氣幕擋墻對中間包流體流動行為影響的數值模擬研究

馮巍¹  屈天鵬²  王德永²

（1 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京，210035，2蘇州大學沙鋼鋼鐵學院，

江蘇蘇州 215021）

摘  要：中間包冶金功能的發揮離不開合理設置的控流裝置。本論文通過數值模擬方式研究了不同控流裝置條件下中間包內流體流動行為特征。研究結果表明，不設置任何控流裝置的中間包內存在大面積的短路流，RTD曲線上表現為最短的響應時間和雙峰現象。擋渣堰+導流壩組合方式可以將高速湍流限制在擋渣堰上游的注流區域，促進了夾雜物的碰撞聚合。同時導流壩下游形成的沿著自由表面的水平流動加速了非金屬夾雜物與覆蓋劑的接觸，有利于夾雜物去除。借助氬氣泡對鋼液的清洗作用，擋渣堰+氣幕擋墻組合方式的控流效果最佳，RTD曲線響應時間最長，死區體積最小。

關鍵詞：中間包，流動行為，氣幕擋墻，數值模擬

1 引言

中間包冶金的概念是在20世紀80年代初期，由多倫多大學的A.Mclean教授首次提出的。中間包作為連鑄過程的中間容器，已由原來簡單的容器轉變為具有冶金功能的反應器。它的這種功能也變得越來越強，不僅用作鋼液的儲存器和分配器，而且具有防止鋼水二次氧化、減少鋼液內部夾雜、改變夾雜物形態的功能。到20世紀70年代出現了在中間包中安裝堰和壩、過濾器等方法，以此來改變鋼水在中間包的流動形態，增加鋼水在其內的平均停留時間。中間包吹氬近年來越來越受到生產企業的重視，其利用安裝在包底的透氣磚吹出的彌散氬氣泡清洗鋼液，成串的氬氣泡在上升過程中可以吸附夾雜物，促進其向上運動，從而達到凈化鋼水的目的。

研究者針對中間包吹氬行為開展了大量的研究。張明華^[1]研究了吹氬對鋼液去除夾雜的試驗，取得了一定的成效，但對吹氣的位置和氣量的大小以及透氣磚的材質沒有進一步研究。關于吹氣位置的影響，包燕平^[2]用水模型做了實驗研究，發現中間包內大尺寸夾雜物可以全部去除，而小尺寸夾雜物降低了50%，細微的夾雜物去除效果不明顯。吹氣位置應該布置在中間包注流和中間包水口之間噴吹，越靠近注流效果越好^[3]。詹樹華^[4,5]、王彪等^[6]通過物理模擬研究了氣幕擋墻對中間包內RTD（Residual Time Distribution）曲線及鋼液停留時間的影響，發現采用中間包底部吹氣技術可以有效延長鋼液的平均停留時間，減小死區體積。Ramos^[7]借助于PIV技術，研究了底吹中間包內鋼液的流場，發現氣體的吹入改變了中間包內鋼液的流動狀態，吹入的氣體以氣泡的形式在中間包內形成了氣幕擋墻，在氣幕擋墻的兩側分別形成兩個反方向的旋渦區，增加了鋼液的混合體積，而且隨著氣流量的增加，氣幕兩側的旋渦區增大，鋼液的混合程度加強。Vargas ^[8]利用熱態水模實驗研究了非穩態時氣泡對鋼液流動及溫度的影響，發現氣泡的吹入可以改善鋼液的溫度分層現象，在氣幕的兩側形成兩個溫度區域，隨著氣流量的增加，溫度分層現象降低。

Sahai^[10]在單流中間包模型中進行了吹氣研究，結果表明，中間包吹氣與其它控流裝置一起使用，氣泡上浮攪動緩慢流動的區域，降低了死區的體積和顯著增加活塞流與死區體積比。Hughes^[11]采用吹氬透氣梁對Luken煉鋼廠的中間包進行了吹氣水模實驗研究，以確定中間包的吹氣位置。他們認為，將透氣梁安放在沖擊板和擋渣堰之間，氬氣泡使非金屬夾雜物上浮到頂渣中和將夾雜物推向擋渣堰，對夾雜物起到過濾作用，防止夾雜物進入到中間包水口側。現場實驗結果表明，中間包采用吹氬后，鋼中T[O]降低32%.。除此以外，另有研究者采用數值模擬方法研究了氣幕擋墻對中間包流體流動行為的影響^[12,13]。

本文采用數值模擬方法比較了空包、優化的擋渣堰和導流壩組合方式以及氣幕擋墻對于中間包內流體流動行為及RTD曲線的影響規律，通過定量分析的方式分析了氣幕擋墻的冶金處理作用。研究結果對于合理設置氣幕擋墻具有一定的指導作用。

