金屬鑄錠自動(dòng)扒渣過(guò)程流體仿真研究

楊公波,杜 磊,黃文虎

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

目前,國(guó)內(nèi)電鋅生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度最大的鑄錠、堆垛、排板和制片等操作工序早已被自動(dòng)化裝備取代,但錠面扒渣仍采用人工作業(yè)方式[1],該工序的工作條件惡劣。

1)環(huán)境溫度高,鑄模上方最高達(dá)500 ℃以上,煙塵重;

2)高溫熔液遇水汽易發(fā)生爆炸飛濺,對(duì)扒氧化皮操作人員有燙傷的危險(xiǎn);

3)勞動(dòng)強(qiáng)度大,操作人員在鑄模旁彎腰作業(yè),每8 s 需完成一次扒渣、拋渣、清鏟、返回等動(dòng)作。目前,冶煉廠在該環(huán)節(jié)的人力成本也逐年遞增;

4)澆注現(xiàn)場(chǎng)存在從高溫鑄模中逸出的鉛蒸氣,扒氧化皮作業(yè)人員長(zhǎng)期近距離接近鉛液,鉛蒸氣經(jīng)呼吸道和皮膚進(jìn)入人體,是造成鉛中毒職業(yè)病的原因之一。

因此,采用機(jī)器人自動(dòng)扒渣取代人工成為大勢(shì)所趨,但目前對(duì)于扒渣裝置的最佳結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的研究尚少。本文旨在研究扒鏟的浸入深度、運(yùn)行速度、傾斜角度等影響因素對(duì)扒渣效果以及對(duì)錠模內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的影響,從而為扒鏟的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

扒鏟的主要工作分為扒渣和撈渣,扒渣過(guò)程是將錠模中渣皮聚集起來(lái),撈渣過(guò)程將聚集起來(lái)的渣皮從錠模中撈出。扒渣過(guò)程近似于勻速運(yùn)動(dòng),而在運(yùn)動(dòng)至扒渣過(guò)程的行程終點(diǎn)時(shí),扒鏟會(huì)在前進(jìn)的同時(shí)向下運(yùn)動(dòng),再向前運(yùn)動(dòng)至與扒渣槽內(nèi)壁接觸,然后沿著內(nèi)壁將渣皮緩緩撈出[2]。

扒渣過(guò)程可以通過(guò)Fluent 軟件做流體仿真,在建立扒鏟扒渣過(guò)程的模型后,改變扒鏟的運(yùn)行速度、浸入深度、傾斜角度,分析上述因素對(duì)扒渣效果以及對(duì)錠模內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的影響,從而為扒鏟工作參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

利用Fluent 軟件進(jìn)行扒鏟的扒渣過(guò)程流體仿真研究,需要進(jìn)行以下三部分工作[3]。

首先,建立扒渣過(guò)程的數(shù)值模擬模型,模型主要包含了錠模、扒鏟以及鋅液。在建立仿真模型時(shí),需要確立錠模及扒鏟主要尺寸,并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行合理的條件假設(shè)和模型簡(jiǎn)化,方便仿真計(jì)算。在建立仿真模型后,需要將其網(wǎng)格劃分,為研究計(jì)算做準(zhǔn)備。

然后,對(duì)鋅液及其氧化物在扒鏟作用下的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真研究。使用流體仿真為了研究鋅液在鋅盤(pán)中的流動(dòng)狀態(tài),鋅液表面及其氧化物在不同幾何尺寸、形貌特征、表面狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)位置狀態(tài)的扒鏟作用下的流動(dòng)狀態(tài)提供依據(jù)。因此,仿真需要完成對(duì)數(shù)值模擬模型中的參數(shù)以及初始條件的設(shè)置,并運(yùn)用控制變量的研究方法,分別改變扒鏟的浸入深度、運(yùn)行速度、傾斜角度等影響因素,完成多組對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。

最后,根據(jù)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析以上因素對(duì)扒鏟除渣效果和平穩(wěn)性的影響,確定能使扒鏟除渣效果和平穩(wěn)性較好的影響因素范圍,進(jìn)而對(duì)扒鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案。

1 仿真模型建立

1.1 物理幾何模型

錠模上表面尺寸為422 mm×220 mm,下表面尺寸為396 mm ×170 mm,整體高度為50 mm,扒鏟的寬度與錠模寬度一致,設(shè)置為422 mm,扒鏟的初始厚度設(shè)置為5 mm。氧化鋅渣皮簡(jiǎn)化為浮在鋅液上厚度為1 mm 的流體。

