單流板坯連鑄中間包結構優化的數值模擬

丁寅 郭鵬 卜志勝 吳軍

摘 要：針對二煉鋼板坯連鑄機澆鑄DC04和SPHC系列鋼種時存在中包水口非金屬夾雜物結瘤頻繁的問題，探討通過優化中間包結構提高夾雜物去除率，并采用數值模擬的方法對優化前后的中間包做了鋼水流場的模擬及夾雜物去除率的計算。實驗結果表明，原中間包中存在短路流，優化后的中間包改善了鋼液的流動狀態，縮短了非金屬夾雜物上浮的距離，顯著提高了夾雜物的上浮率，特別是粒徑為100μm的夾雜物，去除率提高了5.23%。

關鍵詞：中間包；結構優化；非金屬夾雜物；數值模擬；流場

中圖分類號：TF777 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0019-03

Abstract： In order to solve the problem of frequent non-metallic inclusion nodule in ladle nozzle when casting DC04 and SPHC series of steel in the second steel-making slab continuous caster， it is discussed how to improve the inclusion removal rate by optimizing the tundish structure. Numerical simulation method was used to simulate the flow field of the tundish before and after optimization and calculate the removal rate of inclusions. The experimental results show that there is a short-circuit flow in the original tundish， and the optimized tundish improves the flow state of molten steel， shortens the floating distance of non-metallic inclusions， and remarkably increases the floating rate of inclusions， especially the inclusions with a particle size of 100 μm， with the removal rate increased by 5.23%.

Keywords： tundish； structural optimization； nonmetallic inclusion； numerical simulation； flow field

鑄坯中高熔點非金屬夾雜物會破壞鋼的連續性和致密性，嚴重影響了鋼材的質量，減少鑄坯中夾雜物的方法除了盡量減少外來夾雜物對鋼水的污染之外，還有設法促使存在于鋼水中的夾雜物排出[1]。合理的中間包結構有利于鋼水中非金屬夾雜物的上浮和吸附[2]。國內外許多冶金工作者通過優化中間包結構提高鋼水中非金屬夾雜物的去除取得了良好的效果[3-8]。

本文針對二煉鋼板坯連鑄機澆鑄DC04和SPHC系列鋼種時存在中包水口高熔點非金屬夾雜物結瘤頻繁，經常導致結死停機，嚴重影響連鑄機生產能力和鑄坯質量的問題，優化了中間包結構，并采用數值模擬的方法對優化前后的中間包各做了鋼水流場的模擬及夾雜物去除率的計算，具有指導實際生產的價值。

1 數值模擬

1.1 數學模型

1.1.1 基本假設

中間包內鋼水的流動是非常復雜的，為了方便模擬計算且符合鋼水流動的實際狀態，本文假設如下：

（1）鋼液在中間包中的流動為穩態不可壓縮的三維牛頓流體的流動。

（2）夾雜物顆粒的形狀為球形，通過液面渣層的吸附而去除，忽略了其被中包壁面的吸附。

1.1.2 控制方程

為了分析中間包中鋼水的流場，計算不同粒徑夾雜物的上浮率，本文將數值模擬過程分為兩步：

第一步：計算穩態流場。該過程選用標準k-ε雙方程湍流模型，其常數值由Launder和Spalding推薦[9]，控制方程有：

連續性方程：

（1）

動量守恒方程：

（2）

湍動能方程：

（3）

湍動能耗散率方程：

第二步：計算不同粒徑夾雜物的去除率。在收斂穩態流場的基礎上，選用離散相模型，假設球形非金屬夾雜物在中間包內的上浮速度遵守Stokes方程，中間包鋼液中夾雜物的傳輸方程如下：

（5）

假設上浮到頂面的夾雜物全部被渣層吸收，則渣層捕獲夾雜物的公式可表示為：

qjz=Cjzwjz（6）

1.2 邊界條件

（1）中間包入水口：在該處鋼液流的速度方向垂直于自由表面，中間包入口流量、出口流量與結晶器出口流量相同，即根據中間包中鋼液的質量守恒，由結晶器出口截面尺寸、拉速和大包水口尺寸計算得中間包入口速度為1.258m/s。

