湍流器結構對感應加熱中包流動影響數值模擬

熊巧鈴，艾新港，王 瓊，杜 冰，劉海嘯，寧 哲

（1.遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍山市和豐耐火材料有限公司 技術質量部，遼寧 鞍山 114225）

通道式感應加熱中間包相比于傳統(tǒng)的中間包存在一定的優(yōu)勢［1-2］。在實際生產中，鋼液在連鑄過程中向環(huán)境散熱［3-5］，熱量損失不可避免。通道式感應加熱中間包可以在通道處安裝電磁感應加熱裝置，鋼液流經感應加熱通道時能夠得到熱補償，有效提高各流溫度的一致性。加熱后的鋼液在中間包內的流速加快，流動路徑增加，可以達到去除夾雜的目的［6-9］。

對通道式感應加熱中間包的研究最早源于1984年Tsunehiro等的專利［10］。近年來，邢飛等［11］建立單流雙通道感應加熱中間包三維非穩(wěn)態(tài)數學模型，研究通道傾斜角度變化對其內部流場、溫度場及湍動能的影響，結果表明，當通道傾角為8°時，澆鑄區(qū)的湍流強度較小，且鋼液的分布較為均勻，基本避免卷渣及鋼液對耐火材料的沖刷侵蝕。唐海燕等［12］建立六流H型通道感應加熱中間包電磁-熱-流動耦合數學模型，研究電磁力的作用特點、鋼水的流動及傳熱規(guī)律。中間包結構優(yōu)化后，距離通道較近的水口短路流消失，各流溫差明顯縮小，一致性得到改善，升溫速率加快。陳希青等［13］利用流動-傳熱耦合模型研究內部控流裝置對通道式感應加熱中間包的影響，結果表明，中間包在加熱狀態(tài)時，能夠對鋼液進行有效的熱補償，實現低過熱恒溫澆鑄，流體的短路狀況及各流一致性得到改善。劉西峰等［14］采用Fluent軟件研究30 t單流中間包三種不同湍流器尺寸對流場和溫度場影響的數學模擬，湍流器尺寸較大的方案流場溫度場分布最佳，且對夾雜物的控制也產生有利影響。

安裝湍流控制裝置可以防止?jié)沧⑵陂g的鋼液飛濺及鋼水與空氣接觸，避免鋼液注入速度過快對已經存在于中間包內的鋼液流動造成干擾，避免高流速鋼液對中間包內部耐火材料的過度沖刷，延長中間包使用壽命，減少中間包流動的湍流強度，并使液面流動更加平穩(wěn)，避免卷渣現象的發(fā)生，同時降低底面鋼液流速使短路流得到改善。選擇最佳的湍流控制器結構，可以使中間包流場更加合理，增加鋼液的平均停留時間，達到有效去除夾雜的目的。

本文以五流四通道感應加熱中間包為例，研發(fā)新型結構湍流器，采用數值模擬計算方法對比五種結構湍流器對鋼液流場及湍流強度的影響，使中間包內部鋼液流場分布更合理，為現場生產提供參考。

1 中間包及湍流器幾何模型

五流四通道感應加熱中間包結構如圖1所示。中間包由注入室、通道、分配室三部分組成。入水口直徑為80 mm，出口直徑為40 mm，入口速度為1.35 m/s。

圖1 中間包結構圖，mmFig.1 Structure diagram of tundish，mm

本文設計五種形狀湍流控制器，如圖2所示。圖2a為方形湍流器，出口比底部略小且內縮；圖2b為六邊形湍流器；圖2c為圓形湍流器；圖2d為圓臺形湍流器，其上半部分與下半部分均逐漸內收；圖2e為壇型湍流器，其內部有豎形的波浪結構。

圖2 五種湍流器結構示意Fig.2 Schematic diagrams of five turbulators

2 數學模型

2.1 控制方程

連續(xù)方程

式中：ρ為鋼液密度，kg/m3；t為時間，s；Uj表示湍流流動的平均速度，m/s；xj為j方向的坐標值，m。

k-ε模型的基本方程

式中：ua為a方向的速度，m/s；μeff為有效黏度系數，Pa·s；kin為湍流動能［14］，m2/s2；σk=1.3為經驗常數；Gs為湍動能源項；εin為湍流動能耗散率，m2/s3。

中間包壁面模型的湍動能kin與耗散率εin計算式

式中：Uin為鋼液入口的平均速度；i為鋼液湍流動能強度，取i=0.037；D為上水口直徑，為80 mm。

2.2 邊界條件

結合實際流動情況，確定中間包數學模型的邊界條件。

（1）入口邊界條件：中間包入口邊界上給出液相法向速度的大小，且在入口截面上速度分布均勻。

（2）上表面邊界條件：忽略渣層對流動的影響，鋼液面視為剪切力為零的自由滑移邊界。

（3）出口邊界條件：出口類型設為壓力出口，各出口的體積流量均為0.4 m3/s。

2.3 假 設

數學模型的建立假設：

（1）中間包鋼液的流動狀態(tài)是穩(wěn)定流；

（2）忽略溫度對鋼液密度的影響，鋼液密度為7 026.9 kg/m3；

（3）不考慮鋼液表面渣層的影響；

（4）中間包內鋼液為單相湍流流動。

3 湍流控制器結構優(yōu)化模擬分析

本文運用fluent數值模擬軟件，對感應加熱中間包內的湍流器結構進行優(yōu)化，分析不同結構湍流器對包內鋼液流場和湍動能的影響，得出最佳設計方案。

無湍流控制器時，中間包注入室在水口對稱面上矢量分布與湍動能分布如圖3所示。鋼液進入注入室后，以較快的速度直接沖擊中間包底部，沖刷耐火材料層，縮短中間包的使用壽命。部分鋼液沿著中間包底部鋪展，直接從通道流入分配室，形成短路流。這些鋼液在中間包內的停留時間很短，來不及去除鋼液內的夾雜物。還有一部分鋼液沿著注入室的前后包壁向上流動，上升到液面后沿著液面鋪展。這些鋼液將會導致液面翻涌卷渣，并卷吸空氣，造成二次氧化。

