、覆蓋劑(渣)三相.湍流模型選擇RNGk-ε雙方程模型.

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

在每個(gè)控制容積中，所有相的體積分?jǐn)?shù)之和是1.設(shè)φq為第q相的體積分?jǐn)?shù)，中間包澆注過(guò)程考慮氣、鋼液、覆蓋劑(渣)三相.

φgas+φsteel+φslag=1

(3)

流體的密度與黏度均采用體積平均計(jì)算，即：

ρ=φgasρgas+φsteelρsteel+φslagρslag

(4)

μ=φgasμgas+φsteelμsteel+φslagμslag

(5)

湍動(dòng)能(k)方程

+Gk+Gb-ρε

(6)

湍動(dòng)能耗散率(ε)方程

(7)

式中：ρ為流體密度，kg·m-3；P為壓力，Pa；g為重力加速度，m·s-2；μeff為有效黏性系數(shù)，Pa·s，μeff=μ+μt；vi、vj分別為xi、xj方向上的速度分量，m·s-1；k為湍動(dòng)能，m2·s-2；ε為湍動(dòng)能耗散率，m2·s-2；Gk是由速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生相，kg·m-1·s-3；Gb是由浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生相，kg·m-1·s-3；σk和σε分別用于求解k和ε的有效普朗特?cái)?shù)；C1、C2和C3均為常數(shù)，在本研究中C1=1.42，C2=1.68，C3=0.

1.4 研究方案

本研究設(shè)計(jì)的8種方案如表3所示，首先以垂直于中間包窄側(cè)包壁的水口中軸線為起始邊，以水口中心為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)布置抑旋板，在討論得出最佳安放角度后，通過(guò)改變最佳安放方案的抑旋板高度H，模擬計(jì)算出針對(duì)此中間包的最優(yōu)方案，抑旋板安放示意圖參見圖3.

表3 實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Scheme of experiment

圖3 抑旋板示意圖Fig.3 Schematic of inhibiting baffle

2 結(jié)果與討論

2.1 中間包匯流旋渦的形成過(guò)程

在中間包澆注末期，不再有鋼液從鋼包注入中間包內(nèi)，隨著澆注的繼續(xù)進(jìn)行，中間包內(nèi)鋼水液面會(huì)逐漸下降.當(dāng)液面降至一定高度后，水口上方的鋼液表面逐漸發(fā)生凹陷，最終會(huì)形成旋渦將中間包覆蓋劑卷入結(jié)晶器中.

圖4為中間包澆注末期4流水口處匯流旋渦的形成過(guò)程，右圖為左圖水口附近區(qū)域放大后結(jié)果.圖4(a)為起旋臨界高度，此時(shí)在出水口上方會(huì)出現(xiàn)輕微凹陷，鋼液會(huì)圍繞凹渦作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；隨著液面繼續(xù)下降，旋渦的凹陷程度加深，少量中間包覆蓋劑會(huì)被卷入出水口中造成下渣(圖4(b))，此時(shí)的高度稱為卷渣臨界高度；這種狀態(tài)持續(xù)較短時(shí)間后，凹渦會(huì)完全貫通至出水口，鋼液表面的覆蓋劑會(huì)大量的卷入出水口(圖4(c))，此時(shí)對(duì)應(yīng)的高度稱為貫通臨界高度.這種情況會(huì)降低鑄坯潔凈度，甚至誘發(fā)漏鋼事故.在本模擬研究中，為了對(duì)比不同方案下旋渦的形成過(guò)程，對(duì)旋渦產(chǎn)生初期的起旋臨界高度和下渣初期的卷渣臨界高度進(jìn)行比較分析.

研究結(jié)果表明，位于中間包端部的4流水口(參見圖2)較3流容易發(fā)生卷渣現(xiàn)象，在澆注末期應(yīng)優(yōu)先關(guān)閉.但由于位于端部的4流響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，鋼液溫度偏低，如果在澆注末期先關(guān)停4流水口，會(huì)造成中間包內(nèi)產(chǎn)生較大死區(qū)，中間包內(nèi)鋼液溫差較大，影響生產(chǎn)順行和鑄坯質(zhì)量，因此有效抑制中間包端部的1流、4流產(chǎn)生旋渦卷渣非常關(guān)鍵，本研究也將著重研究4流水口匯流旋渦形成和發(fā)展過(guò)程.

