薄板坯連鑄中間包流場(chǎng)數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

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薄板坯連鑄中間包流場(chǎng)數(shù)值模擬與優(yōu)化研究王愛(ài)東1 徐海芳2 傅秋華3 李波1（1唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司檢修分公司，唐山，063016； 2唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，唐山，063001； 3濮陽(yáng)濮耐高溫材料…

薄板坯連鑄中間包流場(chǎng)數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

王愛(ài)東1  徐海芳2  傅秋華3  李波1  

（1唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司檢修分公司，唐山，063016；  2唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，唐山，063001； 3濮陽(yáng)濮耐高溫材料（集團(tuán)）股份有限公司，濮陽(yáng)，457100 )

摘  要：基于CFD仿真平臺(tái)對(duì)中間包的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和優(yōu)化，湍流控制器是中間包流場(chǎng)的主要元件，設(shè)計(jì)、分析了痰盂型湍流控制器的內(nèi)徑、高度等參數(shù)與沖擊區(qū)湍動(dòng)能的關(guān)系；研究了不同設(shè)置的痰盂型湍流控制器配合擋墻擋壩的中間包結(jié)構(gòu)，得到了最佳的中間包結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：中間包；湍流控制器；流場(chǎng)；夾雜物  

NumericaI SimuIation and 0ptimization of Flow Field in FTSC Tundish  

  WANG Aidong 1  XU Haifang2   FU Qiuhua3   Libo1 

(1.Maintenance and Repair Department of Tangshan Iron and Steel Group ,Ltd., Tangshan Hebei 063016, China  2.Tangshan Vocational College of Science and Technology, Tangshan Hebei 063001, China  3.Puyang Refractories Group Co.,LTD,Puyang Henan 457100, China )

 

Abstract：NumericaI simulation and optimization of flow field in FTSC tundish were studied based on finiteelement analysis software CFD. The inhibitor is the important unit of the tundish flow-control. The regular between the parameter  ( inlet radius and inner height) of the inhibitor and  tubulence energy were studied.Several different of weir-dam arrangement in the flow controI devices were compared．Finally，the best inner structure of  tundish was obtained.

Key Words：tundish；inhibitor；flow field；inclusions

0前言 

中間包冶金是一項(xiàng)特殊的爐外精煉技術(shù)，在連續(xù)鑄鋼技術(shù)的發(fā)展初期，中間包只是作為鋼液的儲(chǔ)存和分配器來(lái)使用。隨著人們對(duì)鋼精度要求的提高，中間包的冶金作用開(kāi)始受到重視，要求其具有分流、連澆、減壓、保護(hù)鋼液、清除雜質(zhì)作用。中間包控流元件的設(shè)置對(duì)包內(nèi)非金屬夾雜物的上浮起著至關(guān)重要的作用，直接影響到鑄坯的質(zhì)量。對(duì)于較大容量中間包，中間包內(nèi)的鋼水流動(dòng)復(fù)雜，鋼水流態(tài)控制非常重要，合理的中間包上、下?lián)鯄υO(shè)置能夠有效改善中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)，延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，促進(jìn)夾雜物的上浮去除，使大型夾雜物含量最小化�！�1-3】針對(duì)唐鋼薄板坯連鑄中間包在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的沖擊區(qū)鋼水翻騰嚴(yán)重、鑄坯夾雜物多等問(wèn)題進(jìn)行中間包流場(chǎng)模型優(yōu)化，通過(guò)數(shù)值模擬、分析，提出改進(jìn)方案。

1唐鋼薄板坯中間包結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)

唐鋼薄板坯連鑄中間包由達(dá)涅利公司設(shè)計(jì)，并結(jié)合中間包干式料施工經(jīng)過(guò)湍流控制器的改變，采用湍流控制器和矮擋壩的布置，具體中間包結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖1、表1，該中間包存在澆鋼時(shí)沖擊區(qū)翻騰比較嚴(yán)重問(wèn)題，另外，通過(guò)軋機(jī)板卷質(zhì)量檢測(cè)儀檢測(cè)顯示板卷夾雜物比較多。

表1 唐鋼薄板坯連鑄中間包技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目	參數(shù)
中間包水口	1個(gè)
鑄坯厚度	90 mm
鑄坯寬度	860~1 630 mm
中間包容量	38 t
中間包液位	1 000 mm
塞棒	整體式
塞棒控制方式	液壓缸