（2）中間包固體壁面：在該處采用無滑移邊界條件，用壁面函數來處理固體壁面邊界層。

（3）鋼液面：忽略該液面的波動，將其視為自由表面，在該面采用滑移邊界條件，并且設所有變量的法向梯度為零。

（4）中間包出水口：在該處鋼液流的速度方向垂直于自由表面。

1.3幾何模型

原中間包和優化中間包的結構示意圖如圖1、圖2所示。

（a）原中間包的主剖視圖

（b）原中間包的俯視圖

（a）優化中間包的主剖視圖

（b）優化中間包的俯視圖

1.4 數值求解

本文使用商業軟件Fluent進行模擬計算，采用SMPLE壓力-速度耦合算法求解離散后的模型非線性方程，動量方程選用一階迎風格式，設置收斂條件為小于10-5，中間包數值模擬的基本物性參數見表1。

2 結果與分析

2.1 中間包鋼液流場

原中間包對稱面流場圖如圖3所示，從圖中可以看出在注流兩側各形成了一個環流，注流左側是逆時針的環流，右側是順時針的環流，鋼水流過擋墻底部，一部分在擋壩的作用下流向中間包頂部，并在擋壩右側形成了一個順時針的環流，一部分流經擋壩上的水平孔，再沿中間包底面直接流向出口，形成了短路流，這部分鋼水中的夾雜物沒機會上浮，隨鋼液一起進入了結晶器或聚集在中包水口上，嚴重影響了鑄坯質量和連鑄機的生產能力。

優化中間包對稱面流場圖如圖4所示，鋼水在擋墻左側的流動軌跡跟原中間包的相似，但鋼水流過擋墻底部后，流經擋壩斜向上孔的鋼水和其他鋼水一起流向了中間包頂部，縮短了夾雜物上浮的距離，并在擋壩右側形成了一個順時針的大環流，延長了鋼水在中間包的停留時間，為夾雜物的上浮提供了更多的機會，從而提高了中間包鋼水中非金屬夾雜物的去除率。

2.2 夾雜物去除率

原中間包和優化中間包中不同粒徑夾雜物的去除率如圖5所示，優化中間包中各粒徑夾雜物的去除率明顯高于原中間包中相同粒徑夾雜物的去除率，特別是粒徑為100μm的夾雜物，優化中間包中的去除率要高于原中間包5.23%。這主要是因為擋壩上的孔由水平方向變為斜向上之后，消除了原中間包底部的短路流，使流經擋壩上斜孔的鋼水流向中間包頂部，縮短了夾雜物上浮的距離。

3 結束語

（1）原中間包中一部分鋼水流經擋壩上的水平孔，再沿中間包底面直接流向出口，形成了短路流，這部分鋼水中的夾雜物沒有機會上浮，隨鋼水一起進入了結晶器或聚集在中包水口上。

（2）結構優化后的中間包改善了鋼液的流動狀態，一部分鋼水流經擋壩斜向上孔后和其他鋼水一起流向了中間包頂部，縮短了夾雜物上浮的距離。

（3）優化中間包中各粒徑夾雜物的去除率明顯高于原中間包中相同粒徑夾雜物的去除率，特別是粒徑為100μm的夾雜物，優化中間包中的去除率要高于原中間包5.23%。

參考文獻：

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[7]鐘良才.湍流控制器及大板坯連鑄中間包結構優化[D].沈陽：東北大學，2004.

[8]馮捷，唐德池，包燕平，等.控流裝置對板坯中間包流場優化的影響[J].特殊鋼，2010，31（2）：17-20.

[9]B. E. Launder and D. B. Spalding： Comput. Methods Appl. Mech. Eng.， 3（1974），269.