圖4 匯流旋渦各發(fā)展階段體積分?jǐn)?shù)圖Fig.4 Volume fraction diagram at different stages of sink vortex (a) —起旋臨界高度； (b) —卷渣臨界高度； (c) —貫通臨界高度

圖5 不同鋼水液位表面速度云圖與流線圖Fig.5 Surface velocity cloud diagram and flow line at different molten steel level(a) —液面高度150 mm； (b) —卷渣臨界液位69 mm

2.2 原中間包內(nèi)匯流旋渦特征

圖5(a)是鋼液面在150 mm時(shí)XOZ面速度云圖和跡線圖.此時(shí)水口上方鋼液表面比較平穩(wěn)，最大流速為0.03 m/s，鋼液向水口作匯流運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)軌跡大多沿徑向方向，沒有形成明顯的旋渦.對(duì)比4流水口開始卷渣時(shí)自由液面的云圖和跡線圖(圖5(b))可以看出，4流水口上方鋼液表面穩(wěn)定性較差，最大流速達(dá)0.15 m/s，容易造成卷渣，鋼液大多沿切向方向流動(dòng)，形成以水口為中心的逆時(shí)針匯流旋渦.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可由中間包內(nèi)流場(chǎng)不均而誘發(fā)環(huán)流來(lái)解釋.在澆注末期，鋼水液面降至擋壩以下后，會(huì)造成注流區(qū)存在液面差，在壓差作用下，高液面注流區(qū)會(huì)通過(guò)靠近包底的導(dǎo)流孔不斷向低液面注流區(qū)補(bǔ)充鋼水，便會(huì)在擋孔處形成一高流速區(qū)域，從而使低液面注流區(qū)中間包底部鋼液產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)趨勢(shì).在靠近中間包底部出水口處切向速度大，鋼液旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)最明顯，由于流體黏度的作用會(huì)帶動(dòng)上方的鋼液也產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)，但這種趨勢(shì)會(huì)隨著能量的消耗逐漸減弱，所以在150 mm高液面處切向速度小，難以產(chǎn)生匯流旋渦.隨著液面的不斷下降，鋼液表面切向速度逐漸增大，旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)越來(lái)越明顯，終于在4流水口處最先形成逆時(shí)針的匯流旋渦.

2.3 抑旋板對(duì)中間包內(nèi)匯流旋渦的影響

2.3.1 抑旋板布置角度的影響

圖6是抑旋板在4種不同安放角度(參見表3)情況下起旋和卷渣的臨界高度.可以看出，加入抑旋板后，各方案的起旋和卷渣臨界高度均比原中間包低，方案4時(shí)降幅最大，起旋臨界高度由75 mm降至53 mm，降低了29.3%，卷渣臨界高度由69 mm降至45 mm，降低了34.8%，這說(shuō)明加入抑旋板可以有效地抑制澆注末期匯流旋渦的形成，減少澆注末期中間包內(nèi)殘鋼量，提高金屬收得率.

圖6 不同方案時(shí)起旋和卷渣臨界高度Fig.6 Critical height of vortex formation and slag entrapment in different schemes

結(jié)合圖7鋼液表面速度矢量圖對(duì)比分析可以看出，在中間包水口附近加入抑旋板能夠破壞水口處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，改變鋼液流動(dòng)軌跡.鋼液在流經(jīng)抑旋板后，一部分繼續(xù)向前流動(dòng)，另一部分流股則被抑旋板阻擋，從長(zhǎng)板內(nèi)側(cè)流入沿著內(nèi)部凹槽向短板一端流動(dòng)，最后沿短板內(nèi)側(cè)方向流入水口.由鋼液表面速度云圖可以看出，加入抑旋板可有效降低水口附近鋼液流速，流經(jīng)抑旋板的鋼液速度由0.15 m/s降至0.045 m/s，有利于穩(wěn)定液面波動(dòng)和降低卷渣高度.

