中间包结构对钢液流动及夹杂物去除的数值模拟研究_李中华.pdf

基金项目：河北省自然科学基金项目（）；河北省省级科技计划项目（）通信作者：陈威（），男，博士生；：；收稿日期：中间包结构对钢液流动及夹杂物去除的数值模拟研究李中华，田伟，吴飞鹏，陈宏亮，陈威，王新东，张立峰（河钢集团 唐钢公司，河北 唐山 ；燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 ；河钢集团有限公司，河北 石家庄 ；北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 ）摘要：依据河钢集团唐钢新区 中间包建立三维数值模型，讨论对比了不同中间包结构包括湍流抑制器、挡墙和挡坝对钢液液位波动、速度分布、停留时间以及夹杂物上浮去除的影响。钢液湍流运动通过求解 模型实现，钢液停留时间通过求解浓度标量方程（，）实现，夹杂物上浮去除则通过求解离散相模型（，）得到。结果表明，带檐湍流抑制器和开口湍流抑制器下中间包上水口附近的液面波动较大，是不设置湍流抑制器的情况的倍；而带挡板湍流抑制器下钢液在挡板之间形成循环流动，液位波动较小，甚至小于无湍流抑制器的情况；中间包内挡墙和挡坝同时存在时增加了钢液在中间包的移动距离，有利于夹杂物的上浮去除；在目前条件下，挡墙和挡坝分别距离中间包宽度中心 和 时钢液平均停留时间较长以及夹杂物上浮去除率较高。关键词：液位波动；湍流抑制器；挡墙和挡坝；停留时间；中间包中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，（，），（），年月第 卷 第期炼钢 ：；连铸中间包作为炼钢生产流程的关键装置，有着连接钢包内二次精炼过程和结晶器内浇铸过程的重要作用。随着几十年的发展，中间包由最初的过渡、缓冲和分配钢液等功能已逐渐发展成为具有吹气操作、促进夹杂物上浮去除、夹杂物改性、部分合金化过程、过热度控制和温度均匀化控制等多重冶金功能的容器。中间包内结构直接影响其内部流场、温度场分布，进而会影响中间包的冶金效果、夹杂物去除效率。湍流控制器对降低长水口钢液射流的湍动能、均匀钢液温度和成分、聚拢射流让其转向向上流动降低死区体积分数、延长平均停留时间和优化流场结构具有很好的作用。协同发挥的控流效果，优于单一控流装置的效果。王爱东等人通过数值模拟对中间包内湍流抑制器的内径、高度等参数进行了研究和优化，并得到了湍流控制器配合不同设置挡墙挡坝的最佳中间包结构。黎雯等人基于数学模型研究了方形有檐旋流型湍流抑制器对中间包流场的作用特点。结果表明旋流型湍流抑制器与普通湍流抑制器相比，湍动能降低明显，自由表面钢液流动速度要更小，并且从湍流抑制器侧壁上流出的向上运动的钢液可有效减少中包内短路流的发生。刘崇林等人通过数理模拟的方法对不同结构的中间包进行钢液流场及温度场的研究来提高夹杂物在中间包内的上浮去除效果，结果表明增加挡坝能够使钢液流动更加活跃，温差也减小。等人的研究表明当中间包内设置湍流抑制器和挡坝时各流出口位置示踪剂浓度分布均匀，返混流比例降低，活塞流比例增大。等 研究了中间包内设置不同控流装置时钢液的流动行为。研究了湍流抑制器和挡板对中间包入口冲击区速度和湍流强度的影响。此外，不同中间包结构对停留时间也有重要影响 。因此，为了研究河钢集团唐钢新区 中间包不同湍流抑制器对液位波动以及不同挡墙、挡坝分布对流场和夹杂物去除的影响，通过建立三维中间包数值模拟模型研究了不同中间包结构的影响并得到了优化后的结构参数。计算域及数值模拟模型 计算域及网格分布该研究以唐钢新区中间包为原型，基于计算流体力学（）软件 建立了三维钢液流动及夹杂物去除数值模型。中间包正常工况下为，浇铸液位深度为 ，浇铸速度为 。具体模型示意图及网格分布如图所示，网格数量为 万。为了减小目前湍流抑制器下液位波动剧烈的问题，该研究讨论了不同湍流抑制器对液位波动以及不同挡墙、挡坝分布对流场和夹杂物去除的影响。