五流方坯連鑄中間包流動(dòng)數(shù)值模擬及激光粒子測(cè)速研究

高 琦，韋耀東，蔣 軍，路海波，周士凱，史學(xué)亮

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.海南海協(xié)鍍錫原板有限責(zé)任公司，海南 澄邁 571924)

0 前言

中間包是連鑄生產(chǎn)過程中位于大包和結(jié)晶器之間的過渡裝置，它對(duì)夾雜物的上浮去除，成分、溫度均勻等具有重要的作用［1］。

中間包的冶金作用主要是依靠鋼液在中間包內(nèi)的合理流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的［2］。中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀況，直接影響鋼水中夾雜物的上浮，從而關(guān)系著鑄坯質(zhì)量的好壞，如鑄坯純凈度，鑄坯表面夾渣等，中間包內(nèi)死區(qū)應(yīng)盡可能小，活塞流區(qū)應(yīng)較大，且能避免短路流，這樣的中間包流場(chǎng)才合理。中間包內(nèi)壩、堰、多孔擋墻及湍流抑制器等控流裝置都是為了改善中間包內(nèi)流動(dòng)特性，其最終目標(biāo)是通過中間包內(nèi)合理的流場(chǎng)分布特征，使鋼液經(jīng)過中間包盡可能多的去除夾雜物，平穩(wěn)的分配鋼液，從而澆注出純潔的鋼［3，4］。因此，深入了解和控制鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)行為是保證中間包冶金效果、提高鋼液質(zhì)量的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外一般采用水模和數(shù)模結(jié)合的方式對(duì)中間包流場(chǎng)進(jìn)行分析，模擬不同生產(chǎn)狀態(tài)下容器內(nèi)的鋼水流動(dòng)狀態(tài)［5－8］。對(duì)中間包采用合理布置擋墻、擋壩和流動(dòng)控制裝置達(dá)到消除死區(qū)，實(shí)現(xiàn)中間包內(nèi)成份和溫度均勻，保證最佳的中間包內(nèi)鋼水停留時(shí)間。

本文應(yīng)用ANSYS 商業(yè)軟件對(duì)某廠矩形坯連鑄機(jī)的中間包鋼水流動(dòng)的數(shù)值模擬，利用中國(guó)重型機(jī)械研究院建立的中間包水模擬測(cè)試平臺(tái)對(duì)縮小的中間包水模型進(jìn)行流動(dòng)速度測(cè)試，以優(yōu)化鋼水的流動(dòng)狀態(tài)及影響鋼水流動(dòng)狀態(tài)的因素，為提高鑄坯潔凈度提供理論參考和技術(shù)支持。

圖1 中間包整體及控流裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure block of flow control device and tundish

1 數(shù)值模擬

1.1 測(cè)試對(duì)象

以某鋼廠方坯五流中間包為研究對(duì)象，該中間包容量37 t，長(zhǎng)水口內(nèi)徑60 mm，插入深度300 mm，出水口內(nèi)徑30 mm，中間包穩(wěn)定操作液面高度800 mm，鑄坯斷面尺寸為240 mm ×300 mm，正常拉坯速度為0.8 m/min，中間包結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 基本假設(shè)

連鑄中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，做如下基本假設(shè):

(1)中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮;(2)中間包內(nèi)的流動(dòng)為高雷諾數(shù)湍流流動(dòng);(3)忽略表面渣層的影響，中間包鋼液液面穩(wěn)定。

1.3 控制方程

中間包流場(chǎng)的數(shù)值模擬是通過建立數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)求解流體運(yùn)動(dòng)方程組(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量方程和組分守恒方程)來對(duì)中間包內(nèi)的鋼液流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

式中，ρ為鋼液密度，kg/m3;Ui為流場(chǎng)時(shí)均速度，m/s;xi為以張量表示的方向;Uj為流場(chǎng)時(shí)均速度，m/s;xj為以張量表示的方向;P為壓力，Pa;μeff為有效黏度系數(shù);β為體膨脹系數(shù)，1/℃;ΔT為過熱度，℃;g為重力加速度，m/s2;t為時(shí)間，s;H為焓，kJ;κeff為有效傳熱系數(shù)，W/m2·K;T為鋼液溫度，℃;

由于中間包內(nèi)為湍流流動(dòng)，現(xiàn)在應(yīng)用較多的由Launder 和Spalding 提出的κ-ε 方程，本模擬也采用該方程，其控制方程如下:

式中，κ為流體湍動(dòng)能，m2/s2;G為湍動(dòng)能產(chǎn)生率，m2/s3;ε為流體的湍動(dòng)能耗散率，m2/s3;μ為動(dòng)力學(xué)黏度，N·s/m2;μt為湍流黏度系數(shù)，N·s/m2;C1，C2，Cd，σκ，σε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

在標(biāo)準(zhǔn)κ=ε 模型中，根據(jù)Launder 等的推薦值及后來的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的取值為:C1=1.43;C2=1.93;Cd=0.09;σκ=1.00;σε=1.30。

教師作為先進(jìn)文化的傳播者和學(xué)生的領(lǐng)路人，不僅要具有堅(jiān)定的政治信念，崇高的責(zé)任感，高尚的師德，還必須掌握新時(shí)代最新教育教學(xué)手段。在新媒體與思想政治教育融合的大背景下，教師要主動(dòng)學(xué)習(xí)新媒體技術(shù)，提高自身的媒介素養(yǎng)，提升新媒體使用技能，通過各種新媒體平臺(tái)，傾聽學(xué)生心聲，了解學(xué)生的訴求、困惑和疑問，并利用QQ、微信、微博等加強(qiáng)師生之間的互動(dòng)交流，提高思想政治教育的針對(duì)性、時(shí)代性和實(shí)效性。政府相關(guān)部門和高校要重視對(duì)高校思想政治教育工作者的網(wǎng)絡(luò)技能培訓(xùn)工作，通過面對(duì)面集中培訓(xùn)、網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)等多樣化培訓(xùn)方式，提高他們的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用能力和水平。

1.4 網(wǎng)格劃分

由于中間包結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以對(duì)模型網(wǎng)格采用分體劃分，使用六面體及四面體混合網(wǎng)格，并測(cè)試網(wǎng)格的劃分對(duì)影響計(jì)算的最終結(jié)果。本次模擬采用的網(wǎng)格數(shù)為200～300 萬，同時(shí)對(duì)內(nèi)部速度梯度較大地方進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。

1.5 邊界條件

求解控制方程，必須給出相應(yīng)的邊界條件，結(jié)合其不同的特點(diǎn)，模型邊界條件如下:

(1)水口邊界條件

鋼液從大包經(jīng)過長(zhǎng)水口流入中間包，入口的速度通過拉速和鑄坯尺寸由質(zhì)量守恒定律確定，入口的湍流動(dòng)能及湍流動(dòng)能耗散率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式取值。

式中，Dinlet為入口的直徑，m。

(2)出口邊界條件

中間包的出口邊界為自由出流邊界。

(3)壁面邊界條件

各個(gè)壁面上，對(duì)速度、壓力、濃度使用無滑移邊界條件。

(4)溫度場(chǎng)邊界條件

鋼液入口溫度為1530 ℃，通過中間包上表面及中間包壁面的熱流為常數(shù)，表面渣層散熱:15.0 kW/m2，底 面 1.4 kW/m2;包 壁 3.8 kW/m2。

1.6 數(shù)值模擬結(jié)果

經(jīng)過一系列迭代，獲得了五流中間包流場(chǎng)的數(shù)值解。圖2為五流中間包內(nèi)流動(dòng)速度矢量圖，可以看出，在中間包的注流區(qū)，從長(zhǎng)水口注入的鋼液在中間包內(nèi)部形成典型的沖擊射流，湍流抑制器起緩沖注流和抑制對(duì)包底的沖刷作用。在注流區(qū)，由于壩堰的控流裝置，形成了類似活塞流的流動(dòng)狀態(tài)。在整個(gè)中間包內(nèi)部速度較為均一，流動(dòng)緩慢。

圖2 中間包速度矢量圖Fig.2 Vector diagram of tundish velocity

圖3為整個(gè)中間包流動(dòng)的流線圖，可以明顯看出，注流區(qū)的鋼液通過多孔擋墻噴射出去，由于多孔擋墻有一定的角度，鋼液有上拋的流動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)有利于鋼液和中間包覆蓋劑充分接觸，有利于夾雜物的去除。

圖3 五流中間包流線圖Fig.3 Streamlined diagram of five strand billet tundish

圖4為中間包內(nèi)鋼液的溫度分布圖，可以看出，從中間包的注流區(qū)到澆注區(qū)，鋼液的溫度在降低，中間包長(zhǎng)水口與出口的溫差為13 ℃，這個(gè)數(shù)據(jù)是在實(shí)際生產(chǎn)過程中中間包溫降范圍內(nèi)的。

