板坯連鑄中間包內(nèi)夾雜物行為的數(shù)值模擬

摘 要：隨著用戶對(duì)鋼產(chǎn)品的質(zhì)量和鋼液的潔凈度要求越來(lái)越高，在中間包內(nèi)去除夾雜物這一冶金技術(shù)越來(lái)越被人們重視，其主要方法是在中間包內(nèi)設(shè)置控流裝置，以延長(zhǎng)鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，提高夾雜物上浮去除的概率。本文以國(guó)內(nèi)某鋼廠單流板坯中間包為研究對(duì)象，基于計(jì)算流體力學(xué)的基本理論，使用商業(yè)軟件Fluent對(duì)鋼液流場(chǎng)和夾雜物在中間包內(nèi)的軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬，考察不同控流裝置對(duì)鋼液流動(dòng)和夾雜物在中間包內(nèi)去除率的影響。

關(guān)鍵詞：連鑄；中間包；流場(chǎng)；夾雜物；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TF 7 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中間包是連鑄過(guò)程中連接鋼包和結(jié)晶器的重要設(shè)備，對(duì)連鑄過(guò)程的順利進(jìn)行和鋼水質(zhì)量起著重要作用。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)鋼水潔凈度的要求越來(lái)越高，中間包已從傳統(tǒng)的過(guò)渡容器轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)夾雜物分離、控制夾雜物形態(tài)、實(shí)現(xiàn)鋼水微合金化的冶金反應(yīng)器[1]。

本文通過(guò)在國(guó)內(nèi)某鋼廠的單流連鑄板坯中間包內(nèi)設(shè)置擋墻、壩以及帶孔擋墻等控流裝置，改變鋼水的流動(dòng)形態(tài)，盡可能使鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間得到延長(zhǎng)，死區(qū)變少，促進(jìn)夾雜物上浮去除，同時(shí)調(diào)整中間包內(nèi)鋼液溫度和成分均勻，從而獲得更純凈的鋼液，最終提高鑄坯質(zhì)量。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型，須做如下假設(shè)[2]：1）中間包內(nèi)的鋼液流動(dòng)與夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡為穩(wěn)態(tài)，不隨時(shí)間變化。2）忽略中間包的液面波動(dòng)，液面為平面。3）假設(shè)夾雜物的形狀是球形的，不考慮不規(guī)則形狀的夾雜物。4）忽略?shī)A雜物的碰撞長(zhǎng)大，不考慮壁面對(duì)夾雜物顆粒的吸附，僅考慮上浮去除的情況。

1.2 控制方程

基于上述假設(shè)，描述連鑄中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)和夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡的控制方程如下[3]。

連續(xù)性方程如公式（1）所示。

（1）

式中：ρ為流體密度，kg/m3；xi為i方向的坐標(biāo)值，m；ui為i方向的平均速度，m/s。

動(dòng)量方程如公式（2）所示。

（2）

式中：ui、uj為分別為i和j方向的速度，m/s；xi、xj分別為i和j方向的坐標(biāo)值，m；p為壓力，Pa；μeff為有效黏度系數(shù)，Pa·s，可用湍流模型確定，本文采用k?ε雙方程模型來(lái)確定。

夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡方程[4]，如公式（3）所示。

（3）

式中：t為時(shí)間，s；wjz為液面處夾雜物的上浮速度，m/s。

1.3 邊界條件

1.3.1 入口邊界

將中間包長(zhǎng)水口定義為入口，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，保證中間包入口流量與結(jié)晶器出口流量相等。由結(jié)晶器出口截面尺寸和拉速與中間包入口水口尺寸能夠計(jì)算出中間包入口鋼液流速。

1.3.2 出口邊界

將中間包浸入式水口定義為出口，出口視為流動(dòng)充分發(fā)展，各物理量沿該截面的法向梯度為零。

1.3.3 自由液面

中間包液面為自由液面，垂直于液面的速度分量及其他各變量沿法線方向梯度為零[5]。

1.3.4 壁面

垂直于中間包壁面的速度為零[5]。

1.4 計(jì)算方法

本文是結(jié)合國(guó)內(nèi)某鋼廠單流板坯連鑄中間包來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬的，圖1為無(wú)控流裝置中間包尺寸圖。

采用大型商業(yè)軟件ANSYS對(duì)中間包進(jìn)行建模，不考慮中間包外壁，只建立求解區(qū)域，即中間包鋼液的流動(dòng)區(qū)域。因?yàn)樵摪迮鬟B鑄中間包具有對(duì)稱(chēng)性，所以只取中間包二分之一進(jìn)行建模。中間包長(zhǎng)水口和結(jié)晶器浸入式水口采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)間距約10mm。中間包主體采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)間距約30mm。中間包整個(gè)模型最后由919169個(gè)單元組成，具有1274788個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2為無(wú)控流裝置中間包模型網(wǎng)格。

用有限體積法將上述微分方程離散化，采用Fluent中的SIMPLE算法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解。首先，計(jì)算中間包內(nèi)鋼水的流場(chǎng)。其次，在此基礎(chǔ)上計(jì)算夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡[4]。假定夾雜物上浮到液面時(shí)均被中間包的液面渣捕獲，被捕獲的夾雜物占總夾雜物的比例即為夾雜物去除率。

