兩流中間包流場(chǎng)模擬分析

陶偉平，田海鋒，黃家文，李小賢，湯海群

（黃山杰爾馬熱交換系統(tǒng)有限公司，安徽 黃山 245500）

中間包對(duì)穩(wěn)定煉鋼工藝、提高鋼錠毛坯質(zhì)量具有重要作用。一般在中間包中設(shè)置不同形狀的分流器和穩(wěn)定器，如水壩、堰等，改變內(nèi)部流動(dòng)方式，延長(zhǎng)鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，使雜質(zhì)浮起并徹底分離。堤壩的形狀和分布直接影響著除渣效果。針對(duì)某鋼廠現(xiàn)有的雙中間包，提出了一種新的分流方法，通過(guò)仿真和分析比較了兩種流體在不同結(jié)構(gòu)中間包中的除雜質(zhì)效果，其結(jié)果將證明水平旋轉(zhuǎn)分流結(jié)構(gòu)除雜質(zhì)效果的優(yōu)先性。

1 原中間包模型

煉鋼廠中間包結(jié)構(gòu)如圖1所示，x軸為中間包寬度方向，y軸為長(zhǎng)度方向，z軸為中間包高度方向。澆注區(qū)與澆注區(qū)之間分別設(shè)置擋土墻和擋土壩。以Fluent 為基礎(chǔ)，根據(jù)煉鋼廠的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出入口邊界條件。

圖1 原中間包模型圖

通過(guò)對(duì)原中間包結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬得出仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中選取了一些圖片，如圖2所示。

圖2 左側(cè)中間包截面速度輪廓和軌跡(x=0 m)

由圖2（a）可知，鋼水穿過(guò)擋土墻后遇到擋壩的阻擋，以一定角度直沖到渣層。向左側(cè)流動(dòng)時(shí)，鋼水會(huì)轉(zhuǎn)向澆口。同時(shí)在中間包中形成兩個(gè)明顯的軌跡，分別為軌跡1和軌跡2。這兩條流動(dòng)軌跡代表了大部分新鮮的鋼水。由于其路徑呈回字形，流動(dòng)距離比直線(xiàn)距離長(zhǎng)。但是，鋼水在中間包中的駐留時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的（存在往復(fù)循環(huán)）。在理論計(jì)算中，鋼液停留在流道中的時(shí)間包含在停留時(shí)間內(nèi)。流道越大，鋼液在其中停留的時(shí)間就越長(zhǎng)。然而，這種時(shí)間上的延長(zhǎng)只能影響一部分鋼液。循環(huán)比（新鮮鋼液在流道鋼液總量中所占比例）越大，中間包液鋼駐留時(shí)間越長(zhǎng)。然而，循環(huán)比越低，相當(dāng)于中間包中占據(jù)大量流動(dòng)截面的死區(qū)，實(shí)際上減少了鋼液的有效流動(dòng)截面。與圖2流動(dòng)軌跡相似，有效流動(dòng)截面的減小意味著中間包內(nèi)鋼液停留時(shí)間減少。另外，直接流向頂部的鋼液，會(huì)對(duì)頂部雜質(zhì)層造成沖擊。沖擊會(huì)在一定程度上阻礙對(duì)懸浮雜質(zhì)的吸收，甚至?xí)逛撘罕砻娴碾s志再次進(jìn)入鋼液中[1]。

圖3為中間包左澆注口區(qū)域垂直截面上的速度矢量。在流動(dòng)方向上，兩個(gè)漩渦就像兩個(gè)嚙合的齒輪一樣運(yùn)動(dòng)著，兩個(gè)漩渦疊加在澆注口這一點(diǎn)。渦流有向上帶雜質(zhì)的趨勢(shì)，也有向下帶雜質(zhì)的趨勢(shì)。澆注口渦流產(chǎn)生的負(fù)壓吸力，易造成中間包頂部的雜質(zhì)再次被吸入結(jié)晶器。因此，中間包中渦流越多，對(duì)凈化能力的限制越大。實(shí)際上，巨大渦流的存在相當(dāng)于占據(jù)了通道的有效截面。鋼液流動(dòng)距離雖有延長(zhǎng)，但通道面積減小，停留時(shí)間并未得到延長(zhǎng)。

