六流中間包夾雜物去除的物理與數(shù)學模擬實驗研究

何 博，李勤勇，徐學華， 王寶峰, 黃 軍， 張亞坤

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

六流中間包夾雜物去除的物理與數(shù)學模擬實驗研究

何 博1，李勤勇1，徐學華1， 王寶峰2, 黃 軍2， 張亞坤2

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

以某鋼廠六流對稱小方坯連鑄中間包為研究原型，采用水力學試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究多孔擋墻對中間包內(nèi)夾雜物去除率的影響，并得到最優(yōu)的中間包結(jié)構。實驗結(jié)果表明，在中間包未添加多孔擋墻控流裝置時，中間包夾雜物的去除率很小，水力學實驗結(jié)果為61.51%，數(shù)值模擬實驗結(jié)果為73.3%;采用優(yōu)化后的30°多孔擋墻型擋墻后，中間包的夾雜物去除率得到明顯改善，水力學實驗結(jié)果為82.45%，數(shù)值模擬實驗結(jié)果為83.0%，多孔擋墻的添加有助于中間包中夾雜物的去除。

中間包、水力學實驗、數(shù)值模擬、擋墻、夾雜物

0 前言

鋼的連鑄生產(chǎn)設備是一個由鋼包、中間包和結(jié)晶器等3個冶金反應器串聯(lián)布置的高溫反應體系[1]。中間包是鋼鐵的連鑄生產(chǎn)過程中由間歇生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)變成連續(xù)生產(chǎn)過程的過渡設備，中間包最初的作用主要包括分流作用、連澆作用、減壓作用和保護作用[2, 3]。隨著鋼鐵生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展和對鋼水潔凈度要求的越來越高，中間包的冶金功能越來越受到人們的重視，相關工作者也對其進行了大量科學研究，一般通過分析水力學實驗和數(shù)值模擬實驗中鋼液停留時間分布曲線(RTD)和流場分布情況[4, 5]，來間接判斷中間包的夾雜物去除情況。為了更加直觀的判斷中間包對夾雜物的去除情況，本文采用水力學實驗和數(shù)值模擬的方法，對優(yōu)化前后中間包夾雜物的去除能力進行直接研究。

本次夾雜物去除試驗中，水力學實驗部分應用中國重型機械研究院剛剛建立的PXI連鑄綜合模擬實驗平臺進行試驗，采用空心玻璃微珠來模擬夾雜物；數(shù)值模擬實驗部分，應用ANSYS軟件對實驗對象進行相關的夾雜物去除實驗。

1 實驗方案

根據(jù)中重院提供的圖紙，固定“T”型區(qū)內(nèi)部的控流裝置，改變擋墻的結(jié)構，分析獲得最優(yōu)的擋墻結(jié)構，然后利用固定后的擋墻結(jié)構 ，選取優(yōu)化的“T”型區(qū)內(nèi)部的控流裝置。以某鋼廠六流小方坯中間包為研究對象，該中間包容量6 m3，長水口內(nèi)徑60 mm，插入深度300 mm，出水口內(nèi)徑30 mm，中間包穩(wěn)定操作液面高度800 mm，鑄坯斷面尺寸為180 mm×240 mm，正常拉坯速度為1.1 m/min，優(yōu)化前后中間包結(jié)構如圖1所示，其尺寸參數(shù)見圖2。

圖1 原中間包(左)和優(yōu)化后中間包(右)Fig.1 Original tundish (left) and optimized tundish (right)

圖2 優(yōu)化后中間包的尺寸參數(shù)Fig.2 Dimension parameters of optimized tundish

為了便于對實驗結(jié)果進行說明，對不同實驗下的中間包進行編號，實驗編號見表1。

表1 實驗方案編號

2 實驗方法

2.1 水力學實驗

2.1.1 實驗原理

過去的大量研究工作已經(jīng)證實,中間包擋墻設置首先要考慮如何保證鋼水注入中間包后先形成一個穩(wěn)定的充分混合區(qū),離開混合區(qū)的鋼水還要經(jīng)過一個較長的活塞流區(qū)而最終到達出口。從有效去除夾雜物的冶金要求出發(fā),保證活塞流流股上揚也是一個必須考慮的問題。

水力學實驗中模型與原型之間的比例為1∶2，實驗中要保證幾何模型與中間包原型之間幾何相似和動力相似[6]。對于幾何相似,在根據(jù)國內(nèi)外文獻報道和實驗條件, 選用有機玻璃作為制作材料，按照特定比例縮小制作中間包幾何模型，同時保證模型的內(nèi)部結(jié)構與原形相同；在滿足動力學相似方面,由于選擇的中間包內(nèi)部水的流動狀態(tài)與實際中間包中液體流動狀態(tài)均已處于同一自模化區(qū)，第二自模化區(qū),因此試驗中只要保證模型與實型弗魯?shù)聹蕯?shù)Fr相等即可實現(xiàn)動力學相似。由此計算出模型所對應于原型的體積流量[7],即