2 研究方案

對(duì)單流中間包來(lái)說(shuō)，可以采用各種各樣的控流裝置，本文在無(wú)控流裝置中間包的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出2種控流裝置對(duì)中間包流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，一種為帶孔擋墻+擋壩，另一種為擋墻+擋壩。

2.1 帶孔擋墻+擋壩

該方案的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于多流中間包的控流裝置，目前大多數(shù)多流中間包的控流裝置都是加入帶孔擋墻，而單流中間包加入帶孔擋墻的比較少見(jiàn)。圖3為帶孔擋墻+擋壩中間包尺寸主視圖，在距離中間包中心1000mm處設(shè)置擋墻，在距離底面350mm處開(kāi)設(shè)一個(gè)傾角為45°、直徑為100mm的斜孔，距離中間包中心500mm處設(shè)置一個(gè)擋壩，擋墻與擋壩厚度均為100mm。

2.2 擋墻+擋壩

該方案是在距離中間包中心500mm處設(shè)置一擋墻，擋墻距離中間包底面為150mm，在距離中間包中心200mm處設(shè)置一擋壩，高度為200mm，擋墻與擋壩相距200mm，擋墻與擋壩厚度均為100mm。圖4為擋墻+擋壩中間包尺寸主視圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 中間包流場(chǎng)

圖5為無(wú)控流裝置時(shí)的中間包流場(chǎng)示意圖。由圖5可知，來(lái)自長(zhǎng)水口的鋼液高速?zèng)_向中間包底部后，部分鋼液被濺起，流向中間包壁面和液面；大部分鋼液沿中間包底部流向中間包出口，并在中間包中心靠底面形成一個(gè)較小的回流[6]。這種流場(chǎng)分布對(duì)夾雜物的上浮去除十分不利，由于鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間較短，且鋼液沒(méi)有明顯向上流動(dòng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致鋼液中的夾雜物來(lái)不及上浮，便通過(guò)浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器，因此需要在中間包中加入控流裝置對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖6為帶孔擋墻+擋壩中間包流場(chǎng)分布。該方案在空的中間包內(nèi)加入1個(gè)帶孔擋墻和1個(gè)擋壩，由圖6可以看出，鋼液從長(zhǎng)水口流入中間包后，由于加入了帶孔擋墻將高速鋼液的沖擊區(qū)限制在中間包入口區(qū)域，因此降低了中間包液面的波動(dòng)和卷渣的發(fā)生概率。由導(dǎo)流孔流出的鋼液向上流動(dòng)，且由于擋壩的阻擋，形成一個(gè)較大的回流。這樣的流場(chǎng)大大地增加了鋼液向中間包液面流動(dòng)的趨勢(shì)，并使鋼液的停留時(shí)間得到延長(zhǎng)，有利于夾雜物的上浮去除。但要控制導(dǎo)流孔的大小，防止鋼流沖開(kāi)中間包液面的覆蓋劑，容易造成鋼液的二次氧化。

圖7為擋墻+擋壩中間包流場(chǎng)分布。該方案是在空的中間包內(nèi)加入1個(gè)擋墻和1個(gè)擋壩，由圖7可以看出，擋墻將高速流動(dòng)的鋼液限制在中間包入口區(qū)域，鋼液在通過(guò)擋墻和擋壩后速度明顯減小，這有利于降低中間包液面波動(dòng)和卷渣的發(fā)生概率。鋼液由擋墻和擋壩間隙流向中間包液面，然后沿著液面流向中間包壁面，隨后由浸入式水口流入結(jié)晶器。由于鋼液流速過(guò)小，因此中間包內(nèi)未形成較大回流。這樣的流場(chǎng)在一定程度上延長(zhǎng)了鋼液在連鑄中間包內(nèi)的停留時(shí)間；同時(shí)，沿中間包液面的流動(dòng)縮短了夾雜物上浮的距離，有利于夾雜物的去除。

3.2 中間包夾雜物行為

夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡明顯受到中間包內(nèi)流場(chǎng)的影響。加控流裝置后，中間包內(nèi)形成了沿液面的流動(dòng)，縮短了夾雜物上浮的距離，這有利于提高夾雜物的去除率。在帶孔擋墻+擋壩的中間包內(nèi)，鋼液形成的較大回流，增加了鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，提高了夾雜物上浮的機(jī)率。

圖8為中間包內(nèi)不同尺寸夾雜物的上浮率。由圖8可以看出，在中間包內(nèi)施加控流裝置后，100μm和70μm的大顆粒夾雜上浮率顯著增大，其中帶孔擋墻+擋壩的控流方式要明顯優(yōu)于擋墻+擋壩，100μm的夾雜物上浮率達(dá)到96.2%，70μm的夾雜物上浮率為77.2%；然而50μm和30μm的小顆粒夾雜上浮率變化較小，因此還需進(jìn)一步優(yōu)化控流裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

在中間包內(nèi)施加控流裝置后，形成較大回流，延長(zhǎng)了鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，對(duì)100μm和70μm的大顆粒夾雜上浮率提升明顯，其中帶孔擋墻+擋壩的控流方式效果最好，而對(duì)50μm和30μm的小顆粒夾雜上浮率影響不大，因此還需根據(jù)鋼種要求對(duì)控流方案做進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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通信作者：王宏丹（1985—），女，陜西洛南人，博士研究生，講師，主要從事冶金工程數(shù)值模擬。

電子郵箱：wanghongdan@cqust.edu.cn。