2 中間包內(nèi)流場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試過程的建立

圖4 中間包溫度云圖Fig.4 Temperature distribution of tundish

圖5 所示為中國(guó)重型機(jī)械研究院建立的連鑄中間包結(jié)晶器水模擬測(cè)試平臺(tái)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，充分體現(xiàn)公共平臺(tái)的功能，對(duì)未來不同類型的中間包和結(jié)晶器及相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)持續(xù)不斷的創(chuàng)新模擬。整體物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置由五大模塊組成:公共基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)裝置主體(含中間包模型和結(jié)晶器模型)，水路控制循環(huán)系統(tǒng)，可移動(dòng)的攝像系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理和圖像分析顯示系統(tǒng)。

圖5 連鑄中間包及結(jié)晶器水模型系統(tǒng)圖Fig.5 Water model of tundish and mold

對(duì)于五流中間包流場(chǎng)測(cè)試，基于幾何相似及弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等，根據(jù)水源及空間條件，為了和原型保持更好的一致性，取模型與原型的幾何相似型比按照1:2 的比例。為了精確獲得中間包內(nèi)部流動(dòng)情況，使用激光粒子測(cè)速法，在中間包模型周圍建立一個(gè)大的三維坐標(biāo)架，通過標(biāo)定位置，移動(dòng)流場(chǎng)圖形采集相機(jī)，可以獲取中間包在不同高度、縱橫界面的速度場(chǎng)。

2.2 測(cè)試過程

本測(cè)試過程是將粒子成像技術(shù)與基于PXI 總線的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)結(jié)合而產(chǎn)生的，是數(shù)碼技術(shù)、測(cè)試技術(shù)和通訊技術(shù)高度結(jié)合的現(xiàn)代化測(cè)試技術(shù)，通過平面的粒子由連續(xù)拍攝形成的粒子軌跡圖像來判斷方向及速度。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)備組合、LABVIEW 圖像處理軟件系統(tǒng)使整套系統(tǒng)具有高度的準(zhǔn)確性、靈活性、可擴(kuò)展性。圖6為為五流中間包的第二流和第一流(邊流)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的中間包內(nèi)含有示蹤粒子的灰度圖像。獲取上述一定時(shí)間間隔的圖像，經(jīng)過軟件處理，就能夠得到中間包內(nèi)的速度場(chǎng)。

圖6 中間包不同水口的測(cè)試圖像Fig.6 Testing image under different tundish nozzle

2.3 中間包內(nèi)速度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

圖7為通過軟件處理后獲得中間包內(nèi)速度矢量圖，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬過程由于選擇了湍流模型，將流動(dòng)的瞬態(tài)做了時(shí)均處理，同時(shí)由于網(wǎng)格密度的原因，不能顯示流動(dòng)的細(xì)節(jié)。對(duì)于水模擬實(shí)驗(yàn)，可以看出，中間包內(nèi)流動(dòng)是一個(gè)湍流脈動(dòng)，局部呈現(xiàn)很大的混亂，但是總體上呈現(xiàn)一定流動(dòng)趨勢(shì)的運(yùn)動(dòng)。而這些湍流渦能夠提供夾雜物碰撞的動(dòng)能，加強(qiáng)夾雜物的湍流梯度碰撞，有利于夾雜物的去除。

圖7 中間包內(nèi)速度矢量圖Fig.7 Vector diagram in tundish

由圖7 可以看出，五流中間包在澆注區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)幾個(gè)大的循環(huán)流動(dòng)，特別是在邊流，其和第二流之間形成了一個(gè)大的循環(huán)流動(dòng)。流動(dòng)較為均勻，流動(dòng)速度均一化速度為0.03～0.05 m/s，在中間包的表面速度較為均一，都為指向邊流的流動(dòng)。

3 結(jié)論

(1)通過中國(guó)重型機(jī)械研究院建立的中間包流動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，獲取了某五流中間包內(nèi)速度場(chǎng)，測(cè)試表明，中間包內(nèi)速度場(chǎng)呈現(xiàn)湍流脈動(dòng)的速度特征，中間包內(nèi)部有大的循環(huán)渦流運(yùn)動(dòng)，整體速度較為均一，速度值在0.03～0.05 m/s 之間。

(2)通過數(shù)值模擬獲得了中間包內(nèi)時(shí)均化的速度場(chǎng)，相對(duì)水模擬測(cè)速，不能夠很好呈現(xiàn)中間包流動(dòng)的細(xì)節(jié)。通過數(shù)值計(jì)算獲得中間包鋼液溫降為13 ℃，和實(shí)際連鑄生產(chǎn)的數(shù)據(jù)較為吻合。

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