中間包水口鋼液流場的數值模擬

趙定國,黃 凱,王書桓

(河北聯合大學 冶金與能源學院,河北 唐山 063009)

中間包水口鋼液流場的數值模擬

趙定國,黃 凱,王書桓

(河北聯合大學 冶金與能源學院,河北 唐山 063009)

利用Fluent軟件,采用數值模擬的方法,研究中間包水口在正常情況下和存在結瘤時流場的形態變化。模擬結果表明:以小方坯為研究對象,拉坯速度為2.3 m/s,開口度為66%,夾雜物為Al2O3,無氬氣吹入時,當水口結瘤少時,鋼液通過結瘤位置時相對于正常情況下鋼液流速增大的少;當水口結瘤多時,鋼液通過結瘤位置時相對于正常情況下鋼液流速增大的多。

中間包水口;結瘤;數值模擬;鋼液流場

連鑄過程中鋼水經過中間包水口進入到結晶器內,鋼水中的高熔點鋁酸鈣等夾雜物會在水口內壁粘結堆積,造成水口部分或者完全堵塞(結瘤)[1-3]。

隨著計算機和數值計算技術的研究,計算流體力學方法迅速發展起來。許多經過驗證的數學模型和軟件可以深入詳細描述冶金反應器內的過程和現象,定量的給出實際運行參數和做出評估,為反應器的設計和生產控制提供依據,CFD(Computational Fluid Dynamics)技術在冶金中也得到了廣泛應用。

本文以小方坯為研究對象,采用Fluent軟件進行數值模擬,研究不同因素下水口內鋼液的流場情況。

1 數學模型

1.1 基本假設[4]

1) 鋼液為粘性不可壓縮的牛頓流體;

2) 水口內鋼液的自然對流不予考慮;

3) 認為水口內的鋼液流動是湍流流動;

4) 假定水口內的夾雜物呈球形,在水口內壁均勻分布。

1.2 控制方程

對水口內鋼液的流動行為進行數值模擬,需要求解的控制方程包括連續方程、動量方程及湍流k-ε方程。

連續方程

(1)

動量方程

(2)

湍流動能(k)方程

(3)

湍流耗散(ε)方程

(4)

式中:xi,xj分別為張量的方向;Ui,Uj為流場時均速度;ρ為鋼液密度;β為體膨脹系數;μ為動力學粘度;μeff為有效粘度系數;k,ε為流體的湍動能和湍動能耗散率;G為湍動能產生率;C1,C2,σk,σε為經驗常數。

1.3 邊界條件

1) 固體壁面:水口內壁面,對速度、壓力使用無滑移邊界條件,將k、ε設為零;對壁面附近的區域使用壁面函數法。

2) 入口:設塞棒處于全開狀態時的水平環隙為入口,入口處速度大小由拉坯速度、小方坯截面積和環隙面積決定,采用速度入口邊界條件。根據拉速,采用流量相等的原理,確定入口速度,k,ε為速度的函數。

3) 出口:設水口出口為出口,即理論上流入的鋼液全部從水口出口流出去。

4) 初始條件:初始時刻,Z=0～1 025 mm高度范圍內(整個水口內)為鋼液,鋼液流動。

1.4 網格劃分

將整個中間包水口作為計算域,為了縮短計算時間并提高計算精度,將水口分成五部分,劃分網格大約207 400。

2 不同結瘤情況對鋼液流場的影響

以150 mm×150 mm的小方坯為研究對象,浸入式水口選用直筒型,浸入式水口與中間包連接形式為組合型[5-6],生產不銹鋼,拉坯速度為2.3 m/s,開口度為66%,夾雜物為Al2O3,無Ar吹入。

2.1 無結瘤模擬

由圖1可見,正常情況時,從中間包上水口進入的鋼液由于水口喉部的直徑減小,鋼液流速增大。當鋼液從上水口進入到浸入式水口時,由于浸入式水口上端部分直徑突然增大,在浸入式水口內壁死區形成對稱的渦旋,此時鋼液流速降低,鋼液繼續向下流過水口,由于下端水口直徑變小,鋼液流速又繼續增大,在出水口時,鋼液以很強的射流流出。

圖1 正常情況下,截面流場圖和速度分布云圖

對圖1進行分析可知,不存在結瘤情況時,在距離入口處100 mm截面位置,鋼液的速度范圍為(8.88～9.87)×10-1m/s之間,取平均值,則鋼液的流速約為0.94 m/s。

