矩形中間包堰壩優(yōu)化設(shè)計(jì)的模擬研究

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丁建國^1.2 程樹森¹成國光¹

(1北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院100083 2長治鋼鐵集團(tuán)有限公司04603 1)

摘要：本文分析比較了不同擋墻設(shè)置下鋼液的流動(dòng)情況，并通過R T D曲線，研究了擋墻設(shè)計(jì)對(duì)流體流場(chǎng)特性的影響。結(jié)果表明：上下?lián)鯄ξ恢靡约伴g距對(duì)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)影響很大。合理的擋墻設(shè)計(jì)可延長鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間，提高活塞流區(qū)的體積，降低死區(qū)的體積。通過對(duì)流場(chǎng)和RTD曲線的綜合分析，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：擋墻設(shè)置流場(chǎng)中間包連鑄數(shù)值模擬

1前言

隨著連鑄技術(shù)的迅速發(fā)展以及市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量、高純凈鋼的要求的不斷提高，中間包冶金的作用和地位受到了更大的關(guān)注。國內(nèi)外許多研究者^[1-3]系統(tǒng)地研究了不同結(jié)構(gòu)中間包內(nèi)的流場(chǎng)分布，優(yōu)化了中間包的結(jié)構(gòu)。呂情恒，程樹森等^[4.^{硬士論文]}利用數(shù)值模擬方法研究了導(dǎo)流杯、多孔擋墻對(duì)中間包流場(chǎng)的影響。本研究針對(duì)矩形中間包內(nèi)壩(下?lián)鯄?/SPAN>)和堰(上擋墻)對(duì)流體的流動(dòng)影響進(jìn)行一些模擬研究，以達(dá)到了解中間包內(nèi)流體流動(dòng)特征和優(yōu)化的目的。

2數(shù)學(xué)模型

圖1給出矩形中間包原型縱向截面主要工藝參數(shù)。中間包入口和出口直徑為60mm。

下假設(shè)：

(1)中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮流動(dòng)；

(2)中間包上表面液面設(shè)置為自由面；

(3)在固體邊界，液相無滑移；

(4)在自由表面，忽略渣層的影響。

3結(jié)果與討論

數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)選取：鋼液的密度7040Kg／m³，粘度5．5×10^-3Kg／m·s。計(jì)算情況見表1。

3．1改變下?lián)鯄Φ母叨纫詢?yōu)化流場(chǎng)

圖2為中間包入口以及出口(共面)縱向截面的流場(chǎng)圖。從圖2中的Llwl}12可以看出，從入口注入的鋼液，遠(yuǎn)離入口后速度迅速下降，但整體速度仍然較大。從流場(chǎng)分布的總體來看，注入?yún)^(qū)流動(dòng)的主要特征是：流體從鋼包注入中間包后，由于速度大，穿透深度也很大，鋼水可以直接沖擊到中間包的底部，但由于有導(dǎo)流杯的作用，鋼水在導(dǎo)流杯內(nèi)的動(dòng)能迅速消耗，速度降低，進(jìn)入導(dǎo)流杯然后翻出，在中心區(qū)兩側(cè)流體向上流動(dòng)的趨勢(shì)很強(qiáng)，然后向兩側(cè)分開，到達(dá)中間包上部時(shí)，沿著中間包的側(cè)壁，鋼水向下流動(dòng)，形成一個(gè)流動(dòng)循環(huán)區(qū)域，在兩側(cè)形成循環(huán)區(qū)。這種循環(huán)區(qū)對(duì)活躍入口處的流體流動(dòng)有著重要的作用。鋼水主要在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行充分的混勻，有利于夾雜物去除。另外，使鋼液反向向上流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的耗散能，湍動(dòng)能降低。從鋼水流動(dòng)方向可明顯看出，鋼包長水口由于有一定的浸入深度，在自由表面形成較平穩(wěn)的流動(dòng)，因此不會(huì)造成表面渣層卷吸到中間包內(nèi)。由L1W1H2可以看出：在上擋墻左側(cè)區(qū)域混合較好，鋼水通過上擋墻的下部，速度比較大，直接越過下?lián)鯄Γ缓蟓h(huán)形流向出口。圖2中的L1W1Hl和L1W1H3在注入?yún)^(qū)下方的流動(dòng)特征與L1W1H2基本相同。從上擋墻下方進(jìn)入的流體，經(jīng)過一段貼底流動(dòng)后，碰到下?lián)鯄Γ竭^下?lián)鯄ο蛏狭鲃?dòng)，沖擊右側(cè)的壁面后流向出口；而在上擋墻后方則形成回流。下?lián)鯄Ω纳屏顺隹趨^(qū)的流動(dòng)狀態(tài)，形成了相對(duì)平穩(wěn)的層狀流動(dòng)區(qū)，有利于夾雜物上浮，這是所希望得到的結(jié)果。從圈2流場(chǎng)圖可以看出，接近頂面的速度較小，該流動(dòng)對(duì)頂面的渣層沖擊較弱，也就是說對(duì)液面波動(dòng)的影響不會(huì)太大，不會(huì)造成自由液面的卷渣。