2連鑄中間包模型研究與分析

數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)計(jì)算采用基于有限體積法的穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流求解器解算， 湍流模型采用k-εRNG模型，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)處理方式；鋼液視為牛頓流體，忽略鋼液物理參數(shù)的變化對(duì)流動(dòng)的影響；液面視為自由滑移界面，忽略保護(hù)渣層對(duì)鋼液流動(dòng)的影響；針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康�，同時(shí)為了減小計(jì)算規(guī)模，采用軸對(duì)稱二維模型。中間包流場(chǎng)入口（長(zhǎng)水口出口端）鋼液流速通過(guò)拉坯參數(shù)計(jì)算得出；鋼液密度和動(dòng)力粘度分別采用6 940 kg/m3、0.006 293 Pas。

2.1湍流控制器研究

中間包湍流控制器是中間包沖擊區(qū)優(yōu)化的主要元件，湍流控制器的合理設(shè)計(jì)可以有效改善中間包沖擊區(qū)的鋼水流動(dòng)狀態(tài)，針對(duì)實(shí)際澆鋼時(shí)沖擊區(qū)液面翻騰明顯的問(wèn)題，對(duì)湍流控制器進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究。

2.1.1數(shù)學(xué)模型與計(jì)算參數(shù)

圖2所示，D代表長(zhǎng)水口底部插入液面以下深度（nozzle depth），R代表湍流控制器入口半徑（inhibitor inlet radius），H代表湍流控制器內(nèi)腔高度（inhibitor inner height），另外定義V代表長(zhǎng)水口出口處鋼液流速（inlet velocity）。

2.1.2中間包湍流控制器方案與分析

依據(jù)不同參數(shù)設(shè)定（D、R、H、V），設(shè)計(jì)了50種方案，進(jìn)行了液面最大速率（max surface velocity）、液面最大湍動(dòng)能（max surface tubulence energy）、出口處湍動(dòng)能（outlet tubulence energy）以及鋼液對(duì)湍流控制器的物理沖刷強(qiáng)度（max wall shear of inhibitor）分析。通過(guò)對(duì)不同高度和內(nèi)徑的湍流控制器進(jìn)行數(shù)模分析，探尋其對(duì)沖擊區(qū)鋼液面流速和湍動(dòng)能的影響的規(guī)律，進(jìn)而依據(jù)實(shí)際澆鋼參數(shù)進(jìn)行湍流控制器的詳細(xì)設(shè)計(jì)，得到最佳的湍流控制器設(shè)計(jì)尺寸和形狀。其中方案的湍流控制器流場(chǎng)、流線和流速，見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

中間包配置湍流控制器可以有效改善中間包流場(chǎng)狀況，中間包沖擊區(qū)流場(chǎng)非常復(fù)雜，不同的渦流強(qiáng)度和位置都會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而渦流強(qiáng)度和位置由長(zhǎng)水口插入深度、氬氣流量、入口鋼流流量、湍流控制器的幾何結(jié)構(gòu)共同決定。湍流控制器入口半徑對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響較大，隨著R由小變大，液面流速和湍動(dòng)能會(huì)呈緩慢變大、突然變大、再次平緩變化的趨勢(shì)變化，見(jiàn)圖6；湍流控制器入口半徑的重要參考量就是長(zhǎng)水口射流股半徑，而射流股半徑與長(zhǎng)水口半徑、鋼液物理性質(zhì)以及澆鋼時(shí)長(zhǎng)水口出鋼孔離湍流控制器距離等有關(guān)。

湍流控制器內(nèi)腔高度對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響也比較大，隨著H由小變大，液面流速緩慢變大，到了某個(gè)臨界點(diǎn)，液面流速顯著增大。該臨界點(diǎn)由湍流控制器入口處射流股半徑?jīng)Q定。

在沒(méi)有產(chǎn)生因湍流控制器入口半徑和射流股半徑達(dá)到臨界點(diǎn)的前提下，長(zhǎng)水口插入深度和液面流速、液面湍動(dòng)能和物理沖刷強(qiáng)度關(guān)系是線性的。該參數(shù)還要考慮長(zhǎng)水口吹氬工況下氬氣過(guò)大導(dǎo)致液面翻騰的因素。在沒(méi)有產(chǎn)生因湍流控制器入口半徑和射流股半徑達(dá)到臨界點(diǎn)的前提下，鋼液流率和液面流速、液面湍動(dòng)能和物理沖刷強(qiáng)度關(guān)系也是線性的。優(yōu)秀的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

