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      抑旋板條件下多流中間包流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

      2018-06-19 07:56:22鉉明濤李嬌嬌
      材料與冶金學(xué)報(bào) 2018年2期
      關(guān)鍵詞:包內(nèi)旋渦水口

      郭 卓,鉉明濤,李嬌嬌,王 楠,陳 敏

      (東北大學(xué) 冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110819)

      隨著市場(chǎng)對(duì)鋼鐵產(chǎn)品多樣化需求的日益增加,定制化生產(chǎn)已成為合金鋼生產(chǎn)的重要趨勢(shì),因此將不可避免地出現(xiàn)因小批量引起的生產(chǎn)成本問(wèn)題[1].眾所周知,為避免匯流旋渦將中間包覆蓋劑卷入結(jié)晶器內(nèi)影響鑄坯質(zhì)量,在每個(gè)澆次末期中間包內(nèi)都會(huì)剩余一定量鋼水即殘鋼.隨連鑄批量減少,殘鋼量所占比例增加,金屬收得率相應(yīng)降低,進(jìn)而嚴(yán)重影響生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益.因此,開發(fā)抑制中間包內(nèi)匯流旋渦卷渣技術(shù),提高金屬收得率,對(duì)連鑄生產(chǎn)特別是高附加值合金鋼連鑄具有重要意義[2-6].

      關(guān)于抑制匯流旋渦減少殘鋼量的措施,不少學(xué)者通過(guò)改變中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)或改變工藝參數(shù)來(lái)達(dá)到目的.苑品等[7]和青靚等[8]采用水模實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明,在雙流板坯中間包內(nèi)增加擋壩高度并向上開通鋼孔可以大幅減少中間包殘鋼量;李新偉[9]以五流中間包為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值模擬研究總結(jié)出塞棒高度、拉速、中間包水口內(nèi)徑和覆蓋劑厚度對(duì)旋渦產(chǎn)生的影響.此外,還有學(xué)者通過(guò)在水口附近添加抑旋裝置來(lái)降低匯流旋渦產(chǎn)生高度,劉金剛[10]開發(fā)出板式旋渦抑制器并應(yīng)用于雙流板坯中間包內(nèi),可明顯抑制匯流旋渦的產(chǎn)生;趙亮等[11]通過(guò)水模優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明,在無(wú)控流裝置的四流中間包水口附近布置抑流件,可有效降低旋渦卷渣臨界高度.

      本文以四流方坯中間包為研究對(duì)象,針對(duì)在端部4流水口上方較早發(fā)生旋渦卷渣的問(wèn)題,采用數(shù)值模擬手段對(duì)澆注末期中間包內(nèi)匯流旋渦的形成特點(diǎn)進(jìn)行研究.在不改變中間包原有控流裝置條件下,結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出工字型抑旋板以降低卷渣液位,并對(duì)加入抑旋板前后中間包內(nèi)流場(chǎng)特征進(jìn)行分析,同時(shí)研究了抑旋板安放角度及高度對(duì)抑旋效果的影響,從而為開發(fā)多流中間包抑旋技術(shù)提供理論參考.

      1 數(shù)學(xué)模型

      1.1 中間包參數(shù)

      圖1為四流T型中間包結(jié)構(gòu)圖.該中間包控流裝置采用湍流控制器、導(dǎo)流擋墻及擋壩的組合結(jié)構(gòu).中間包模型與實(shí)際中間包比例為1∶1,基本尺寸如表1所示.

      圖1 中間包結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of tundish structure

      考慮到該四流中間包流場(chǎng)的對(duì)稱特點(diǎn),本文只選取其二分之一建立計(jì)算模型,圖2為計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分.

      表1 中間包尺寸參數(shù)Table 1 Parameters of the tundish

      圖2 計(jì)算模型和網(wǎng)格圖Fig.2 Calculation model and mesh

      1.2 模型假設(shè)和邊界條件

      對(duì)中間包澆注過(guò)程作如下假設(shè):(1)由于模擬的是澆注末期,不再有鋼液從鋼包內(nèi)流入中間包,故對(duì)鋼包長(zhǎng)水口可做簡(jiǎn)化處理; (2)不考慮溫度變化對(duì)中間包澆注過(guò)程的影響; (3)初始鋼液處于靜止?fàn)顟B(tài)且澆注過(guò)程中靠重力驅(qū)動(dòng)流出; (4)將中間包內(nèi)液面視為自由表面.