為了簡(jiǎn)化模型且優(yōu)化仿真計(jì)算,根據(jù)工業(yè)實(shí)際情況,假設(shè)鋅液為不可壓縮流體;不考慮鑄模底和模壁的厚度;由于扒渣時(shí)間比較短,不考慮溫度降低對(duì)扒渣過(guò)程的影響。

1.2 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS 中的ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分整個(gè)錠模模型,采用四面體單元,總網(wǎng)格數(shù)大約為120 萬(wàn)個(gè)左右。為了簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型,扒鏟在錠模上表面以外部分被去除,且錠模內(nèi)部部分被簡(jiǎn)化為一個(gè)空腔,錠模網(wǎng)格模型如圖1 所示。

圖1 錠模網(wǎng)格模型圖

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

在流體仿真模型中,需要提前設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件、初始條件、物理模型以及求解器和操作條件等等。

1)材料參數(shù)定義

在建立數(shù)學(xué)模型中非常重要的一步是正確設(shè)定所研究對(duì)象的材料參數(shù),錠模中液體主要分為下層大部分的鋅液和上層小部分的鋅渣,鋅液的化學(xué)成分為Zn,鋅渣是鋅液與空氣的氧氣發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生的ZnO。其各自的物理特性參數(shù)如表1所示[4]。

表1 鋅液與鋅渣物理特性參數(shù)

2)邊界條件設(shè)置

邊界條件就是流場(chǎng)變量在計(jì)算邊界上應(yīng)該滿足的數(shù)學(xué)物理?xiàng)l件。邊界條件與初始條件一起并稱為定解條件,只有在邊界條件和初始條件確定后,流場(chǎng)的解才存在,并且是唯一的,所以邊界條件對(duì)求解結(jié)果有非常大的影響,因此要合理準(zhǔn)確的設(shè)置好邊界條件。

運(yùn)動(dòng)邊界條件:錠模的側(cè)壁以及底面采用靜止壁面條件;扒鏟采用動(dòng)網(wǎng)格設(shè)定其邊界條件,為運(yùn)動(dòng)剛體,其運(yùn)動(dòng)速度定為0.09 m/s。

壓強(qiáng)邊界條件:由于鋅液上方有空氣存在,所以錠模上表面設(shè)定為壓強(qiáng)入口條件,大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3)初始條件設(shè)置

選擇Standard Initialization 對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化,對(duì)壓強(qiáng)、速度、湍流變量、第一相組分體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)定,完成全局初始化。由于在本次研究中使用了動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置,因此在全局初始化過(guò)程中不需要設(shè)置運(yùn)行速度,并且設(shè)置第二、三相組分體積分?jǐn)?shù)為0。

在完成了全局初始化后,利用Patch 功能,即修補(bǔ)功能,對(duì)局部區(qū)域內(nèi)變量的值進(jìn)行修改,進(jìn)行局部初始化,補(bǔ)充其他相的體積分?jǐn)?shù),完成對(duì)流場(chǎng)初始條件的全部設(shè)定,即將不同流體補(bǔ)充到劃分好的區(qū)域。

4)基本物理模型選取

由于將氧化鋅渣皮假定為了一種流體,所以應(yīng)在錠模中建立出鋅液流體和氧化鋅渣皮的模型,因此選擇多相流模型。而Fluent 提供了四種多相流模型:VOF(Volume of Fluid)模型、Mixture(混合)模型、Eulerian(歐拉)模型和Wet Steam(濕蒸汽)模型。一般常用的是前三種模型,Wet Steam 模型只有在求解類型是Density-Based 時(shí)才激活。由于VOF模型的主要研究對(duì)象是分層流,而混合模型和歐拉模型的主要研究對(duì)象是混合流體,因此在本研究中選取VOF 模型作為基礎(chǔ)模型,選擇顯性方式并打開(kāi)體積力增強(qiáng)選項(xiàng)(Implicit Body Force),用以提高收斂精度,然后在Phase 面板中設(shè)定好主相與次相的材料。

由于扒鏟在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)引起鋅液湍流運(yùn)動(dòng),所以選擇k-ε雙方程湍流模型,使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);模型常數(shù)均采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

5)求解器和操作條件設(shè)置

求解器類型分為兩種:Pressure-Based 和Density-Based。Pressure-Based 是基于壓力法的求解器,使用壓力修正算法,擅長(zhǎng)求解不可壓縮流動(dòng),對(duì)于可壓流動(dòng)也可以求解。Density-Based 是基于密度法的求解器,具有比較好的求解可壓縮流動(dòng)能力。由于鋅液被假定為不可壓縮流體,所以選取Pressure-Based 求解器。