Qm=λ2.5Qp

式中,Qm和Qp分別為模型和原型的流體體積流量,m3/h。

在水力學試驗中進行夾雜物去除的實驗時，采用空心玻璃微珠來模擬鋼液中夾雜物。在對中間包中的夾雜物模擬方面,Sahai和Emi提出[8]，水模型中的夾雜物與原型中的夾雜物的在尺寸和密度方面與流體密度存在著定量關系,即

式中，R為半徑,m；ρ為密度,kg/m3；下標m和p分別代表模型和原型，下標inc、st和w分別代表夾雜物、鋼液和水。

從公式中可以知道,模型與原型的夾雜物密度不必嚴格滿足相似第二定律要求,即模擬夾雜物與水的密度之比等于夾雜物與鋼液的密度之比,也可以近似模擬實際鋼液中夾雜物的運動行為。本實驗采用具有一定粒度范圍的空心玻璃微珠來模擬夾雜物。圖3為實驗所用到的連鑄中間包綜合水力學模擬實驗平臺。

圖3 水力學實驗平臺示意圖(左)和實驗平臺現(xiàn)場圖(右)Fig.3 Schematic diagram (left) and field graph (right) of the hydraulic experimental platform

2.1.2 實驗過程

夾雜物實驗步驟為：

(1)首先稱重10 g的模擬夾雜物顆粒物(夾雜物的尺寸為密度400～500 g/cm3，特征尺寸為60～80 μm的空心玻璃珠(漂珠)來對鋼中夾雜物進行模擬)；稱量大約80張吸附用紙的重量并記錄。

(2) 將中間包流場調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，其中液位高度為400 mm，水模型的流量為0.177倍的鋼液流量，水模型的速度為0.707倍的鋼液速度。

(3) 將10 g的夾雜物在長水口附近釋放，夾雜物隨著中間包內(nèi)水的流動而流動，在釋放15 min后，開始利用前面稱量的吸附紙吸附中間包表面的漂珠，這個過程持續(xù)約10 min。

(4)將吸附后的的紙收集，并且干燥，稱量，增重βg。

(5)夾雜的去除率計算為β/10×100%。

通過上述實驗過程及溝通，確定夾雜物實驗的具體步驟，為進一步的實驗開展確定條件。圖4為夾雜物去除實驗過程中所用到的實驗儀器。

圖4 水力學實驗中用到的設備(干燥箱，電子天平，托盤等)Fig.4 Equipment used in hydraulic experiment (drying box, electronic balance, tray, etc.)

2.2 數(shù)值模擬實驗

中間包流場的數(shù)值模擬是通過建立數(shù)學模型，用計算機求解流體運動方程組(質(zhì)量方程、動量方程、連續(xù)性方程、能量方程和組分守恒方程)來對中間包內(nèi)的鋼液流動進行數(shù)值模擬[9]。

2.2.1 基本假設

連鑄中間包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)復雜，在建立數(shù)學模型時，做如下基本假設：

(1)中間包內(nèi)鋼水的流動為穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮；

(2)中間包內(nèi)的流動為高雷諾數(shù)湍流流動；

(3)忽略表面渣層的影響，中間包鋼液液面穩(wěn)定。

(4)忽略鋼液溫度的變化，認為中間包內(nèi)鋼液溫度恒定。

2.2.2 控制方程

控制方程如下:

(1)連續(xù)性方程。

?ui/?xi=0

(1)

(2)動量方程。

(2)

(3)湍動能方程。

(3)

(4)湍動能耗散率ε方程。

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)中,xi,xj為張量表示的方向;ρ為鋼水密度, kg/m3;P為壓力,Pa;Ui,Uj為流場時均速度;t為時間,s;μ為動力學黏度,Pa·s;μt和μeff分別為湍流黏度系數(shù)和有效黏度系數(shù),Pa·s;g為重力加速度, m/s2;K為流體的湍動能,m2/s2;ε為湍動能耗散率,m2/s3;G為湍動能產(chǎn)生率;方程式(3)～(5)中的系數(shù) ,σk,σe,C1,C2,Cd為經(jīng)驗常數(shù),采用勞德(Launder)和斯帕丁(Spalding)推薦值:σk=1.0,σe=1.3,C1=1.43,C2=1.93,Cd=0.09。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

由于中間包結(jié)構比較復雜，所以對模型網(wǎng)格采用分體劃分，使用六面體及四面體混合網(wǎng)格，并測試網(wǎng)格的劃分對影響計算的最終結(jié)果。數(shù)值模擬過程中采用的網(wǎng)格數(shù)為280萬左右，同時對長水口和浸入式水口速度梯度較大地方進行網(wǎng)格局部加密。

