連鑄中間包內(nèi)湍流控制器控流過(guò)程的數(shù)值模擬

2013-06-18  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

1 前言
   
    中間包在穩(wěn)定鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程和提高鑄坯質(zhì)量上扮演著重要的角色,深入研究中間包中鋼水的流動(dòng)格外重要。通常通過(guò)在中間包中加壩、堰及各種湍流控制器(統(tǒng)稱控流裝置)來(lái)改進(jìn)中間包內(nèi)的流動(dòng)。在許多研究中,水模擬和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)被用來(lái)研究各種控流裝置下鋼水的流動(dòng)狀況,這些研究方法對(duì)于改進(jìn)中間包設(shè)計(jì)非常重要。
   
    受模型及水的物性限制,水模擬很難準(zhǔn)確模擬高溫鋼液的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn);鋼水在連鑄過(guò)程中,因?yàn)槔鋮s作用,溫度是不均勻分布的,而水模型很難模擬出溫度差對(duì)流動(dòng)的作用。因此全面考察連鑄情況需要采用數(shù)值模型。
   
    數(shù)值模擬可以用來(lái)優(yōu)化控流裝置的布置從而更好地去除鋼水中夾雜物,不同工況下鋼水的流動(dòng)狀況也同樣需要研究。目前應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)可以系統(tǒng)地對(duì)中間包進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文針對(duì)寶鋼連鑄中間包結(jié)構(gòu)和操作工藝參數(shù),建立描述中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,并用ANSYS-CFX軟件求解方程,研究控流裝置對(duì)鋼水的流動(dòng)特性及停留時(shí)間的影響,對(duì)低壩位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并用水模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

2 數(shù)學(xué)模型

    2.1控制方程
   
    中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程,但由于澆注過(guò)程中,鋼液溫度基本保持不變,可簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)的三維湍流流動(dòng)。描述中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)傳熱的方程由連續(xù)性方程、3個(gè)方向的動(dòng)量方程(Navier-Stokes。方程,簡(jiǎn)稱N-S方程)、能量方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程所組成。在湍流狀況下示蹤劑的運(yùn)動(dòng)方程為:

    這里ρ為混合流體密度,C是示蹤劑的濃度值,即單位體積內(nèi)示蹤劑質(zhì)量,Sc是體積源相,是示蹤劑單位時(shí)間單位體積的剩余質(zhì)量數(shù), Dc示蹤劑的擴(kuò)散系數(shù),本文取;μ1鋼水的湍流粘度,; Sct是示蹤劑的湍流施密特(Schmielt)準(zhǔn)數(shù),本文取0.9。

    2.2研究對(duì)象
   
    以寶鋼4#連鑄機(jī)中間包為研究對(duì)象,分別計(jì)算中間包內(nèi)型為無(wú)壩空包、外方提供方案(表1)和改進(jìn)方案三種模型,長(zhǎng)水口和浸入式水口的內(nèi)徑分別為90mm和70mm,模型結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。

    改進(jìn)方案是對(duì)外方提供中間包方案的改進(jìn),此時(shí)是將遠(yuǎn)端的低壩移至階梯形包底平面的上端。

    2.3邊界條件
   
    寶鋼4#連鑄機(jī)設(shè)計(jì)鑄坯尺寸為1750mmx230mm,拉坯速度為2.2m/min。
   
    鑒于模型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的對(duì)稱性,取模型的一半進(jìn)行計(jì)算。對(duì)稱面上,除了垂直于邊界的速度分量和雷諾應(yīng)力之外,其余所有變量在數(shù)學(xué)上是對(duì)稱的,邊界沒(méi)有擴(kuò)散量通過(guò)。
   
    入口鋼水速度依據(jù)連鑄機(jī)拉速和質(zhì)量守恒計(jì)算確定,方向垂直于入口。入口的湍動(dòng)能kim和湍動(dòng)能耗散率εin由下式確定:

    出口給定壓力邊界條件,相對(duì)靜壓為0(參考?jí)毫橐粋€(gè)大氣壓)。
   
    在金屬-渣界面,采用滑移邊界條件,其余固體壁面看作無(wú)滑移邊界,靠近壁面處的邊界層,采用標(biāo)準(zhǔn)的壁函數(shù)進(jìn)行處理。
   
    在中間包各固體壁面上及自由表面上示蹤劑的濃度為0。

    2.4熱邊界條件
   
    鋼水的物性參數(shù)和中間包散熱參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3。

3 網(wǎng)格劃分與求解
   
    利用ANSYS-ICEM軟件對(duì)建立好的CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,圖2為劃分好的計(jì)算網(wǎng)格,網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)性的貼體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)目大約70萬(wàn)。本文所有方程均用ANSYS-CFX軟件進(jìn)行離散、求解,先求解得到鋼液穩(wěn)定流動(dòng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng),計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)是各變量的計(jì)算殘差均在1x10-5以下,在得到穩(wěn)定的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)后,加入一定量示蹤劑求解瞬態(tài)的三維質(zhì)量傳輸方程,在計(jì)算完設(shè)定的時(shí)間后,得到收斂的瞬態(tài)解。在瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程中,于出口處監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度值隨時(shí)間變化的RTD曲線,從而得到示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。在ANSYS-CFX后處理軟件中觀察計(jì)算所得的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

    根據(jù)RTD曲線,可以直接得到最短停留時(shí)間tmin、出口示蹤劑濃度達(dá)到最大值的時(shí)間tmax,平均停留時(shí)間t,并結(jié)合相應(yīng)的流動(dòng)模型,可以計(jì)算出中間包內(nèi)全混流區(qū)(vd)、活塞流區(qū)(Vp)、死區(qū)(Vd)的體積分?jǐn)?shù),由此分析鋼液的流動(dòng)特征。本文RTD數(shù)據(jù)處理參照文獻(xiàn)處理。數(shù)模結(jié)果的驗(yàn)證是按1:3將模型縮小,進(jìn)行水力學(xué)模擬。水模試驗(yàn)組織過(guò)程參看文獻(xiàn)。

4 計(jì)算結(jié)果及討論
   
    圖3是鋼水流動(dòng)的流線圖,由圖3 (a)可看出當(dāng)無(wú)壩空包情況下,來(lái)自鋼包的高速鋼水沖到中間包底后,向四周散開(kāi),一部分沿著底部向出口流動(dòng),而更多的是流到側(cè)壁后返卷向液面,形成類似螺旋型流線流向出口,由于這種流動(dòng)在離開(kāi)澆注區(qū)域后,迅速分散,所以這種流動(dòng)不利于夾雜物的碰撞、長(zhǎng)大、上浮。而加湍流控制器低壩的方式(如圖3 (b, c)),當(dāng)流速快的鋼水沖到包底后,受到抑制,又逆著鋼水澆注方向流向表面,到達(dá)表面后鋼水沿著表面成水平流動(dòng)方式向出口方向流去,這種流動(dòng)方式將大包注流沖擊區(qū)引起的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)控制在湍流控制器以內(nèi),促使來(lái)自大包中鋼液夾雜物的碰撞與長(zhǎng)大,并且這種流動(dòng)可以將鋼水中的夾雜物帶到液面,因而非常有利于夾雜物的上浮和去除。由圖可見(jiàn),改進(jìn)的外方方案與外方提供方案相比,鋼水沿著表面的水平流動(dòng)距離更長(zhǎng),更能夠去除鋼水中的夾雜物。

    圖4為三個(gè)方案水平上表面速度矢量圖的比較,可以看出,中間包內(nèi)設(shè)置了湍流控制器(如圖4 (h, c))的與無(wú)任何控流裝置的比,中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)速度明顯分成了兩部分,在大包長(zhǎng)水口附近,鋼水流速較快,離開(kāi)湍流控制器附近后,鋼水流速明顯降低。同時(shí)由圖4可知,無(wú)任何控流裝置時(shí),鋼水在上表面的流動(dòng)是從包壁向中心匯集,而有湍流控制器的方案,鋼水的流向是以大包澆注口為中心流向四周。

