兩流中間包流場模擬分析

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有限公司，安徽 黃山 245500）

中間包對穩定煉鋼工藝、提高鋼錠毛坯質量具有重要作用。一般在中間包中設置不同形狀的分流器和穩定器，如水壩、堰等，改變內部流動方式，延長鋼液在中間包內的停留時間，使雜質浮起并徹底分離。堤壩的形狀和分布直接影響著除渣效果。針對某鋼廠現有的雙中間包，提出了一種新的分流方法，通過仿真和分析比較了兩種流體在不同結構中間包中的除雜質效果，其結果將證明水平旋轉分流結構除雜質效果的優先性。

1 原中間包模型

煉鋼廠中間包結構如圖1所示，x軸為中間包寬度方向，y軸為長度方向，z軸為中間包高度方向。澆注區與澆注區之間分別設置擋土墻和擋土壩。以Fluent 為基礎，根據煉鋼廠的實際生產數據，計算出入口邊界條件。

圖1 原中間包模型圖

通過對原中間包結構的數值模擬得出仿真結果。從仿真結果中選取了一些圖片，如圖2所示。

圖2 左側中間包截面速度輪廓和軌跡(x=0 m)

由圖2（a）可知，鋼水穿過擋土墻后遇到擋壩的阻擋，以一定角度直沖到渣層。向左側流動時，鋼水會轉向澆口。同時在中間包中形成兩個明顯的軌跡，分別為軌跡1和軌跡2。這兩條流動軌跡代表了大部分新鮮的鋼水。由于其路徑呈回字形，流動距離比直線距離長。但是，鋼水在中間包中的駐留時間是不可預測的（存在往復循環）。在理論計算中，鋼液停留在流道中的時間包含在停留時間內。流道越大，鋼液在其中停留的時間就越長。然而，這種時間上的延長只能影響一部分鋼液。循環比（新鮮鋼液在流道鋼液總量中所占比例）越大，中間包液鋼駐留時間越長。然而，循環比越低，相當于中間包中占據大量流動截面的死區，實際上減少了鋼液的有效流動截面。與圖2流動軌跡相似，有效流動截面的減小意味著中間包內鋼液停留時間減少。另外，直接流向頂部的鋼液，會對頂部雜質層造成沖擊。沖擊會在一定程度上阻礙對懸浮雜質的吸收，甚至會使鋼液表面的雜志再次進入鋼液中[1]。

圖3為中間包左澆注口區域垂直截面上的速度矢量。在流動方向上，兩個漩渦就像兩個嚙合的齒輪一樣運動著，兩個漩渦疊加在澆注口這一點。渦流有向上帶雜質的趨勢，也有向下帶雜質的趨勢。澆注口渦流產生的負壓吸力，易造成中間包頂部的雜質再次被吸入結晶器。因此，中間包中渦流越多，對凈化能力的限制越大。實際上，巨大渦流的存在相當于占據了通道的有效截面。鋼液流動距離雖有延長，但通道面積減小，停留時間并未得到延長。

圖3 x=0 m段下注口區速度矢量

2 雙中間包的側向分流結構

針對原始模型的不足，提出了中間包的側向分布模型，其結構如圖4所示。根據中間包的原始尺寸，拆除擋水壩，并將隔墻向兩端移動305 m。每一側擋土墻保持墻壁的底部開口，其大小是80 mm×60 mm，這些開口是逆時針方向的，因為在當前位置（北半球），重力勢渦的旋轉方向是順時針的。其余部分結構和計算條件不變，仿真結果如圖5所示。