1）保證鋼流在湍流控制器充分混合增加夾雜物碰撞長(zhǎng)大的幾率；

2）保證從湍流控制器流出的鋼液能夠形成上揚(yáng)流動(dòng)趨勢(shì)將夾雜物帶到液面吸附排除；

3）保證液面流速和湍動(dòng)能不能過(guò)高，避免湍流控制器上部的液面“翻鋼花”；

4）保證鋼液對(duì)耐材物理沖刷強(qiáng)度盡量小，避免因耐材混入鋼液導(dǎo)致的二次污染。

2.2中間包優(yōu)化方案與流場(chǎng)分析

中間包沖擊區(qū)采用湍流控制器改善沖擊區(qū)鋼水流動(dòng)，中間包結(jié)構(gòu)采用擋墻、擋壩設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了不同的組合方案，見(jiàn)表2。利用數(shù)模分析對(duì)中間包流場(chǎng)進(jìn)行分析，探尋最佳的中間包流場(chǎng)。

表2 中間包優(yōu)化方案

方案	編號(hào)	方    案    描    述
方案一	Dp1	采用湍流控制器+擋壩，擋壩距長(zhǎng)水口1 900 mm，擋壩高度200 mm
方案二	Dp2	采用湍流控制器+擋墻+擋壩，擋墻距長(zhǎng)水口875 mm，距離包底50 mm，擋壩距離擋墻200 mm，高度250 mm
方案三	Dp3	采用湍流控制器+擋墻+擋壩，擋墻距長(zhǎng)水口750 mm，距離包底50 mm，擋壩距離擋墻200 mm，高度250 mm
方案四	Dp4	采用湍流控制器+擋墻+擋壩，擋墻距長(zhǎng)水口1 000 mm，距離包底50 mm，擋壩距離擋墻200 mm，高度250 mm
方案五	Dp5	采用湍流控制器+擋墻+擋壩，擋墻距長(zhǎng)水口1 400 mm，距離包底50 mm，擋壩距離擋墻200 mm，高度250 mm
方案六	Dp6	采用湍流控制器+擋墻+擋壩，擋墻距長(zhǎng)水口1 800 mm，距離包底50 mm，擋壩距離擋墻200 mm，高度250 mm

1）分別對(duì)中間包流場(chǎng)進(jìn)行分析得到了不同方案的中間包矢量圖，見(jiàn)圖8。相同的長(zhǎng)水口插入深度和通鋼量條件下，使用相同的湍流控制器，湍流控制器可以改善沖擊區(qū)鋼水的沖擊動(dòng)能，但由于中間包擋墻等的設(shè)置，沖擊區(qū)的鋼水流動(dòng)發(fā)生變化，湍流狀態(tài)也不同。

2）對(duì)不同方案中間包進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到了中間包流線圖，見(jiàn)圖9。由圖中可以看出，方案一鋼水由沖擊區(qū)直接流向了澆注區(qū)域，形成了明顯的短路流，不利于夾雜物上浮，其余各方案均采用了擋墻擋壩組合結(jié)構(gòu)，改變了鋼水在中間包內(nèi)的流動(dòng)軌跡，但不同的布局對(duì)鋼水的流動(dòng)狀況影響不同，即形成的活塞流、死區(qū)比例不同，也決定了鋼水在中間包內(nèi)的滯留時(shí)間，鋼水的流動(dòng)也決定了夾雜物上浮的幾率。

通過(guò)流場(chǎng)分析，得到了不同方案中間包內(nèi)鋼水的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以更直接反映方案的有效性。隨著墻壩與長(zhǎng)水口距離的增加，峰值時(shí)間逐漸縮小，平均停留時(shí)間逐漸增加，活塞流體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，混流區(qū)體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)呈逐漸縮小趨勢(shì)，但是變化幅度非常小，滯止流時(shí)間變化趨勢(shì)不明顯。擋墻的設(shè)置可以有效改變鋼水的流動(dòng)軌跡，消除了原中間包短路流問(wèn)題，沖擊區(qū)的湍流鋼水流動(dòng)也避免流向澆注區(qū)，痰盂型湍流控制器的使用，可以有效抑制鋼水湍動(dòng)能，尤其隨著通鋼量的增加，這樣可以減少?zèng)_擊區(qū)鋼水的翻騰，避免“翻鋼花”現(xiàn)象。