    圖5是三方案在長(zhǎng)度方向中心位置的速度矢量比較圖,由圖5可以看出在空包包底附近形成了一個(gè)循環(huán)流,這限制了中間包多數(shù)區(qū)域上升流的發(fā)展,因此,這樣的流動(dòng)方式不利于非金屬夾雜的上浮。設(shè)置湍流控制器和遠(yuǎn)端低壩的方案,與無(wú)控流相比,不僅減弱了鋼包注流對(duì)中間包內(nèi)鋼水的沖擊作用,并且在鋼水澆注口附近,鋼水的流向相反,避免了由中間包覆蓋劑引起的卷渣夾雜的可能。湍流控制器和遠(yuǎn)端堤壩的方案在包底附近沒(méi)有循環(huán)流,因而有利于夾雜物上浮,外方提供方案的中間包內(nèi)部靠近表面有一個(gè)循環(huán)流,這也同樣不利于夾雜物的上浮,改進(jìn)方案由于消除了這種循環(huán)流,因而更加有利于夾雜物的去除。從圖5可以看出,在中心截面上,有湍流控制器的方案對(duì)鋼水有一個(gè)明顯的提升,這有利于夾雜物的上浮,而空包方案鋼水大多向包底和出口流動(dòng),這不利于夾雜物的去除。

    
    為提高夾雜物在中間包內(nèi)的去除速度,要求中間包內(nèi)有一個(gè)較大的活塞區(qū),若從有利于夾雜物聚合的角度看,要求有一定的混合區(qū);另外很重要的一點(diǎn),就是要有流向表面的流動(dòng),這有利于夾雜物被保護(hù)渣層吸收.
   
    圖6分別是三種情況下中間包內(nèi)示蹤劑停留時(shí)間分布曲線數(shù)模計(jì)算結(jié)果和水模實(shí)測(cè)結(jié)果,從圖6可以看出,空包時(shí)停留時(shí)間曲線具有tmin。很小的特點(diǎn),說(shuō)明它具有短路流特征,當(dāng)鋼水從大包注入中間包時(shí),鋼水中的夾雜物來(lái)不及上浮就進(jìn)入鑄坯,影響質(zhì)量。而有湍流控制器方案RTD曲線峰值后移,說(shuō)明中間包內(nèi)流體活塞流加強(qiáng),短路流特征得到改善。表4為各模型的RTD曲線的具體分析。它與計(jì)算所得的RTD曲線共同反映了各模型中間包內(nèi)的流動(dòng)特征。表4數(shù)模結(jié)果和水模結(jié)果數(shù)據(jù)非常接近,這進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。  

    從表4數(shù)模結(jié)果可以看出,無(wú)控流裝置時(shí)的空包方案,死區(qū)體積達(dá)到21.7%,中間包的有效容積變小,鋼水在其中的運(yùn)動(dòng)途徑變短,不利于夾雜物的上浮,同時(shí)死區(qū)內(nèi)鋼水溫度降低,容易形成冷鋼而凍結(jié),流場(chǎng)不合理,需要改進(jìn)。加了湍流控制器的方案,中間包內(nèi)鋼水死區(qū)明顯減少,相比較改進(jìn)方案更為理想,死區(qū)體積減少到6.93%,活塞區(qū)體積達(dá)38.84%,它改善了鋼水中夾雜物上浮的條件。

5 結(jié)論
   
    (1)不采用任何流動(dòng)控制裝置存在較大死區(qū),不利于夾雜物上浮,影響中間包排除鋼液夾雜物的作用,所以中間包安裝合理的控流裝置是必要的。
   
    (2)與外方提供方案相比,改進(jìn)的控流方案可以更有效改善鋼水的流動(dòng)狀態(tài),使溫度分布更均勻,更有利于延長(zhǎng)鋼液的停留時(shí)間,降低死區(qū)體積從而使夾雜物的上浮更容易。

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