2.2.4 邊界條件

求解控制方程，必須給出相應的邊界條件，結(jié)合其不同的特點，模型邊界條件如下:

(1)水口邊界條件。鋼液從大包經(jīng)過長水口流入中間包，入口的速度通過拉速和鑄坯尺寸由質(zhì)量守恒定律確定，入口的湍流動能及湍流動能耗散率根據(jù)經(jīng)驗公式取值。

式中，Dinlet為入口的直徑,kinlet為湍流動能，εinlet為湍流動能耗散率。

(2)出口邊界條件。中間包的出口邊界為自由出流邊界。

(3)壁面邊界條件。對中間包的上表面邊界條件中的“DPM”設置為“trap”，其他壁面設置為“feflect”,同時各個壁面上，對速度、壓力、濃度使用無滑移邊界條件。

3 夾雜物去除率實驗結(jié)果

在實驗測試過程中，分別對同一工況中間包重復進行5次水力學實驗和數(shù)值模擬實驗，取五次結(jié)果的平均值作為該工況中間包夾雜物率。表2詳細記錄了各工況中間包每次的實驗結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)無論是水力學實驗結(jié)果還是數(shù)值模擬實驗結(jié)果，優(yōu)化前的中間包夾雜物去除率(水力學實驗結(jié)果去除率61.51%，數(shù)值模擬實驗結(jié)果73.3%)均低于優(yōu)化后中間包的夾雜物去除率(水力學實驗結(jié)果去除率82.45%，數(shù)值模擬實驗結(jié)果83.3%)，兩種實驗結(jié)果在一定程度上說明在添加多孔擋墻后，中間包內(nèi)的流體流動狀況得到優(yōu)化，在一定程度上增大了鋼液的平均停留時間，同時多孔擋墻的通道具有上揚的的角度，使得流體向上運動的趨勢得到加強，其流動方式的改變更加有利于鋼液中夾雜物的上浮，進一步減小鋼中出現(xiàn)夾雜物的幾率。圖5為中間包夾雜物去除率的的折線圖，從中可以直觀的分析出中間包去除夾雜物能力的優(yōu)劣。

表2 中間包夾雜物去除率

注：H-1為優(yōu)化前中間包水力學實驗結(jié)果；H-2為優(yōu)化后中間包水力學實驗結(jié)果；M-1為優(yōu)化前中間包數(shù)值模擬實驗結(jié)果；M-2為優(yōu)化后中間包數(shù)值模擬實驗結(jié)果。

圖5 中間包夾雜物去除率水力學實驗和數(shù)值模擬實驗結(jié)果Fig.5 Experimental and numerical simulation results of inclusion removal rate in tundish

4 結(jié)論

(1)通過中國重型機械研究院建立的中間包綜合試驗平臺，對優(yōu)化前和優(yōu)化后的中間包分別進行夾雜物去除實驗，發(fā)現(xiàn)添加多孔擋墻后，中間包的夾雜物去除能力得到提升，優(yōu)化前中間包去除率為61.51%，優(yōu)化后的中間包夾雜物去除率為82.45%。

(2)通過ANSYS軟件對中間包進行夾雜物去除率數(shù)值模擬實驗，優(yōu)化后的中間包夾雜物去除率為83.0%，優(yōu)化前中間包去除率73.3%，夾雜物較之前提高10%左右。

(3)實驗結(jié)果表明夾雜物數(shù)值模擬實驗結(jié)果與水力學實驗結(jié)果均表明多孔擋墻的添加有效地提升了中間包夾雜物去除能力，兩者相互驗證，從而有力說明實驗結(jié)果的可靠性。

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Study on inclusions removal of six-strand tundish by methods of physical and mathematical simulation

HE Bo1, LI Qin-yong1,XU Xue-hua1, WANG Bao-feng2, HUANG Jun2, ZHANG Ya-kun2

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China；2. Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China)

Taking tundish of six-strand symmetric billet casting as the research object in a steel plant, the effect of porous retaining wall on the inclusion removal rate in tundish was studied by hydraulic test and numerical simulation. And the optimal tundish structure was obtained at last. The experimental results showed that the inclusions removal rate of prototype tundish is low, and the hydraulic experimental result was 61.51%, and numerical simulation result was 73.3%, when tundish weren’t fitted with porous retaining wall installations. The inclusion removal rate of the tundish was improved obviously by used with 30- degree porous retaining walls. The hydraulic experimental result was 82.45% and numerical simulation result was 83%. Respectively, the addition of porous retaining wall was helpful for inclusions removing in tundish.

tundish; hydraulic experiments; numerical simulation; retaining wall; inclusion

2016-04-18；

2016-06-03

何博(1978-)，男，中國重型機械研究院股份公司高級工程師。

TF777

A

1001-196X(2016)04-0030-05