      邊界條件為:(1)中間包頂部不斷有空氣流入,將上表面設(shè)為空氣壓力入口; (2)本模擬中不考慮拉速的情況,因此將中間包出水口設(shè)為壓力出口; (3)所有壁面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件.

      為得到澆注末期匯流旋渦卷渣的臨界液位,在迭代計(jì)算過(guò)程中對(duì)中間包水口界面覆蓋劑的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了監(jiān)控,從而確定水口開始卷渣的時(shí)間.表2為模型中鋼液、中間包覆蓋劑和空氣的物性參數(shù).

      表2 流體物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of fluid

      1.3 控制方程

      為了研究鋼液、中間包覆蓋劑和空氣三相的流動(dòng)特性,本文采用VOF界面方法研究多相傳輸特征,中間包澆注過(guò)程考慮氣、鋼液、覆蓋劑(渣)三相.湍流模型選擇RNGk-ε雙方程模型.

      連續(xù)性方程

      (1)

      動(dòng)量方程

      (2)

      在每個(gè)控制容積中,所有相的體積分?jǐn)?shù)之和是1.設(shè)φq為第q相的體積分?jǐn)?shù),中間包澆注過(guò)程考慮氣、鋼液、覆蓋劑(渣)三相.

      φgas+φsteel+φslag=1

      (3)

      流體的密度與黏度均采用體積平均計(jì)算,即:

      ρ=φgasρgas+φsteelρsteel+φslagρslag

      (4)

      μ=φgasμgas+φsteelμsteel+φslagμslag

      (5)

      湍動(dòng)能(k)方程

      +Gk+Gb-ρε

      (6)

      湍動(dòng)能耗散率(ε)方程

      (7)

      式中:ρ為流體密度,kg·m-3;P為壓力,Pa;g為重力加速度,m·s-2;μeff為有效黏性系數(shù),Pa·s,μeff=μ+μt;vi、vj分別為xi、xj方向上的速度分量,m·s-1;k為湍動(dòng)能,m2·s-2;ε為湍動(dòng)能耗散率,m2·s-2;Gk是由速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生相,kg·m-1·s-3;Gb是由浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生相,kg·m-1·s-3;σk和σε分別用于求解k和ε的有效普朗特?cái)?shù);C1、C2和C3均為常數(shù),在本研究中C1=1.42,C2=1.68,C3=0.

      1.4 研究方案

      本研究設(shè)計(jì)的8種方案如表3所示,首先以垂直于中間包窄側(cè)包壁的水口中軸線為起始邊,以水口中心為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)布置抑旋板,在討論得出最佳安放角度后,通過(guò)改變最佳安放方案的抑旋板高度H,模擬計(jì)算出針對(duì)此中間包的最優(yōu)方案,抑旋板安放示意圖參見圖3.

      表3 實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Scheme of experiment

      圖3 抑旋板示意圖Fig.3 Schematic of inhibiting baffle

      2 結(jié)果與討論

      2.1 中間包匯流旋渦的形成過(guò)程

      在中間包澆注末期,不再有鋼液從鋼包注入中間包內(nèi),隨著澆注的繼續(xù)進(jìn)行,中間包內(nèi)鋼水液面會(huì)逐漸下降.當(dāng)液面降至一定高度后,水口上方的鋼液表面逐漸發(fā)生凹陷,最終會(huì)形成旋渦將中間包覆蓋劑卷入結(jié)晶器中.

      圖4為中間包澆注末期4流水口處匯流旋渦的形成過(guò)程,右圖為左圖水口附近區(qū)域放大后結(jié)果.圖4(a)為起旋臨界高度,此時(shí)在出水口上方會(huì)出現(xiàn)輕微凹陷,鋼液會(huì)圍繞凹渦作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);隨著液面繼續(xù)下降,旋渦的凹陷程度加深,少量中間包覆蓋劑會(huì)被卷入出水口中造成下渣(圖4(b)),此時(shí)的高度稱為卷渣臨界高度;這種狀態(tài)持續(xù)較短時(shí)間后,凹渦會(huì)完全貫通至出水口,鋼液表面的覆蓋劑會(huì)大量的卷入出水口(圖4(c)),此時(shí)對(duì)應(yīng)的高度稱為貫通臨界高度.這種情況會(huì)降低鑄坯潔凈度,甚至誘發(fā)漏鋼事故.在本模擬研究中,為了對(duì)比不同方案下旋渦的形成過(guò)程,對(duì)旋渦產(chǎn)生初期的起旋臨界高度和下渣初期的卷渣臨界高度進(jìn)行比較分析.