由于在計(jì)算中要考慮重力的影響,所以需要確定重力的數(shù)值和方向,并設(shè)置好參考?jí)毫χ档拇笮∫约皡⒖級(jí)毫χ档奈恢谩?/p>

1.4 模擬結(jié)果

在流體仿真模型中,需要提前設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件、初始條件、物理模型以及求解器和操作條件等等。

在確定好初始條件參數(shù)之后,進(jìn)行扒鏟的扒渣過(guò)程流體仿真,模擬出來(lái)的鋅液流場(chǎng)與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。模擬結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 扒鏟扒渣運(yùn)動(dòng)初始階段z=0 截面上的渣皮體積分布圖

圖3 扒鏟扒渣結(jié)束運(yùn)動(dòng)階段z=0 截面上的渣皮體積分布圖

根據(jù)模擬出來(lái)的氧化鋅體積分布圖可以看出,扒鏟在扒渣過(guò)程的初始階段,鋅渣均勻浮在鋅液表面,隨著鏟子的勻速移動(dòng),鋅渣不斷積累,靠近扒鏟的部分鋅渣厚度不斷增加。在扒鏟扒渣過(guò)程結(jié)束時(shí),鋅渣累積在鋅槽的另一端,沒(méi)有下沉趨勢(shì),保持著上浮的穩(wěn)定狀態(tài)。

從模擬出來(lái)的氧化鋅渣皮體積分布圖可以看出,當(dāng)快運(yùn)行至行程終點(diǎn)時(shí),鋅渣被完全集中在錠模左側(cè),這與實(shí)際工作情況要求大致相符,因此該流體仿真模型是可行的。

另外,根據(jù)扒鏟扒渣運(yùn)動(dòng)的速度矢量圖,可以推斷扒渣過(guò)程的流場(chǎng)狀態(tài)。扒鏟扒渣運(yùn)動(dòng)初始階段z=0 截面上的速度矢量圖如圖4 所示。

圖4 扒鏟扒渣運(yùn)動(dòng)初始階段z=0 截面上的速度矢量圖

從圖4 來(lái)看,可以發(fā)現(xiàn)扒鏟左右兩側(cè)的鋅液都向右流動(dòng)且扒鏟左側(cè)鋅液流速明顯比右側(cè)大,即比扒鏟運(yùn)動(dòng)速度大。這是由于當(dāng)扒鏟進(jìn)行扒渣運(yùn)動(dòng)時(shí),在短暫時(shí)間內(nèi)會(huì)使扒鏟左右兩側(cè)液面高度不一致,右側(cè)液面會(huì)明顯高于左側(cè)液面,而左側(cè)液面低于靜止時(shí)的液面,在重力的影響下會(huì)產(chǎn)生重力勢(shì)能,迫使鋅液流動(dòng)補(bǔ)充扒鏟左側(cè)液面,而補(bǔ)充的鋅液來(lái)自于扒鏟右側(cè)的鋅液,這也就是扒鏟附近渦流的形成原因,而左側(cè)鋅液在扒鏟以及渦流的共同作用下速度才會(huì)比扒鏟右側(cè)鋅液流動(dòng)速度大,不過(guò)在扒鏟向右的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,扒鏟左右兩側(cè)的速度差值會(huì)逐漸縮小。因此,鋅液的速度和大小也大致符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。

2 扒渣影響因素分析

扒鏟的主要影響因素初始值如表2 所示。

表2 影響因素初始值表

2.1 浸入深度對(duì)扒渣的影響

在初始浸入深度基礎(chǔ)上,每隔1 mm 取一個(gè)數(shù)值進(jìn)行模擬。氧化鋅渣皮體積分布如圖5 所示,速度云圖分布如圖6 所示。

圖5 浸入深度不同時(shí)z=0 截面上的渣皮體積分布圖

圖6 浸入深度不同時(shí)z=0 截面上的速度云圖

由圖5 可見(jiàn),當(dāng)扒鏟浸入深度大于扒渣過(guò)程中鋅液堆積的最大高度時(shí),增加浸入深度并不影響整體渣皮的流動(dòng)規(guī)律,即在扒鏟能夠很好地將渣皮聚集起來(lái)時(shí),增加扒鏟的浸入深度對(duì)扒渣效率無(wú)影響。