2 數學模型的構建

2.1 模型假設及控制方程

本數學模型主要基于如下假設：

（1）連鑄中間包內鋼液和底吹氣體均為不可壓縮流體，整體流動為湍流流動。

（2）忽略中間包內流體溫度梯度對流場的影響，假設整個流場溫度均勻分布。

（2）忽略底吹氣泡的破裂和聚合現象，假設氣泡直徑恒定。

（4）忽略頂渣對流體流動狀態的影響，自由液面處理為氣液兩相交界面。

（5）中間包的出口截面恒定，出口流量恒定。

本模型采用歐拉兩相流模型描述中間包內的氣液兩相流動。鋼液和氬氣視為相互貫穿的連續介質，對每一相均認為是三維穩定的湍流流動，分別建立各相的連續性方程、動量方程，采用標準k-ε雙方程模型求解有效粘度。氣液相之間通過曳力、升力、虛擬質量力進行傳遞。中間包內鋼液和氣相流動的方程如下。

（1）連續性方程：

                      (1)

                      (2)

                           (3)

式中，下標l和g分別表示液相和氣相；表示相體積分數；u表示速度，m/s; 表示相密度，kg/m³。

（2）動量傳輸方程：

(5)

(6)

式中，i和j等于1，2，3；和為相間動量交換系數，定義為

                           (7)

式中f為曳力函數，對于不同的交換系數函數定義所有不同，為顆粒弛豫時間，分別定義為

                       (21)

以上方程中的各經驗常數采用Launder和Spalding的推薦值^[15]，如表1所示。

表1湍流模型的經驗常數

Table 1 Constants in turbulence model

2.2 模型尺寸

中間包內型及控流裝置如圖1所示。本模型計算分為三種狀況：（1）空包；（2）如圖1中的擋渣堰+導流壩組合方式；（3）如圖1中的擋渣堰+氣幕擋墻組合方式。

圖1 中間包內型及控流裝置尺寸圖

Fig 1 Size of tundish and the controlling devices

2.3 邊界條件

本計算基于FLUENT計算平臺進行相關數值模擬計算。

（1）中間包入口：計算所對應的鑄坯斷面尺寸為1680×250mm，穩定拉速為1.1m/min，中間包正常液面1000mm。每分鐘中間包內流出的鋼水量(體積流量)為0.462m³/min，中間包入口流速為1.53m/s，鋼液在中間包內的理論平均停留時間為8.4min。

（2）自由液面：設置為degasing邊界。

（3）中間包出口：根據質量守恒，設置為outflow邊界。

（4）壁面：設置為無滑移邊界

（5）氬氣入口：設置為流量入口，氣泡尺寸設置為單一尺寸5μm。

3.1 速度與跡線分析

不同控流裝置對應的中間包縱向中心面上的速度分布如圖2所示。由圖可以看出，在不設置任何控流裝置的空包中，鋼水注流從長水口進入中間包后，沒有湍流控制器的限制，鋼水達到包底后迅速沿著包底四處鋪展開。在注流區左側靠近端墻區域會形成循環流，而右側寬敞區域的鋼水則大部分會沿著中間包底部沖向中間包出口區域，這種情況下鋼水在中間包內的流動路徑最短，如圖3(a)所示，無控流裝置的中間包內鋼水的運動軌跡線可以發現沿著包底流動的鋼水在流過包底的臺階后，會存在一定的向上運動速度，但是鋼水并沒有到達中間包的自由液面區域，也就是說該流動模型不利于鋼水中非金屬夾雜物的上浮去除。盡管如此，對于當前潔凈度較高的鋼水，如果對中間包的冶金功能要求不高的情況下，采用空包澆注反而可以減少耐火材料質控流裝置受鋼水侵蝕而污染鋼液的危險性，這也逐漸成為部分高潔凈鋼生產過程中中間包的發展趨勢。

圖2(b)和圖3(b)分別顯示的是經過物理模擬實驗優化后而確定的最佳擋渣堰+導流壩控流方式所對應的中心縱截面上的速度分布和鋼水流動軌跡線。由圖可以看出，有了擋渣堰的作用，從長水口注入的高速鋼水被限制在擋渣堰左側有限區域內，擋渣堰右側流股速度顯著減小。擋渣堰起到了抑制湍流的作用，在注流區內湍流的作用有助于鋼水中非金屬夾雜物的碰撞聚合，可以加速其上浮去除。當鋼水流過擋渣堰，進入其與導流壩的中間區域后，鋼水被迫改變方向，發展為指向液面的向上流動，在導流壩的下游區域，如圖3(b)所示，絕大部分鋼水會形成平行于自由液面的水平流動，該流股可以與中間包覆蓋劑充分接觸。此時，鋼水的夾雜物被液態覆蓋劑捕獲的機會顯著增加，大大提高了非金屬夾雜物的去除幾率。擋渣堰+導流壩的組合方式是目前鋼鐵企業所采用的主流控制方式，應用效果顯著。