      研究結(jié)果表明,位于中間包端部的4流水口(參見圖2)較3流容易發(fā)生卷渣現(xiàn)象,在澆注末期應(yīng)優(yōu)先關(guān)閉.但由于位于端部的4流響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),鋼液溫度偏低,如果在澆注末期先關(guān)停4流水口,會(huì)造成中間包內(nèi)產(chǎn)生較大死區(qū),中間包內(nèi)鋼液溫差較大,影響生產(chǎn)順行和鑄坯質(zhì)量,因此有效抑制中間包端部的1流、4流產(chǎn)生旋渦卷渣非常關(guān)鍵,本研究也將著重研究4流水口匯流旋渦形成和發(fā)展過(guò)程.

      圖4 匯流旋渦各發(fā)展階段體積分?jǐn)?shù)圖Fig.4 Volume fraction diagram at different stages of sink vortex (a) —起旋臨界高度; (b) —卷渣臨界高度; (c) —貫通臨界高度

      圖5 不同鋼水液位表面速度云圖與流線圖Fig.5 Surface velocity cloud diagram and flow line at different molten steel level(a) —液面高度150 mm; (b) —卷渣臨界液位69 mm

      2.2 原中間包內(nèi)匯流旋渦特征

      圖5(a)是鋼液面在150 mm時(shí)XOZ面速度云圖和跡線圖.此時(shí)水口上方鋼液表面比較平穩(wěn),最大流速為0.03 m/s,鋼液向水口作匯流運(yùn)動(dòng),流動(dòng)軌跡大多沿徑向方向,沒有形成明顯的旋渦.對(duì)比4流水口開始卷渣時(shí)自由液面的云圖和跡線圖(圖5(b))可以看出,4流水口上方鋼液表面穩(wěn)定性較差,最大流速達(dá)0.15 m/s,容易造成卷渣,鋼液大多沿切向方向流動(dòng),形成以水口為中心的逆時(shí)針匯流旋渦.

      產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可由中間包內(nèi)流場(chǎng)不均而誘發(fā)環(huán)流來(lái)解釋.在澆注末期,鋼水液面降至擋壩以下后,會(huì)造成注流區(qū)存在液面差,在壓差作用下,高液面注流區(qū)會(huì)通過(guò)靠近包底的導(dǎo)流孔不斷向低液面注流區(qū)補(bǔ)充鋼水,便會(huì)在擋孔處形成一高流速區(qū)域,從而使低液面注流區(qū)中間包底部鋼液產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)趨勢(shì).在靠近中間包底部出水口處切向速度大,鋼液旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)最明顯,由于流體黏度的作用會(huì)帶動(dòng)上方的鋼液也產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng),但這種趨勢(shì)會(huì)隨著能量的消耗逐漸減弱,所以在150 mm高液面處切向速度小,難以產(chǎn)生匯流旋渦.隨著液面的不斷下降,鋼液表面切向速度逐漸增大,旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)越來(lái)越明顯,終于在4流水口處最先形成逆時(shí)針的匯流旋渦.

      2.3 抑旋板對(duì)中間包內(nèi)匯流旋渦的影響

      2.3.1 抑旋板布置角度的影響

      圖6是抑旋板在4種不同安放角度(參見表3)情況下起旋和卷渣的臨界高度.可以看出,加入抑旋板后,各方案的起旋和卷渣臨界高度均比原中間包低,方案4時(shí)降幅最大,起旋臨界高度由75 mm降至53 mm,降低了29.3%,卷渣臨界高度由69 mm降至45 mm,降低了34.8%,這說(shuō)明加入抑旋板可以有效地抑制澆注末期匯流旋渦的形成,減少澆注末期中間包內(nèi)殘鋼量,提高金屬收得率.

      圖6 不同方案時(shí)起旋和卷渣臨界高度Fig.6 Critical height of vortex formation and slag entrapment in different schemes

      結(jié)合圖7鋼液表面速度矢量圖對(duì)比分析可以看出,在中間包水口附近加入抑旋板能夠破壞水口處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流場(chǎng),改變鋼液流動(dòng)軌跡.鋼液在流經(jīng)抑旋板后,一部分繼續(xù)向前流動(dòng),另一部分流股則被抑旋板阻擋,從長(zhǎng)板內(nèi)側(cè)流入沿著內(nèi)部凹槽向短板一端流動(dòng),最后沿短板內(nèi)側(cè)方向流入水口.由鋼液表面速度云圖可以看出,加入抑旋板可有效降低水口附近鋼液流速,流經(jīng)抑旋板的鋼液速度由0.15 m/s降至0.045 m/s,有利于穩(wěn)定液面波動(dòng)和降低卷渣高度.