图计算域及网格示意图 数值模型假设中间包内空气、钢液为不可压缩黏性流体；考虑温度对密度的影响，采用 假设处理热浮力对流动的影响；假定整个过程中结晶器拉速不变。该研究采用单相流动对中间包内流体流动进行模拟研究，湍流模型选用 模型。连续性方程为：（）（?）（）动量方程：第期李中华，等：中间包结构对钢液流动及夹杂物去除的数值模拟研究（?）?（?）（）?（）湍动能及耗散率方程：?（）（）（）（）?（）（）（）?（）.，（）（）?（）?（）为计算钢液在中间包内的停留时间，在入口加入一 定 量 的 示 踪 剂，并 求 解 如 下 标 量 方 程（，）方程：（）（?）（）（）式中：为钢液密度，；?为钢液速度，；为压力，；为运动黏度，；为湍流动能，；为湍动能耗散率，；平均速度梯度引起的湍动能的增加，（）；?为变形率，；，；为无量纲示踪剂浓度；为湍流施密特数，在计算中取值为。夹杂物运动轨迹采用离散相模型（，）进行模拟计算，根据夹杂物受力方程求解其运动，考虑了曳力、重力、浮力、虚拟质量力、压力梯度力对其运动的影响。以上相间作用力的具体计算可参见先前的研究 。?（?）（）?（）?（）计算过程中入口采用速度入口边界条件，速度值根据断面尺寸及拉速换算为 。出口边界条件为压力出口。流场计算稳定后从入口均匀地投入不同直径的夹杂物，具体如表所示。假定夹杂物运动至钢液上表面去除，出口处则设置为逃逸边界条件，其余壁面为反弹边界条件。本文采用计算流体动力学软件 对上述多相湍流模型进行求解。采用 求解方法，连续性方程、动量方程、湍流方程和 方程求解精度为二阶，以上计算残差值小于 时进行下一步迭代，计算时间步长为 。表注入夹杂物数量、直径及时间 ，夹杂物直径个数注入时间 模型验证为了验证数值模型的正确性，对比了该研究预测得到的停留时间分布结果与 等人 在相类似中间包下得到的结果，如图所示。可以看出，二者的停留时间分布结果基本一致，死区体积分数也十分接近，因此，可以验证该研究的数值模拟结果的准确性。图本研究停留时间分布曲线与 等人结果 的对比 湍流抑制器对液位波动的影响在中间包浇铸过程中，从长水口流入的钢液冲击到中间包底部之后向四周流动和扩散，这是一个强湍流的过程。因此，通常在中间包底部长水口出口对应位置设置湍流抑制器，来减弱湍流作用。该研究对比了不使用湍流抑制器、带檐湍流抑制器、开口湍流抑制器和带挡板湍流抑制器的影响，并计算了各种中间包冲击区底部设置的 炼钢第 卷不同情况对中间包内液面波动的影响。其中，由于该研究所采用的计算模型为单相，因此采用上表面的压力变化转化为其液面波动的情况，计算公式如下：（）（）式中：为钢液上表面的静压力，；为钢液上表面的平均静压力，；为钢液密度，；为渣相密度，。基于上述方法，首先计算了无湍流抑制器情况下中间包钢液面的波动情况，如图所示。当中间包内不设置湍流抑制器时，钢液从长水口流出冲击到中间包底部，由于没有湍流抑制器的限制，钢液大多会向四周运动开，在中间包窄边壁面间则形成环流，致使钢液运动到中间包窄边壁面后，继续向上运动从而导致中间包在窄边壁面处的液位波动较大。但从整体看，中间包的液位波动较小，在 左右。然而，当不设置湍流抑制器时，向宽面运动的钢液则很容易运动到塞棒附近，从而从中间包流出进入结晶器，这样一来，就缩短了中间包内钢液的停留时间，不利于夹杂物的去除。因此，在实际中，需要综合考虑是否需要设置湍流抑制器。图无湍流抑制器时液位波动分布 图为带檐湍流抑制器的情况，当在湍流抑制器处设置一个屋檐限制钢液的流动时，中间包上水口附近的液面波动较大，是不设置湍流抑制器的情况的倍，分析原因是由于湍流抑制器对钢液起到了汇聚效果，导致其速度增加而向上运动到钢液面表面引起波动。图为向上开口湍流抑制器的情况。当只在中间包底部设置一个放行凹槽时，湍流抑制器对钢液的作用与带檐的湍流抑制器类似，在角部对应的位置，液位波动较大。整体的长水口附近的液位波动也大于无湍流抑制器的情况。图带檐湍流抑制器下液面波动分布 图开口湍流抑制器下液面波动分布 最后设计了带挡板的湍流抑制器，如图所示，挡板在湍流抑制器内非对称分布，而是交错排布。在此种设计条件下，中间包的液位波动较小，最大值在 左右，液位相比于以上种情况最为平整。