圖3 x=0 m段下注口區(qū)速度矢量

2 雙中間包的側(cè)向分流結(jié)構(gòu)

針對(duì)原始模型的不足，提出了中間包的側(cè)向分布模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)中間包的原始尺寸，拆除擋水壩，并將隔墻向兩端移動(dòng)305 m。每一側(cè)擋土墻保持墻壁的底部開(kāi)口，其大小是80 mm×60 mm，這些開(kāi)口是逆時(shí)針?lè)较虻模驗(yàn)樵诋?dāng)前位置（北半球），重力勢(shì)渦的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針的。其余部分結(jié)構(gòu)和計(jì)算條件不變，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 側(cè)向分布的中間包模型結(jié)構(gòu)

圖5為新型模型x=0.4 m截面上的顆粒軌跡，其中鋼液從緩沖區(qū)通過(guò)中間包一側(cè)的開(kāi)口流向中間包左側(cè)。流體以一定的角度向上流動(dòng)至頂部，然后沿中間包左側(cè)圓周流動(dòng)。最后，鋼液向下流動(dòng)到澆注口。在這種情況下，中間包形成一個(gè)水平的旋轉(zhuǎn)平面，不僅延長(zhǎng)了流動(dòng)距離，而且減少了流體的垂直翻轉(zhuǎn)。垂直旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)只能引起湍流和波動(dòng)，增強(qiáng)了雜質(zhì)在液體中的擴(kuò)散，不利于凈化[2]。然而，水平旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)會(huì)延長(zhǎng)流動(dòng)距離，同時(shí)也能矯正流動(dòng)。微小的渦流可以組合成大的渦流，減少垂直方向上的翻轉(zhuǎn)。流體整體向下旋轉(zhuǎn)，下落速度較慢，為雜質(zhì)上浮提供了足夠的時(shí)間和空間。一旦上表面為自由表面，則組合漩渦內(nèi)外的速度和靜壓分布如圖6所示。鋼液水平旋渦與垂直旋渦組合具有相似的特征，但并不完全相同[3]。

圖5 x=0.4 m截面(左側(cè))流體顆粒軌跡

圖6 自由表面下的速度與壓力分布

熔融鋼液的上表面被浮渣覆蓋，相當(dāng)于被封閉。因此，壓力分布將發(fā)生變化，如圖7所示。壓力的核心區(qū)將由自由上表面的正壓力變?yōu)槊荛]表面的負(fù)壓。因此，在渦流的核心區(qū)域和渦流區(qū)域?qū)⑿纬上鄬?duì)較大的壓力差。此外，顆粒指向旋轉(zhuǎn)軸的力方向與壓力差的方向相反。此外，直徑為dp的球形顆粒在流體中加速時(shí)會(huì)引起周?chē)黧w的加速度。驅(qū)動(dòng)粒子加速度的力稱(chēng)為附加質(zhì)量力。當(dāng)粒子驅(qū)動(dòng)流體的加速度時(shí)，流體將以等量的力作用于粒子。一旦粒子和流體一起旋轉(zhuǎn)，所增加的質(zhì)量力就是圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。因此，在水平旋轉(zhuǎn)流中，密度高的顆粒有向外移動(dòng)和向下移動(dòng)的趨勢(shì)，而密度低的顆粒則有向上移動(dòng)和向中心移動(dòng)的趨勢(shì)[4]。