圖3給出了鋼液流線圖。流線表征的是進(jìn)入中間包內(nèi)的流體在中間包內(nèi)的軌跡示意圖。因此，對(duì)流線圖的分析可以宏觀的了解不同擋墻設(shè)計(jì)對(duì)液體流動(dòng)形式的影響。從圖2中的I，L1W1H2可以看出，鋼液在導(dǎo)流杯上方兩側(cè)的循環(huán)流動(dòng)的趨勢(shì)很強(qiáng)，鋼水流過上擋墻的下部，然后越過上擋墻，在兩擋墻間形成一個(gè)大循環(huán)和局部的一個(gè)小循環(huán)。大循環(huán)的循環(huán)流動(dòng)很明顯。小循環(huán)的鋼水主要在中間包上部循環(huán)流動(dòng)，這就造成了鋼水在下?lián)鯄蠓降姆謱恿鲃?dòng)現(xiàn)象，而L1W1H1的這種現(xiàn)象尤為明顯。隨著下?lián)鯄Ω叨鹊脑黾樱@種循環(huán)流動(dòng)得到緩解，延長了鋼水的停留時(shí)間，有利于夾雜物的去除。

張捷宇等隨^[6]認(rèn)為提高夾雜物在中間包內(nèi)的去除速度，要求中間包內(nèi)有一個(gè)較大的活塞區(qū)，若從有利于夾雜物聚合的角度看，要求有一定的混合區(qū)；另外，就是要有流向表面的流動(dòng)，這有利于夾雜物被保護(hù)渣層吸收。從以上的分析可以看出，導(dǎo)流杯可將較強(qiáng)的湍流控制在注入?yún)^(qū)的局部范圍，使?jié)沧^(qū)的流動(dòng)更加平穩(wěn)，有利于夾雜物的上浮去除。鋼水在中間包內(nèi)的注入?yún)^(qū)的分布比較合理，較好的避免了注入?yún)^(qū)頂面渣層與鋼液的卷混，且鋼水注入的能量也迅速在該區(qū)域消耗，既使得鋼水能夠很好的混合，促進(jìn)夾雜物的聚合長大去除。但在擋墻的后方沿底面貼底流動(dòng)遇到下?lián)鯄笙蛏狭鲃?dòng)的范圍有限，使得頂面約200mm鋼水的速度很小，因此需適當(dāng)?shù)脑黾酉聯(lián)鯄Φ母叨取Ｈ鐖D2所示，隨著下?lián)鯄Ω叨鹊脑龃螅撍牧鲃?dòng)趨勢(shì)變化較小，只有在下?lián)鯄ι戏搅鲃?dòng)趨勢(shì)相應(yīng)向上移動(dòng)。如圖3所示，隨著下?lián)鯄Ω叨鹊脑龃螅撍谙聯(lián)鯄τ覀?cè)即出口區(qū)域上方的分層流動(dòng)現(xiàn)象得到緩解，鋼水流動(dòng)變得均勻。