（a）空包

（b）擋渣堰+導流壩

（c）擋渣堰+氣幕擋墻

圖2 不同控流組合方式對應的速度場

Fig 2 Velocity distribution in tundish with different controlling devices

（a）空包

（b）擋渣堰+導流壩

（c）擋渣堰+氣幕擋墻

圖3 不同控流組合方式對應的跡線圖

Fig 3 Fluid trajectory in tundish with different controlling devices

圖2(c)和圖3(c)顯示的是擋渣堰+氣幕擋墻組合方式條件下中間包內速度分布和流動軌跡圖。將導流壩換成氣幕擋墻后，擋渣堰下游的流動情況發生了截然不同的轉變。從中間包底部吹入的氬氣在自身浮力的作用下向自由液面運動，促使從擋渣堰底部流來的鋼水改變流動方向，逐漸抬升為向上的流動形式。與導流壩不同的是，氣幕擋墻屬于軟性截流方式，因此，從圖3(c)可以看出鋼水流股會在氣幕擋墻的右上方區域逐漸形成指向液面的水平流動，水平流股的運動路徑相對較短，這與氣幕擋墻的布置位置有關。如果將氣幕擋墻向上游移動，則對應的水平流股的流動路徑會相應延長。盡管如此，氣幕擋墻仍然具有其自身顯著的控流優勢，在于彌散的氬氣泡可以發揮對鋼水的清洗作用，利用大量彌散的氬氣泡可以捕獲鋼水的非金屬夾雜物，加速非金屬夾雜物的上浮去除。需要說明的是，在實際應用過程中，需要對氣幕擋墻的位置進行系統優化，避免氣幕擋墻過于靠近塞棒區域，防止小氣泡被鋼水流股帶入結晶器而形成皮下氣泡質量缺陷。

3.2 RTD曲線對比分析

本模型將同質鋼水作為第二相，非穩態計算過程中將其作為示蹤劑。計算開始前5s，中間包入口示蹤劑體積分數為1，隨后入口切換為鋼水，同時在出口區域設置監測點，重點監測出口橫截面上示蹤劑濃度隨時間的變化，計算結束將對應的記錄曲線做無量綱化處理，處理結果如圖4所示。由圖可知，三種不同的控流裝置所對應的RTD曲線存在較大差異。首先空包的RTD曲線存在兩個峰值，意味著先后有兩股濃質的示蹤劑流過出口，由上文軌跡線分析可知，這兩股流股一支為沿著包底的短路流，這股流股首先到達出口區域，形成RTD曲線的第一個濃度峰值。隨后沿著中部高度區域流動的鋼水到達右側端墻后折向出口區域，該部分流股形成了第二個峰值。空包所對應的響應時間最短，峰值時間也最短。經過優化的擋渣堰+導流壩組合方式與擋渣堰+氣幕擋墻的組合方式所對應的RTD曲線較為相似，消除了雙峰流動現象，峰值時間較為接近，但加入氣幕擋墻后的RTD響應時間最長，說明鋼水流股在中間包內的流動路徑最長。大于無量綱時間2以后的曲線下區域，該區域面積稱之為死區體積分率。可以發現氣幕擋墻所對應的死區體積分率最低，這正是氬氣泡促使鋼水充分流動的結果。

圖4 不同控流組合方式對應的RTD曲線

Fig 4 RTD curves of different controlling devices

綜上分析，通過流場、軌跡線和RTD曲線分析可知，擋渣堰+氣幕擋墻組合方式最有利于鋼水中夾雜物的上浮去除，得益于氬氣泡的充分清洗和合理的流場形式。但是實際應用過程中需要綜合考慮氣幕擋墻位置、供氣流量與液面波動的影響，避免形成劇烈的液面波動和出口流股的吸氣現象。

4 結論

(1) 不設置任何控流裝置的中間包內存在大面積的短路流，RTD曲線上表現為最短的響應時間和雙峰現象，該流動不利于鋼中非金屬夾雜物的上浮去除。

(2) 經過物理模擬試驗優化的擋渣堰+導流壩組合方式一方面將高速湍流限制在擋渣堰上游的注流區域，促進了夾雜物的碰撞聚合；另一方面導流壩下游形成的沿著自由表面的水平流動加速了非金屬夾雜物與覆蓋劑的接觸，有利于夾雜物去除。

(3) 借助于氬氣泡對鋼液的清洗作用，擋渣堰+氣幕擋墻組合方式的控流效果最佳，RTD曲線響應時間最長，死區體積最小。實際應用過程中需要對氣幕擋墻設置位置作綜合評價。

致謝

感謝國家自然科學基金(項目號51774208和51674172)對本研究工作的支持。