2.2 點結瘤模擬

點結瘤如圖2中陰影部分所示。結瘤首先出現在鋼液進行分流的部分,選取距入口處100 mm截面位置進行點結瘤模擬,作流場圖和速度云圖,如圖3所示。當結瘤不斷聚集時,鋼液通過結瘤部位上端貼近水口內壁部位的鋼液流速降低,通過結瘤截面時,由于水口直徑減小,鋼液流速增大。結瘤位置下端,貼近水口內壁部位的鋼液由于結瘤的阻礙,流速降低。

圖2 點結瘤示意圖

圖3 截面流場圖和速度云圖

由圖3分析計算可知,當鋼液流過結瘤截面位置時,流速由0.94 m/s增大到1.34 m/s。

2.3 環結瘤模擬

環結瘤如圖4中陰影部分所示。

圖4 環結瘤示意圖

選取距入口處100 mm截面位置進行環結瘤模擬,作流場圖和速度云圖,如圖5所示。

當結瘤不斷聚集長大的過程中,即結瘤由點結瘤發展成環結瘤時,相比點結瘤,鋼液在通過結瘤部位時,速度增大的更為明顯。

由圖5分析計算可知,當鋼液流過結瘤截面位置時,流速由0.94 m/s增大到2.32 m/s。

3 不同結瘤情況對鋼液湍動能的影響

正常情況下,點結瘤、線結瘤時鋼液的湍動能云圖,如圖6所示。

由數值模擬分析可見,如6-a圖,當水口內沒有結瘤時,水口上端喉部存在湍動能分布。

當存在點結瘤時,即由6-a圖向6-b圖過渡時,水口上端喉部湍動能分布有擴散的趨勢。并在結瘤部位及結瘤下方形成湍動能分布。

當形成環結瘤時,即由6-b圖向6-c圖過渡時,喉部湍動能消失,結瘤部位及結瘤下方形成的湍動能變大并向下擴張出去。

4 結論

1) 在結瘤位置,隨著夾雜物的粘結堆積,結瘤位置出現湍流,并在水口內形成偏流。

2) 點結瘤時,通過結瘤位置的鋼液流速由正常時的0.94 m/s增大到1.34 m/s,增大了1.43倍。

3) 環結瘤時,通過結瘤位置的鋼液流速由正常時的0.94 m/s增大到2.72 m/s,增大了2.89倍。

4) 環結瘤與點結瘤相比,即結瘤不斷粘結堆積長大的過程中,結瘤對鋼液流場的影響越來越顯著。

圖6 截面湍動能云圖

[1]袁方明,王新華,張炯明,等.連鑄中間包水口堵塞的數值模擬[J].金屬學報,2006,42(10):1109-1114.

[2]馮捷,史學紅.連續鑄鋼生產[M].北京:冶金工業出版社,2005:39-44.

[3]蔡開科. 連鑄結晶器[M].北京:冶金工業出版社,2008:261-273.

[4]趙李平,王勇,王鴻盛. 連鑄中間包水口堵塞問題的研究現狀[J]. 煉鋼,2007,23(2):59-62.

[5]吳蘇州,張炯明. 連鑄浸入式水口結瘤現象的研究現狀及發展[J]. 鋼鐵研究學報,2007,19(12):1-4.

[6]舒宏富,劉瀏,劉學華. 寬規格板坯連鑄結晶器浸入式水口的數值模擬[J]. 特殊鋼,2013,34(1):1-4.

[7]張彩軍, 趙鐵成,艾立群. FTSC 薄板坯連鑄中間包內流場及夾雜物運動軌跡的數值模擬[J]. 北京科技大學學報, 2006, 28(11): 1014-1014.

(編輯：劉笑達)

NumericalSimulationonFluidFieldofTundishNozzle

ZHAODingguo,HUANGKai,WANGShuhuan

(SchoolofMetallurgicalandEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009)

The Fluent software was used for numerical simulation of tundish nozzle under normal circumstances to present nodulation flow field morphological changes. Simulation results show that: with billet as the research object, under the conditions of the casting speed of 2.2 m/s, the opening degree of 66%, no argon blowing, and low clogging, the flow velocity of molten steel through twinning tumor position increased less relative to the normal conditions of molten steel flow; with long clogging, the flow velocity of molten steel through nodulation position increased more relative to the normal conditions of molten steel flow.

tudish nozzle; clogging; flow field; numerical simulation

2013-08-09

國家自然基金資助項目(51304060)

趙定國(1981-)，男，河北欒城人，副教授，主要從事煉鋼新技術及高壓冶金方面研究，(Tel)0315-2592091,(E-mail)gyyzhao@163.com

王書恒，男，教授，博士生導師，(E-mail)wshh88@heuu.edu.cn

1007-9432(2014)02-0176-03

TF777

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