3．2改變上擋墻的高度以優(yōu)化流場(chǎng)

如圖4和圖3中的L1W1H3所示，隨著上擋墻距離底面的高度增大，上擋墻下方位置的流速逐漸降低，上擋墻后方的低速區(qū)域范圍縮小，鋼水通過上擋墻下部后越過下?lián)鯄Γ苯記_擊到頂面的渣層，然后環(huán)形流向出口，這種流動(dòng)對(duì)液面的波動(dòng)影響大。在下?lián)鯄τ覀?cè)即出口區(qū)域上方，低速區(qū)域增大，鋼水流動(dòng)不很均勻。因此，改變上擋墻距離底面的高度比改變下?lián)鯄Φ母叨葘?duì)流場(chǎng)的影響大，間距不宜增大。

圖5給出了鋼液流線圖。從圖5和圖3中的L1W1H3所示流線圖中可以看出來，隨著上擋墻距離包底的不同，在上擋墻與出口之間區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)有明顯的不同。液流從注入?yún)^(qū)注入，從上擋墻的下方越過下?lián)鯄ΓM(jìn)入出口區(qū)域，在擋墻與出口之間形成回流，這樣可以增加液流在中間包內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間，從而有利于夾雜物的上浮。上擋墻距離包底為180ram最小時(shí)，鋼液在導(dǎo)流杯上方兩側(cè)的循環(huán)流動(dòng)的趨勢(shì)很強(qiáng)，鋼水流過上擋墻的下部，然后越過下?lián)鯄Γ譃樯舷聝蓪樱喜康牧黧w循環(huán)流回到兩擋墻間，形成大循環(huán)，下部的鋼水環(huán)形流向出口。隨著上擋墻距離包底的增大，兩擋墻間的中心循環(huán)增強(qiáng)，死區(qū)體積增加。

3．3改變上擋墻的位置以優(yōu)化流場(chǎng)

如圖6所示，上擋墻向中心平移后(L1W1H3)，與圖3的L1W1H3相比，注入?yún)^(qū)的趨勢(shì)相同，但導(dǎo)流杯上側(cè)的循環(huán)區(qū)域有所擴(kuò)大，說明設(shè)置上擋墻可以控制鋼包注流沖擊區(qū)的大小，在上擋墻下方的速度略有降低，但整個(gè)區(qū)域來說，高速區(qū)的流體范圍擴(kuò)大，流動(dòng)更加合理。

圖7給出了鋼液流線圖。上擋墻向中心平移后，鋼水在中間包的流動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生了很大的變化，在出口上方分層流向出口的現(xiàn)象得到緩解L1W1H3完全避免了該種流動(dòng)的存在，鋼水直接越過下?lián)鯄θ缓蟓h(huán)形流向出口。因此，流動(dòng)更加優(yōu)化，有利于夾雜物的去除。

從以上分析可以看出，上擋墻向中心右移后，不僅改變了注入?yún)^(qū)域的大小，而且對(duì)下?lián)鯄蠓降牧鲃?dòng)也影響很大，它消除了L1W1H3中存在分層流動(dòng)現(xiàn)象，鋼水直接環(huán)形流向出口，因此這種流動(dòng)明顯優(yōu)于圖3的L1W1H3。

3．4改變下?lián)鯄Φ奈恢靡詢?yōu)化流場(chǎng)

如圖8所示，與圖6的L1W1H3相比，下?lián)鯄ο蛑行淖笠坪螅舷聯(lián)鯄﹂g的間距縮小，鋼水沿底面流動(dòng)遇到下?lián)鯄螅淖兞肆鲃?dòng)方向，越過下?lián)鯄χ苯恿飨蝽斆妫缓笱刂斆嬖鼘恿鲃?dòng)，環(huán)形流向出口，在下?lián)鯄蠓叫纬删植亢艽蟮牡退賲^(qū)。