圖8為中間包左側(cè)z=0.8 m截面上流體的顆粒矢量圖。可見(jiàn)，水平旋轉(zhuǎn)的中心位于滯留區(qū)右側(cè)。渦流核心區(qū)的流動(dòng)速度接近于零，相對(duì)于鋼液中雜質(zhì)的流動(dòng)速度也為零，有利于雜質(zhì)上浮[5]，低密度雜質(zhì)在水平旋轉(zhuǎn)流中向上和向中心移動(dòng)的趨勢(shì)，這種類(lèi)型的流動(dòng)是最適合凈化的方法。

圖7 密閉表面下的速度和壓力分布

圖8 中間包左側(cè)z=0.8 m截面速

圖8～圖11 分別為0.8、0.6、0.4、0.2 m 高度截面的速度矢量圖，最低截面靠近澆注口（z=0.2 m）。根據(jù)速度分布和流動(dòng)方向，鋼液在中間包的整個(gè)空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)。截面越接近中間包的底部，流體流動(dòng)越慢。慢的速度分布有利于雜質(zhì)的上浮。低密度雜質(zhì)的浮力與顆粒的直徑成正比。液體流動(dòng)越快，對(duì)顆粒的相對(duì)附著力越大，其承載能力也隨之增大。反之亦然，在低速區(qū)，顆粒更有可能與鋼液分離。如圖所示，在一個(gè)截面中，靠近澆注區(qū)域的周邊流體流動(dòng)速度快于內(nèi)部流體流動(dòng)速度。渦流核心區(qū)流速最低，適用于雜質(zhì)聚集。因此，它不會(huì)受到來(lái)流的影響，從而促進(jìn)雜質(zhì)的聚集和上浮。

圖9 中間包左側(cè)z=0.6 m截面

模型中，擋墻兩側(cè)開(kāi)口為逆時(shí)針?lè)较?，使中間包熔池中的液體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。勢(shì)渦受地球自轉(zhuǎn)的影響，在南半球和北半球分別逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。為了抵消勢(shì)渦的巨大吸力，將流體旋轉(zhuǎn)方向與勢(shì)渦相反，可以顯著減小勢(shì)渦引起的壓力梯度和澆注口周邊附件的壓力梯度。因此，中間包內(nèi)工質(zhì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)回降低澆注口周邊的壓力梯度，進(jìn)而可以減小澆注口的吸力，為雜質(zhì)上浮提供了有利條件。

圖10 中間包左側(cè)z=0.4 m截面上的速度矢量

圖11 中間包左側(cè)z=0.2 m截面上的速度矢量

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩種中間包結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在原有的擋墻、擋壩結(jié)構(gòu)中，流體往復(fù)垂直旋轉(zhuǎn)，不利于雜質(zhì)上浮，還會(huì)對(duì)液體表面的雜質(zhì)層產(chǎn)生沖擊。雜質(zhì)層的穩(wěn)定性不能得到保證。通過(guò)擋壩和擋土墻，延長(zhǎng)鋼液的流動(dòng)距離。然而，由于流道占據(jù)了有效流動(dòng)空間，實(shí)際流動(dòng)截面會(huì)減小。因此，鋼水停留時(shí)間的延長(zhǎng)是相當(dāng)有限的。

（2）側(cè)向分流的中間包結(jié)構(gòu)將垂直翻轉(zhuǎn)變?yōu)樗叫D(zhuǎn)，降低了熔池內(nèi)的湍流強(qiáng)度，降低了鋼水?dāng)y帶雜質(zhì)的可能性。水平旋轉(zhuǎn)的分離效果有利于雜質(zhì)的分離、聚集和上浮。同時(shí)，水平旋轉(zhuǎn)為雜質(zhì)層的穩(wěn)定性和有效性提供了最有利的條件。

（3）使側(cè)向分流和水平旋轉(zhuǎn)流動(dòng)與局部勢(shì)渦方向相反，降低科氏力，使勢(shì)渦的吃水變?nèi)?，從而降低澆注口?duì)雜質(zhì)的吸力。因此，水平旋轉(zhuǎn)對(duì)鋼液的凈化有很大的幫助。