圖4 側向分布的中間包模型結構

圖5為新型模型x=0.4 m截面上的顆粒軌跡，其中鋼液從緩沖區通過中間包一側的開口流向中間包左側。流體以一定的角度向上流動至頂部，然后沿中間包左側圓周流動。最后，鋼液向下流動到澆注口。在這種情況下，中間包形成一個水平的旋轉平面，不僅延長了流動距離，而且減少了流體的垂直翻轉。垂直旋轉和翻轉只能引起湍流和波動，增強了雜質在液體中的擴散，不利于凈化[2]。然而，水平旋轉的流動會延長流動距離，同時也能矯正流動。微小的渦流可以組合成大的渦流，減少垂直方向上的翻轉。流體整體向下旋轉，下落速度較慢，為雜質上浮提供了足夠的時間和空間。一旦上表面為自由表面，則組合漩渦內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)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，相當于被封閉。因此，壓力分布將發生變化，如圖7所示。壓力的核心區將由自由上表面的正壓力變為密閉表面的負壓。因此，在渦流的核心區域和渦流區域將形成相對較大的壓力差。此外，顆粒指向旋轉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會引起周圍流體的加速度。驅動粒子加速度的力稱為附加質量力。當粒子驅動流體的加速度時，流體將以等量的力作用于粒子。一旦粒子和流體一起旋轉，所增加的質量力就是圓周運動的向心力。因此，在水平旋轉流中，密度高的顆粒有向外移動和向下移動的趨勢，而密度低的顆粒則有向上移動和向中心移動的趨勢[4]。

圖8為中間包左側z=0.8 m截面上流體的顆粒矢量圖。可見，水平旋轉的中心位于滯留區右側。渦流核心區的流動速度接近于零，相對于鋼液中雜質的流動速度也為零，有利于雜質上浮[5]，低密度雜質在水平旋轉流中向上和向中心移動的趨勢，這種類型的流動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）。根據速度分布和流動方向，鋼液在中間包的整個空間內旋轉。截面越接近中間包的底部，流體流動越慢。慢的速度分布有利于雜質的上浮。低密度雜質的浮力與顆粒的直徑成正比。液體流動越快，對顆粒的相對附著力越大，其承載能力也隨之增大。反之亦然，在低速區，顆粒更有可能與鋼液分離。如圖所示，在一個截面中，靠近澆注區域的周邊流體流動速度快于內部流體流動速度。渦流核心區流速最低，適用于雜質聚集。因此，它不會受到來流的影響，從而促進雜質的聚集和上浮。

圖9 中間包左側z=0.6 m截面

模型中，擋墻兩側開口為逆時針方向，使中間包熔池中的液體逆時針旋轉。勢渦受地球自轉的影響，在南半球和北半球分別逆時針和順時針旋轉。為了抵消勢渦的巨大吸力，將流體旋轉方向與勢渦相反，可以顯著減小勢渦引起的壓力梯度和澆注口周邊附件的壓力梯度。因此，中間包內工質逆時針旋轉回降低澆注口周邊的壓力梯度，進而可以減小澆注口的吸力，為雜質上浮提供了有利條件。

圖10 中間包左側z=0.4 m截面上的速度矢量

圖11 中間包左側z=0.2 m截面上的速度矢量

3 結 論

通過對兩種中間包結構仿真結果的對比分析，可以得出以下結論：

（1）在原有的擋墻、擋壩結構中，流體往復垂直旋轉，不利于雜質上浮，還會對液體表面的雜質層產生沖擊。雜質層的穩定性不能得到保證。通過擋壩和擋土墻，延長鋼液的流動距離。然而，由于流道占據了有效流動空間，實際流動截面會減小。因此，鋼水停留時間的延長是相當有限的。

（2）側向分流的中間包結構將垂直翻轉變為水平旋轉，降低了熔池內的湍流強度，降低了鋼水攜帶雜質的可能性。水平旋轉的分離效果有利于雜質的分離、聚集和上浮。同時，水平旋轉為雜質層的穩定性和有效性提供了最有利的條件。

（3）使側向分流和水平旋轉流動與局部勢渦方向相反，降低科氏力，使勢渦的吃水變弱，從而降低澆注口對雜質的吸力。因此，水平旋轉對鋼液的凈化有很大的幫助。