表明，此种湍流抑制器设计能够很好地减缓中间包上表面的液位波动。为分析这一现象的原因，输出了对应的中间包内钢液的速度流线 图，如图所示。由冲击区的俯视图，可以看图带挡板湍流抑制器下液面波动分布 第期李中华，等：中间包结构对钢液流动及夹杂物去除的数值模拟研究到，钢液从长水口进入湍流抑制器后，向各挡板间运动，之后在挡板之间形成循环流动，部分钢液从湍流抑制器流出也是围绕中间包中心的环形流动，而非直接向上流动的冲击性较大的流动。因此，当设置带挡板的湍流抑制器时，能够很好地抑制中间包内长水口附近液位波动的情况。图带挡板湍流抑制器下流线分布 挡墙及挡坝对流场分布的影响图显示了挡坝距中间包宽度中心位置距离对速度分布的影响。钢液顺着长水口以非常高的速度冲击湍流抑制器底部，因此，在长水口周围存在向上运动的钢液回流。此外，挡坝的存在使得钢液沿着挡坝向上运动，到达顶部钢液面后向塞棒位置流动。在挡墙和中间包塞棒之间钢液速度分布均匀，且速度大小相对稳定，当挡坝距中间包宽度中心位置距离为 和 时，中间包挡坝后侧存在一定的死区，钢液运动缓慢，不利于中间包内夹杂物的上浮去除。图挡坝距中间包宽度中心位置距离对速度分布的影响 炼钢第 卷图显示了挡墙和挡坝对速度分布的影响。当中间包内只有挡墙时，钢液冲击到湍流抑制器底部后，沿着中间包包底直接流向出口，没来得及与上半部分钢液充分混合，挡墙两侧的流动速度整体偏小，平均停留时间较小；当只有挡坝时，钢液被挡坝抬升一定高度后流过挡坝，但是当钢液流过挡坝后，整体速度下降；当既有挡墙又有挡坝时，钢液沿着长水口冲向湍流抑制器底部后，向上流向中间包液面，因为挡墙的阻挡，迫使钢液从挡墙下面通过，再加上挡坝的抬升作用，从而增加了钢液在中间包的移动距离，夹杂物有充分的时间上浮去除。图挡墙和挡坝对速度分布的影响 挡墙及挡坝对停留时间及夹杂物去除的影响当中间包流场计算稳定后，在中间包入口处加入理想示踪剂，在出口监测示踪剂的浓度变化；并得到停留时间分布曲线（），以此用来反映钢液的流动和混合的情况。不同挡墙和挡坝分布情况下钢液的停留时间如图 所示，通过式（）可求得不同工况下钢液的平均停留时间。平均停留时间越长，有助于夹杂物充分上浮去除，所以当挡墙和挡坝分别距离中间包宽度中心 和 时最优。?（）图 停留时间分布 不同挡墙和挡坝分布情况下夹杂去除率分布第期李中华，等：中间包结构对钢液流动及夹杂物去除的数值模拟研究如图 所示。可以看出夹杂物直径小于 时，夹杂物上浮去除率随着夹杂物直径的增大变化不大，但大于 时上浮去除率迅速增大。并且 挡 墙 和 挡 坝 分 别 距 离 中 间 包 宽 度 中 心 和 时，夹杂物去除率最大，这与钢液平均停留时间分布结果相一致。图 夹杂物上浮去除率分布 结论）带檐湍流抑制器下中间包上水口附近的液面波动较大，是不设置湍流抑制器的情况的倍；开口湍流抑制器对钢液的作用与带檐的湍流抑制器类似，在角部对应的位置，液位波动较大；而使用带挡板湍流抑制器时钢液在挡板之间形成循环流动，部分钢液从湍流抑制器流出也是围绕中间包中心的环形流动，而非直接向上流动的冲击性较大的流动，因此，中间包的液位波动较小，甚至小于无湍流抑制器的情况。）只有挡墙分布时挡墙两侧的流动速度整体偏小，平均停留时间较小；只有挡坝分布时钢液被挡坝抬升一定高度后流过挡坝，但是当钢液流过挡坝后整体速度下降；而挡墙和挡坝同时存在时增加了钢液在中间包的移动距离，有利于夹杂物的上浮去除。）根据钢液平均停留时间以及夹杂物上浮去除率结果表明，在目前条件下，挡墙和挡坝分别距离中间包宽度中心 和 时最优。参 考 文 献 ，（）：，（）：，（）：，（）：刘逸波，杨健中间包流场控制技术的进展连铸，（）：王爱东，徐海芳，傅秋华，等薄板坯连铸中间包流场数值模拟与优化连铸，（）：黎雯，金焱，方开元，等装备方形有檐旋流型湍流控制器的中间包流场数值模拟研究铸造技术，（）：刘崇林，崔衡，李源源，等双流板坯中间包结构优化的数理模拟研究冶金设备，（）：，（）：，（）：，（）：雷洪，赵岩，鲍家琳，等多流连铸中间包停留时