赵定国,黄 凯,王书桓

(河北联合大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063009)

中间包水口钢液流场的数值模拟

赵定国,黄 凯,王书桓

(河北联合大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063009)

利用Fluent软件,采用数值模拟的方法,研究中间包水口在正常情况下和存在结瘤时流场的形态变化。模拟结果表明:以小方坯为研究对象,拉坯速度为2.3 m/s,开口度为66%,夹杂物为Al2O3,无氩气吹入时,当水口结瘤少时,钢液通过结瘤位置时相对于正常情况下钢液流速增大的少;当水口结瘤多时,钢液通过结瘤位置时相对于正常情况下钢液流速增大的多。

中间包水口;结瘤;数值模拟;钢液流场

连铸过程中钢水经过中间包水口进入到结晶器内,钢水中的高熔点铝酸钙等夹杂物会在水口内壁粘结堆积,造成水口部分或者完全堵塞(结瘤)[1-3]。

随着计算机和数值计算技术的研究,计算流体力学方法迅速发展起来。许多经过验证的数学模型和软件可以深入详细描述冶金反应器内的过程和现象,定量的给出实际运行参数和做出评估,为反应器的设计和生产控制提供依据,CFD(Computational Fluid Dynamics)技术在冶金中也得到了广泛应用。

本文以小方坯为研究对象,采用Fluent软件进行数值模拟,研究不同因素下水口内钢液的流场情况。

1 数学模型

1.1 基本假设[4]

1) 钢液为粘性不可压缩的牛顿流体;

2) 水口内钢液的自然对流不予考虑;

3) 认为水口内的钢液流动是湍流流动;

4) 假定水口内的夹杂物呈球形,在水口内壁均匀分布。

1.2 控制方程

对水口内钢液的流动行为进行数值模拟,需要求解的控制方程包括连续方程、动量方程及湍流k-ε方程。

连续方程

(1)

动量方程

(2)

湍流动能(k)方程

(3)

湍流耗散(ε)方程

(4)

式中:xi,xj分别为张量的方向;Ui,Uj为流场时均速度;ρ为钢液密度;β为体膨胀系数;μ为动力学粘度;μeff为有效粘度系数;k,ε为流体的湍动能和湍动能耗散率;G为湍动能产生率;C1,C2,σk,σε为经验常数。

1.3 边界条件

1) 固体壁面:水口內壁面,对速度、压力使用无滑移边界条件,将k、ε设为零;对壁面附近的区域使用壁面函数法。

2) 入口:设塞棒处于全开状态时的水平环隙为入口,入口处速度大小由拉坯速度、小方坯截面积和环隙面积决定,采用速度入口边界条件。根据拉速,采用流量相等的原理,确定入口速度,k,ε为速度的函数。

3) 出口:设水口出口为出口,即理论上流入的钢液全部从水口出口流出去。

4) 初始条件:初始时刻,Z=0～1 025 mm高度范围内(整个水口内)为钢液,钢液流动。

1.4 网格划分

将整个中间包水口作为计算域,为了缩短计算时间并提高计算精度,将水口分成五部分,划分网格大约207 400。

2 不同结瘤情况对钢液流场的影响

以150 mm×150 mm的小方坯为研究对象,浸入式水口选用直筒型,浸入式水口与中间包连接形式为组合型[5-6],生产不锈钢,拉坯速度为2.3 m/s,开口度为66%,夹杂物为Al2O3,无Ar吹入。

2.1 无结瘤模拟

由图1可见,正常情况时,从中间包上水口进入的钢液由于水口喉部的直径减小,钢液流速增大。当钢液从上水口进入到浸入式水口时,由于浸入式水口上端部分直径突然增大,在浸入式水口内壁死区形成对称的涡旋,此时钢液流速降低,钢液继续向下流过水口,由于下端水口直径变小,钢液流速又继续增大,在出水口时,钢液以很强的射流流出。

图1 正常情况下,截面流场图和速度分布云图

对图1进行分析可知,不存在结瘤情况时,在距离入口处100 mm截面位置,钢液的速度范围为(8.88～9.87)×10-1m/s之间,取平均值,则钢液的流速约为0.94 m/s。