由圖6 可見(jiàn),隨著浸入深度的增加,錠模中鋅液的運(yùn)動(dòng)速度明顯增加,這表明增加浸入深度對(duì)錠模中鋅液的流動(dòng)有十分顯著的影響。而鋅液流動(dòng)越劇烈,越容易與空氣反應(yīng)生成更多的氧化渣,既影響鋅錠的外觀,也造成金屬的浪費(fèi)。

2.2 運(yùn)行速度對(duì)扒渣的影響

在初始運(yùn)行速度0.09 m/s 基礎(chǔ)上,每減少0.01 m/s 取一個(gè)數(shù)值進(jìn)行模擬。運(yùn)動(dòng)速度與扒刀表面鋅渣堆積厚度關(guān)系圖如圖7 所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)速度與堆積厚度關(guān)系圖

從圖7 可知,隨著扒鏟速度的增加,渣皮堆積厚度呈上升趨勢(shì),不過(guò)當(dāng)速度增大到一定程度時(shí),渣皮堆積厚度會(huì)大于扒鏟浸入深度,從而導(dǎo)致渣皮從扒鏟下方流出,嚴(yán)重影響扒渣質(zhì)量。

2.3 傾斜角度對(duì)扒渣的影響

在初始傾角tanα=0.5 基礎(chǔ)上,每隔tanα=0.25 取一個(gè)數(shù)值進(jìn)行模擬。由于在某些角度下,渣皮會(huì)從扒鏟下流出,從而影響鋅錠質(zhì)量以及扒渣效率,因此使用渣皮從扒鏟下方流出位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)行程與總行程的比值衡量扒渣效率。

從圖8 可知,隨著角度的增大,渣皮從扒鏟下方流出的現(xiàn)象逐漸減輕,在α=26.6°附近完全消失。此外,改變扒鏟傾斜角度對(duì)錠模中鋅液流動(dòng)影響不大,主要影響扒鏟附近鋅液的流動(dòng),扒鏟傾斜角度越大,扒鏟前面流體向前流動(dòng)的速度也就越大,對(duì)流體的影響范圍也就越大。

圖8 傾斜角度與運(yùn)動(dòng)行程與總行程之比

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析,得出以下結(jié)構(gòu)。

1)改變扒鏟的浸入深度對(duì)扒渣過(guò)程有影響,尤其在扒鏟下方有氧化鋅渣皮流出時(shí),增加扒鏟浸入深度可以有效阻止此現(xiàn)象,但是隨著扒鏟浸入深度的增加,錠模內(nèi)鋅液的整體流動(dòng)速度也會(huì)明顯增加,即會(huì)對(duì)錠模內(nèi)鋅液的流動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。在盡量提高扒渣合格率(清除鋅渣的效率)的前提下,同時(shí)減少鋅液整體流動(dòng)的波動(dòng)性,應(yīng)選扒鏟的浸入深度在10～14 mm 范圍內(nèi)。

2)改變扒鏟的運(yùn)行速度會(huì)對(duì)扒渣過(guò)程有很明顯的影響,扒鏟運(yùn)行速度越小,扒渣過(guò)程就越穩(wěn)定,渣皮堆積的厚度也就越小;相應(yīng)的,扒鏟的浸入深度隨之減小,對(duì)錠模內(nèi)鋅液流動(dòng)的影響也會(huì)減小,并且減小扒鏟運(yùn)動(dòng)速度本身就能減少對(duì)錠模內(nèi)鋅液流動(dòng)的影響。但是扒渣運(yùn)行速度太低,會(huì)使扒渣整體過(guò)程周期變長(zhǎng),需要保證不影響扒渣效率的基礎(chǔ)上,控制合適的扒渣運(yùn)行速度,應(yīng)選擇速度在0.06～0.09 m/s 范圍內(nèi)。

3)改變扒鏟的傾斜角度也會(huì)對(duì)扒鏟的扒渣過(guò)程產(chǎn)生顯著的影響,且隨著角度的增大,扒鏟將氧化鋅渣皮集中的能力也在緩慢增強(qiáng),但是角度的改變對(duì)錠模中鋅液流體的流動(dòng)影響不大,主要影響扒鏟運(yùn)動(dòng)方向上流體的運(yùn)動(dòng),使其能更快達(dá)到與扒鏟運(yùn)動(dòng)近似的速度,這也是傾角的改變會(huì)對(duì)扒渣過(guò)程產(chǎn)生影響的原因。為保證錠模中鋅液流體的流動(dòng)穩(wěn)定,應(yīng)控制扒鏟傾斜角度在26°～45°。