圖3 無湍流控制器中間包沖擊區(qū)域流場Fig.3 Flow field in impact region of tundish without turbulator

采用五種湍流控制器，中間包水口對稱面上矢量分布與湍動能分布如圖4所示。采用方形湍流器時，鋼液以較快的速度沖擊到湍流器底部后向上卷動，湍流器對向上翻涌的鋼液起到阻礙作用，使部分鋼液在湍流器中部流動，還有部分鋼液沿著湍流器的出口向上流動。湍動能較大的區(qū)域分布在湍流器的上部，此區(qū)域的末端離鋼液表面較近，極易造成卷渣或二次氧化，表明該湍流器并不適用于此中間包。

圖4 五種湍流器沖擊區(qū)域流場Fig.4 Flow fields in impact regions of five turbulators

正六邊形湍流器是在方形湍流器的基礎上進行的結構改進。鋼液進入湍流器后，沿著湍流器入口向上翻涌逼近水口沖擊區(qū)域，比方形湍流器向上翻涌的速度更大，削弱鋼液向下的動能，鋼液向上浮動的比例明顯增大，流向包底的鋼液隨之減少；上浮的鋼液不會在短時間內從通道流出，在一定程度上增加了鋼液在中間包的停留時間，對去除夾雜物十分有利。但鋼液表面卷渣現象并沒有得到改善。

進一步優(yōu)化湍流器的形狀，采用圓柱湍流器。鋼液向上翻涌的末端離鋼液表面稍遠，表面的鋼液流速有所減小，但是卷渣問題并沒有徹底解決。鋼液在湍流器中的分布相對集中，湍動能耗散率也有所增加，但湍動能區(qū)域的末端仍離鋼液表面過近，且此處鋼液流速過快。

將圓柱型湍流器進一步改進成圓臺型，出口相對平滑且內扣。鋼液進入圓臺湍流器后，產生的渦流速度及鋼液表面的速度均明顯減小，產生渦流的位置明顯下移，鋼液被控制在湍流器的內部，中間包底部的鋼液流速也明顯降低。圓臺型湍流器對穩(wěn)定鋼水的動能十分有利。

進一步對湍流器進行改進，采用流線型的壇型湍流器。壇型湍流器開口做了收縮設計，鋼液撞擊到湍流器底部后沿湍流器側壁向上流動，與從水口進入湍流器的鋼水形成對流，增加了耗散能，產生的環(huán)形渦流能夠很好地將鋼液控制在湍流器內。鋼液向上翻涌的湍動能減小，流出湍流器的鋼液速度也明顯降低。鋼液的湍動能在湍流器內部被大量消耗，湍動能在湍流器的中上部趨于消失。這說明壇型湍流器對于解決鋼液翻涌卷渣及二次氧化問題效果最佳。

鋼液自由液面的流速過大會導致鋼液卷渣及二次氧化；鋼液在包底的流速過大則會直接導致中間包內鋼水短路。采用五種湍流器的中間包自由液面及包底流速如圖5所示。無湍流控制器裝置中間包內鋼液的液面流速為0.403 7 m/s，包底流速為0.583 2 m/s；使用方形湍流控制器鋼液的液面流速為0.423 2 m/s，包底流速為0.159 8 m/s；使用六邊形湍流控制器鋼液的液面流速為0.392 6 m/s，包底流速為0.132 4 m/s；使用圓形湍流控制器鋼液的液面流速為0.378 6 m/s，包底流速為0.100 2 m/s；使用圓臺形湍流控制器鋼液的液面流速為0.241 4 m/s，包底流速為0.075 2 m/s；使用壇形湍流控制器鋼液的液面流速為0.032 4 m/s，包底流速為0.016 4 m/s。采用壇型湍流器時，自由液面及包底流速最低。與無湍流控制裝置相比，液面流速減小92%，包底流速減小97%。這表明壇形湍流控制器中間包表面的鋼液波動最小，幾乎沒有產生短路流。

續(xù)圖4 五種湍流器沖擊區(qū)域流場Fig.4 Flow fields in impact regions of five turbulators

圖5 各方案中間包內液面及包底流速Fig.5 Velocities of liquid level and bottom in tundish with different tubulators

4 結論

（1）無湍流控制器時，中間包內的湍動能的耗散率較小，鋼液撞擊中間包底部，向上的流體導致嚴重的卷渣和二次氧化的情況，而向下的流體流速較快每流都存在不同程度的短路流。

（2）采用壇型湍流控制器時，自由液面的流速為0.032 4 m/s，包底流速為0.016 4 m/s。與原型中間包相比，液面流速減小92%，包底流速減小97%。鋼液注入中間包撞擊到湍流器后向上卷動的湍動能明顯減小，在長水口下方即湍流器入口附近，湍動能幾乎為0，可以避免鋼液翻涌造成的卷渣與氧化。