以不同角度在水口附近安放抑旋板，會(huì)對(duì)中間包內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生不同的影響.按方案1(圖7a)安放抑旋板后在水口處順時(shí)針流動(dòng)趨勢(shì)過(guò)大，形成順時(shí)針旋渦，使抑旋效果變差；按方案2(圖7b)安放抑旋板，未能阻擋流經(jīng)水口與包壁間的大部分鋼液，阻礙鋼液形成逆時(shí)針旋渦的作用較弱；按方案3(圖7c)安放抑旋板，由于其擺放位置在鋼液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的末端，降低鋼液流速和改變鋼液流動(dòng)軌跡的作用與其他方案相比較差；按方案4(圖7d)安放抑旋板后，可以阻擋流經(jīng)水口與包壁間的大部分鋼液，鋼液沿短板方向流出后，其切向速度與來(lái)流的鋼液相互抵消變?yōu)閺较蛄鲃?dòng)，剩余鋼液從抑旋板長(zhǎng)板外側(cè)流過(guò)，最終均沿徑向流入水口，在4流水口上方?jīng)]能形成明顯旋渦，因此大大降低了卷渣臨界高度.

2.3.2 抑旋板高度的影響

圖8為抑旋板最佳安放角度(方案4)情況下，抑旋板不同高度H對(duì)匯流旋渦起旋和卷渣臨界高度的影響.可以看出，隨H的增加，匯流旋渦的起旋和卷渣臨界高度均呈下降趨勢(shì).加入抑旋板后與原中間包相比，在H由方案5(參見表3)的20 mm增加至方案7的80 mm時(shí)，起旋臨界高度降幅分別為15.9%、17.9%、29.3%、34.7%，卷渣臨界高度降幅分別為18.5%、30.4%、34.8%、40.6%，抑旋板對(duì)旋渦的抑制作用逐漸提升.方案8繼續(xù)增加H，起旋和卷渣的臨界高度不再明顯變化.

圖7 不同方案時(shí)卷渣液位表面流速分布Fig.7 Surface flow velocity of slag entrapment surface in different schemes(a) —方案1； (b) —方案2； (c) —方案3； (d) —方案4

圖8 抑旋板高度對(duì)起旋和卷渣臨界高度的影響Fig.8 Effect of inhibiting baffle height on vortex formation and slag entrapment critical height

根據(jù)以上結(jié)果可以認(rèn)為，在本研究條件下，當(dāng)H高于原中間包起旋臨界高度75 mm時(shí)效果最佳，抑旋板能夠在匯流旋渦形成初期即進(jìn)行有效抑制.隨著H的降低，抑制效果隨之變差，在抑旋板高度降到20 mm時(shí)效果最差；但當(dāng)H超過(guò)原中間包起旋臨界高度過(guò)多時(shí)，由于鋼液在此高度旋渦還未產(chǎn)生，進(jìn)一步改善抑旋效果變化不大，所以難以進(jìn)一步降低起旋和卷渣的臨界高度.

3 結(jié) 論

(1) 在澆注末期位于中間包端部的4流水口最先發(fā)生卷渣現(xiàn)象.未加入抑旋板時(shí)，4流水口上方產(chǎn)生明顯的逆時(shí)針匯流旋渦，鋼水液位高度在69 mm時(shí)便發(fā)生覆蓋劑卷入現(xiàn)象，容易導(dǎo)致殘鋼量增多.

(2) 在中間包內(nèi)加入抑旋板，可以破壞水口處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，改變鋼液流動(dòng)軌跡，降低水口附近鋼液流速，流經(jīng)抑旋板的鋼液速度由0.15 m/s 降至0.045 m/s，液面穩(wěn)定性得到提高，對(duì)抑制匯流旋渦的形成有明顯效果.

(3) 通過(guò)改變抑旋板的安放角度和高度，中間包內(nèi)鋼液均沿徑向流入水口，沒有形成明顯旋渦；抑旋板布置高度應(yīng)高于原中間包起旋臨界高度，以使其在旋渦產(chǎn)生初期便起到抑制作用，但進(jìn)一步增加擋板高度，抑旋效果不再明顯提升.

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