      以不同角度在水口附近安放抑旋板,會(huì)對(duì)中間包內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生不同的影響.按方案1(圖7a)安放抑旋板后在水口處順時(shí)針流動(dòng)趨勢(shì)過(guò)大,形成順時(shí)針旋渦,使抑旋效果變差;按方案2(圖7b)安放抑旋板,未能阻擋流經(jīng)水口與包壁間的大部分鋼液,阻礙鋼液形成逆時(shí)針旋渦的作用較弱;按方案3(圖7c)安放抑旋板,由于其擺放位置在鋼液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的末端,降低鋼液流速和改變鋼液流動(dòng)軌跡的作用與其他方案相比較差;按方案4(圖7d)安放抑旋板后,可以阻擋流經(jīng)水口與包壁間的大部分鋼液,鋼液沿短板方向流出后,其切向速度與來(lái)流的鋼液相互抵消變?yōu)閺较蛄鲃?dòng),剩余鋼液從抑旋板長(zhǎng)板外側(cè)流過(guò),最終均沿徑向流入水口,在4流水口上方?jīng)]能形成明顯旋渦,因此大大降低了卷渣臨界高度.

      2.3.2 抑旋板高度的影響

      圖8為抑旋板最佳安放角度(方案4)情況下,抑旋板不同高度H對(duì)匯流旋渦起旋和卷渣臨界高度的影響.可以看出,隨H的增加,匯流旋渦的起旋和卷渣臨界高度均呈下降趨勢(shì).加入抑旋板后與原中間包相比,在H由方案5(參見表3)的20 mm增加至方案7的80 mm時(shí),起旋臨界高度降幅分別為15.9%、17.9%、29.3%、34.7%,卷渣臨界高度降幅分別為18.5%、30.4%、34.8%、40.6%,抑旋板對(duì)旋渦的抑制作用逐漸提升.方案8繼續(xù)增加H,起旋和卷渣的臨界高度不再明顯變化.

      圖7 不同方案時(shí)卷渣液位表面流速分布Fig.7 Surface flow velocity of slag entrapment surface in different schemes(a) —方案1; (b) —方案2; (c) —方案3; (d) —方案4

      圖8 抑旋板高度對(duì)起旋和卷渣臨界高度的影響Fig.8 Effect of inhibiting baffle height on vortex formation and slag entrapment critical height

      根據(jù)以上結(jié)果可以認(rèn)為,在本研究條件下,當(dāng)H高于原中間包起旋臨界高度75 mm時(shí)效果最佳,抑旋板能夠在匯流旋渦形成初期即進(jìn)行有效抑制.隨著H的降低,抑制效果隨之變差,在抑旋板高度降到20 mm時(shí)效果最差;但當(dāng)H超過(guò)原中間包起旋臨界高度過(guò)多時(shí),由于鋼液在此高度旋渦還未產(chǎn)生,進(jìn)一步改善抑旋效果變化不大,所以難以進(jìn)一步降低起旋和卷渣的臨界高度.

      3 結(jié) 論

      (1) 在澆注末期位于中間包端部的4流水口最先發(fā)生卷渣現(xiàn)象.未加入抑旋板時(shí),4流水口上方產(chǎn)生明顯的逆時(shí)針匯流旋渦,鋼水液位高度在69 mm時(shí)便發(fā)生覆蓋劑卷入現(xiàn)象,容易導(dǎo)致殘鋼量增多.

      (2) 在中間包內(nèi)加入抑旋板,可以破壞水口處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流場(chǎng),改變鋼液流動(dòng)軌跡,降低水口附近鋼液流速,流經(jīng)抑旋板的鋼液速度由0.15 m/s 降至0.045 m/s,液面穩(wěn)定性得到提高,對(duì)抑制匯流旋渦的形成有明顯效果.

      (3) 通過(guò)改變抑旋板的安放角度和高度,中間包內(nèi)鋼液均沿徑向流入水口,沒有形成明顯旋渦;抑旋板布置高度應(yīng)高于原中間包起旋臨界高度,以使其在旋渦產(chǎn)生初期便起到抑制作用,但進(jìn)一步增加擋板高度,抑旋效果不再明顯提升.

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