圖9給出了鋼液流線圖。可以看出在兩擋墻間的循環(huán)流動(dòng)更強(qiáng)，在下?lián)鯄蠓戒撍苯恿飨蝽斆妫刂斆媪鲃?dòng)，然后流向中間包側(cè)壁，從出口流出。在出口附近上方形成局部區(qū)域很大的循化流動(dòng)，形成死循環(huán)，流動(dòng)很不穩(wěn)定，因此這種流動(dòng)方式對(duì)夾雜物排出不利。

以上分析可以看出，設(shè)置下?lián)鯄Σ粌H可以消除底部的短路流，避免鋼水直接流向出口，延長鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，而且下?lián)鯄Φ拇嬖谑逛撍伤搅鲃?dòng)改為向上流動(dòng)，當(dāng)兩擋墻的間距縮小時(shí)，鋼水向上流動(dòng)的趨勢(shì)更強(qiáng)，直接流向中間包自由面，根據(jù)夾雜物與流動(dòng)的跟隨性的特點(diǎn)，這一方面縮短了夾雜物的上浮距離和上浮時(shí)間，減少鋼中夾雜物的含量：另一方面高溫鋼水流向表面，鋼水散熱增大，同時(shí)高溫的鋼水又不利于向下流動(dòng)。另外，在下?lián)鯄蠓降木植績(jī)?nèi)形成的小循環(huán)對(duì)流動(dòng)不利。

3．5混合情況

表2為表征中間包混合特性的參數(shù)。由計(jì)算結(jié)果可知，鋼水在中間包內(nèi)的理論平均停留時(shí)間是979．4s。采用L1W1H2原結(jié)構(gòu)中間包，鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間為762秒，死區(qū)比例為22．10％，滯止時(shí)間為38s。

上擋墻不變，增加下?lián)鯄Φ母叨龋瑴箷r(shí)間延長，最大濃度時(shí)間增大，平均停留時(shí)間延長，死區(qū)比例下降，因此可適當(dāng)增加下?lián)鯄Φ母叨龋幌聯(lián)鯄ξ恢貌蛔儯S著上擋墻距底面高度的增加，滯止時(shí)間減小，最大濃度時(shí)問減小，死區(qū)體積比增加，不宜增大上擋墻距底面得高度；在上擋墻向中心右移100mm，，滯止時(shí)間減小，最大濃度時(shí)間減小，死區(qū)體積比降低，因此上擋墻可向中心平移；在上擋墻向中心左移100mm，下?lián)鯄ο蛑行钠揭?/SPAN>200mm，滯止時(shí)間減小，最大濃度時(shí)間降低，死區(qū)體積比增大，下?lián)鯄Φ梦恢貌灰烁淖儭１容^上表，死區(qū)體積最小，活塞區(qū)體積最大的是L1W1H3。圖10為該L1W1H3加入示蹤劑的濃度擴(kuò)散圖。由圖可以看出，示蹤劑加入后，迅速在注入?yún)^(qū)擴(kuò)散開，然后從上擋墻下部，繼續(xù)擴(kuò)散越過下?lián)鯄α飨虺隹凇?/SPAN>

4結(jié)論

1)上下?lián)鯄ξ恢靡约伴g距對(duì)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)特性影響很大。合理的擋墻設(shè)計(jì)可延長鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間，提高活塞流區(qū)的體積，降低死區(qū)的體積。

2)增加上擋墻距離底面的高度，對(duì)流場(chǎng)的影響較大；下?lián)鯄Ω叨鹊脑龃髮?duì)上下兩擋墻間的流場(chǎng)的影響較小，但增加了出口上方區(qū)域的均勻性。

3)在下?lián)鯄ξ恢谩⒏叨炔蛔兊那闆r下，隨著上擋墻距底面高度的增加，滯止時(shí)間減小，最大濃度時(shí)間減小，死區(qū)體積比增加，因此不宜增加上擋墻距底面的高度。下?lián)鯄Φ母叨仍黾樱绤^(qū)體積比減小。因此選擇L2WIH3作為最優(yōu)結(jié)果。

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