各方案鋼水在中間包內(nèi)的滯留時(shí)間以及死區(qū)、活塞流和混合流體積分?jǐn)?shù)，見(jiàn)表3。可以看出Dp5、Dp6兩個(gè)方案可以獲得更長(zhǎng)的鋼水滯留時(shí)間和最小的死區(qū)。

表3 不同中間包方案的RTD 數(shù)據(jù)

方案	T min (s)	T peak (s)	T av (s)	V dead(%)	V plug(%)	V mix(%)
Dp1	105	244	697.33661	24.486487	22.780679	52.732837
Dp2	150	351	709.59753	21.356346	32.702351	45.941305
Dp3	150	381	709.59143	21.123366	34.660575	44.216061
Dp4	147	336	715.83252	20.64621	31.527415	47.826374
Dp5	151	309	728.94769	19.356121	30.026111	50.617766
Dp6	133	301	729.62427	19.450934	28.328982	52.220082

 

3優(yōu)化中間包試驗(yàn)效果

通過(guò)數(shù)模分析，確定了具體的湍流控制器結(jié)構(gòu)和尺寸，并得到了中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，優(yōu)化的中間包在生產(chǎn)中進(jìn)行了試驗(yàn)，優(yōu)化中間包能改變中間包流場(chǎng)，期望改善大包長(zhǎng)水口注流冒鋼花的現(xiàn)象。高拉速條件下，中間包轉(zhuǎn)包過(guò)程中中間包稱重偏低，板卷夾雜率提高，使用雙擋墻隔絕鋼包渣對(duì)鋼水的污染，能有效改善中間包轉(zhuǎn)包過(guò)程中中間包稱重偏低導(dǎo)致的板卷夾雜率高的問(wèn)題。

驗(yàn)證方法：一是跟蹤對(duì)比澆鋼過(guò)程中大包水口注流處鋼水翻騰和冒鋼花的現(xiàn)象以及低碳鋼中包酸鋁燒損情況，檢驗(yàn)其對(duì)保護(hù)澆注的影響；二是對(duì)比低碳鋼板卷夾雜率。

優(yōu)化中間包雙擋墻按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝，見(jiàn)圖10；澆注過(guò)程液位、桿位穩(wěn)定，見(jiàn)圖11；鋼包長(zhǎng)水口注流處冒鋼花現(xiàn)象有明顯改善，見(jiàn)圖12。低碳鋼酸鋁燒損平均為29 ppm，原中間包低碳鋼平均酸鋁燒損為32 ppm，酸鋁燒損有所降低。

統(tǒng)計(jì)部分澆次板卷夾雜率為11.36%，比照優(yōu)化前部分澆次板卷質(zhì)量，板卷夾雜物比例降低了10%以上。

 4結(jié)論

1）湍流控制器入口半徑對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響較大，隨著R由小變大，液面流速和湍動(dòng)能會(huì)呈緩慢變大、突然變大、再次平緩變化的趨勢(shì)。

2）湍流控制器內(nèi)腔高度對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響也比較大，隨著H由小變大，液面流速先緩慢變大，到某個(gè)臨界點(diǎn)，液面流速顯著增大，該臨界點(diǎn)由湍流控制器入口處射流股半徑?jīng)Q定。

3）得到了各方案鋼水在中間包內(nèi)的滯留時(shí)間以及死區(qū)、活塞流和混合流體積分?jǐn)?shù)，Dp5、Dp6兩個(gè)方案可以獲得更長(zhǎng)的鋼水滯留時(shí)間和最小的死區(qū)，鋼水平均滯留時(shí)間延長(zhǎng)32s，死區(qū)體積減少5.2%。

4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)看，優(yōu)化的中間包沖擊區(qū)“翻鋼花”現(xiàn)象明顯減少，板卷質(zhì)量提高，夾雜物比例降低10%以上。

 

參考文獻(xiàn)

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[3]張立峰，蔡開(kāi)科．連鑄中間包鋼液流動(dòng)和夾雜的去除[J].煉鋼，1995（6）：43-48

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