2.2 点结瘤模拟

点结瘤如图2中阴影部分所示。结瘤首先出现在钢液进行分流的部分,选取距入口处100 mm截面位置进行点结瘤模拟,作流场图和速度云图,如图3所示。当结瘤不断聚集时,钢液通过结瘤部位上端贴近水口内壁部位的钢液流速降低,通过结瘤截面时,由于水口直径减小,钢液流速增大。结瘤位置下端,贴近水口内壁部位的钢液由于结瘤的阻碍,流速降低。

图2 点结瘤示意图

图3 截面流场图和速度云图

由图3分析计算可知,当钢液流过结瘤截面位置时,流速由0.94 m/s增大到1.34 m/s。

2.3 环结瘤模拟

环结瘤如图4中阴影部分所示。

图4 环结瘤示意图

选取距入口处100 mm截面位置进行环结瘤模拟,作流场图和速度云图,如图5所示。

当结瘤不断聚集长大的过程中,即结瘤由点结瘤发展成环结瘤时,相比点结瘤,钢液在通过结瘤部位时,速度增大的更为明显。

由图5分析计算可知,当钢液流过结瘤截面位置时,流速由0.94 m/s增大到2.32 m/s。

3 不同结瘤情况对钢液湍动能的影响

正常情况下,点结瘤、线结瘤时钢液的湍动能云图,如图6所示。

由数值模拟分析可见,如6-a图,当水口内没有结瘤时,水口上端喉部存在湍动能分布。

当存在点结瘤时,即由6-a图向6-b图过渡时,水口上端喉部湍动能分布有扩散的趋势。并在结瘤部位及结瘤下方形成湍动能分布。

当形成环结瘤时,即由6-b图向6-c图过渡时,喉部湍动能消失,结瘤部位及结瘤下方形成的湍动能变大并向下扩张出去。

4 结论

1) 在结瘤位置,随着夹杂物的粘结堆积,结瘤位置出现湍流,并在水口内形成偏流。

2) 点结瘤时,通过结瘤位置的钢液流速由正常时的0.94 m/s增大到1.34 m/s,增大了1.43倍。

3) 环结瘤时,通过结瘤位置的钢液流速由正常时的0.94 m/s增大到2.72 m/s,增大了2.89倍。

4) 环结瘤与点结瘤相比,即结瘤不断粘结堆积长大的过程中,结瘤对钢液流场的影响越来越显著。

图6 截面湍动能云图

[1]袁方明,王新华,张炯明,等.连铸中间包水口堵塞的数值模拟[J].金属学报,2006,42(10):1109-1114.

[2]冯捷,史学红.连续铸钢生产[M].北京:冶金工业出版社,2005:39-44.

[3]蔡开科. 连铸结晶器[M].北京:冶金工业出版社,2008:261-273.

[4]赵李平,王勇,王鸿盛. 连铸中间包水口堵塞问题的研究现状[J]. 炼钢,2007,23(2):59-62.

[5]吴苏州,张炯明. 连铸浸入式水口结瘤现象的研究现状及发展[J]. 钢铁研究学报,2007,19(12):1-4.

[6]舒宏富,刘浏,刘学华. 宽规格板坯连铸结晶器浸入式水口的数值模拟[J]. 特殊钢,2013,34(1):1-4.

[7]张彩军, 赵铁成,艾立群. FTSC 薄板坯连铸中间包内流场及夹杂物运动轨迹的数值模拟[J]. 北京科技大学学报, 2006, 28(11): 1014-1014.

(编辑：刘笑达)

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

国家自然基金资助项目(51304060)

赵定国(1981-)，男，河北栾城人，副教授，主要从事炼钢新技术及高压冶金方面研究，(Tel)0315-2592091,(E-mail)gyyzhao@163.com

王书恒，男，教授，博士生导师，(E-mail)wshh88@heuu.edu.cn

1007-9432(2014)02-0176-03

TF777

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