七流連鑄中間包流場(chǎng)的數(shù)值模擬 - 圖文-

1、V ol.28No.4安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第28卷第4期October2011J.of Anhui University of Technology(Natural Science2011年10月文章編號(hào):1671-7872(201104-0336-04七流連鑄中間包流場(chǎng)的數(shù)值模擬周良1,萬(wàn)文華2(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司,安徽馬鞍山243000;2.中天鋼鐵集團(tuán)有限公司,江蘇常州213011摘要:采用FLUENT軟件對(duì)中天鋼鐵集團(tuán)公司七流連鑄中間包內(nèi)型流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究速度矢量、湍動(dòng)能和流體跡線分布規(guī)律,分析中間包內(nèi)有無(wú)C型擋墻加入的流場(chǎng)特征。模擬結(jié)果表明,加入C型擋墻使中間

2、包的湍動(dòng)能主要集中在入口區(qū)域,利于延長(zhǎng)包內(nèi)各流的平均停留時(shí)間,減小死區(qū)體積分?jǐn)?shù),包內(nèi)各流流動(dòng)更加均勻,有利于鋼液溫度和成份的均勻。關(guān)鍵詞:七流中間包;湍動(dòng)能;流場(chǎng);跡線中圖分類號(hào):TF701.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A doi:10.3969/j.issn.1671-7872.2011.04.005Numerical Simulation of Flow Field for Seven Strand TundishZHOU Liang1,WAN Wen-hua2(EME Huatian Engineering&Technology Co.Ltd.,Ma'anshan243000,Chin

3、a;2.Zenith Steel Group Co.Ltd.,Changzhou213011,ChinaAbstract:The flow field of seven-strand tundish of Zenith Steel Group Corporation was simulated by using fluid dynamics package FLUENT.The characters of seven-strand tundish flow field were analyzed.The path lines of fluid and flow field in tundish

4、 and turbulent kinetic energy were compared on the condition of tundish with C shape weir or without weir.The simulation results show that the liquid steel among outlets are homogeneous because of the introduction of C shape weir,which is favourable for distribution of the liquid steel's tempera

5、ture and composition,and the dead area is decreased.Key words:seven-strand tundish;TKE;flow field;pathline中間包內(nèi)擋墻的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)、傳熱及鑄坯質(zhì)量有重要作用。賀友多1采用數(shù)值模擬研究了換包時(shí)的中間包流場(chǎng),得出了判斷夾雜在中間包內(nèi)上浮條件和變化特征。盛東源2建立了對(duì)中間包內(nèi)傳輸現(xiàn)象模擬的三維數(shù)學(xué)模型,開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。粱新騰等3采用數(shù)學(xué)模擬研究了以板坯連鑄中間包為對(duì)象的流動(dòng)與傳熱耦合過(guò)程,結(jié)合瞬態(tài)狀況下算出的RTD曲線,分析了堰壩組合的數(shù)量、次序和位置對(duì)中間包內(nèi)流場(chǎng)的影響

6、。針對(duì)壩堰距注流口的距離,分別給出了短距離和長(zhǎng)距離方案的最優(yōu)結(jié)果。彭世恒4、馬天飛5、王建軍6-7采用數(shù)值計(jì)模擬研究了無(wú)控流裝置、應(yīng)用擋渣墻壩以及導(dǎo)流隔墻時(shí)單流中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)行為,得到了優(yōu)化的中間包結(jié)構(gòu),可以有效地延長(zhǎng)平均停留時(shí)間,減小死區(qū)比例,改善短路流現(xiàn)象,促進(jìn)夾雜物聚集上浮。常州中天鋼鐵集團(tuán)有限公司第一煉鋼廠為提高生產(chǎn)效率,將原有六流方坯連鑄機(jī)擴(kuò)建為七流連鑄機(jī)。由于新設(shè)計(jì)中間包的不對(duì)稱性,需要通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)中間包內(nèi)流場(chǎng)和流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析,為保證包型設(shè)計(jì)的合理以及進(jìn)一步優(yōu)化中間包擋墻參數(shù),達(dá)到包內(nèi)鋼水溫度和成份的均勻穩(wěn)定提供參考。1數(shù)學(xué)模型描述連鑄中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)過(guò)程的方程有連續(xù)性方程、

7、動(dòng)量方程和描述湍流流動(dòng)的k-雙方程模型。連續(xù)性方程:假定中間包內(nèi)鋼水密度為常量的不可壓縮流體,且為穩(wěn)態(tài)流動(dòng),則有:收稿日期:2011-05-06作者簡(jiǎn)介:周良(1970-,男,安徽蕪湖人,高級(jí)工程師。第4期周良等:七流連鑄中間包流場(chǎng)的數(shù)值模擬¶(v i ¶x i =0(1動(dòng)量方程:中間包內(nèi)鋼水是一個(gè)紊流過(guò)程,動(dòng)量方程可以用Navier-Stokes 方程描述:v j ¶v i ¶x j =-¶p ¶x i +¶¶x j éëêùûúeff ì&#

8、237;îüýþ¶v i ¶x j +¶v j ¶x i (2湍動(dòng)能方程(k 方程:¶(v j k ¶x j =¶¶x j æèçöø÷eff k ´¶k ¶x j +G -(3湍動(dòng)能耗散率方程(方程:¶(v j j =¶j æèçöø÷eff ´¶j +(C 1G -C 22k (4式中

9、:為鋼液密度,kg/m 3;v i ,v j 分別為i ,j 方向上的速度分量,m/s ;p 為壓力,N;k 為湍動(dòng)能,m 2/s 2;為湍動(dòng)能耗散率,m 2/s 3;eff 為有效的粘度,Pa ×s ;G 為湍動(dòng)能產(chǎn)生率,即G =t¶v j ¶x i æèçöø÷¶v i ¶x j +¶v j ¶x i (5式中:t 為湍流粘度,Pa ×s ;C 1,C 2,k 為湍動(dòng)能經(jīng)驗(yàn)系數(shù),采用Lauder 和Spalding 所推薦的數(shù)據(jù),C 1=1.43,C

10、2=1.93,=1.0,k =1.0。2邊界條件及計(jì)算方法2.1邊界條件模型計(jì)算采用以下邊界條件:(1精煉鋼包鋼流進(jìn)入中間包入口的速度垂直于鋼液面,入口速度根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)由入口流量和入口面積計(jì)算得到中間包入口速度為1.24m/s 。(2視中間包內(nèi)鋼液面為自由表面,除注入口外自 由表面法線方向的速度為零。(3固體壁面采用無(wú)滑移邊界條件。2.2網(wǎng)格劃分和數(shù)值求解流場(chǎng)的計(jì)算采用商業(yè)軟件FLUENT ,計(jì)算對(duì)象為加設(shè)多孔擋墻控流裝置的中間包,由于幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性和物理現(xiàn)象的復(fù)雜性,故選取整個(gè)中間包體積進(jìn)行計(jì)算,模型和實(shí)物的比例為1:1。為了精確計(jì)算,在小孔、進(jìn)水口和出水口處的網(wǎng)格加密處理。中間包幾何模型

11、如圖1,從左至右依次為17流。圖2為不同截面七流中間包的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。采用SIMPLE 壓力速度耦合算法,動(dòng)量方程采用二階離散格式,收斂條件為殘差少于10-3。337 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2011年3結(jié)果與討論圖3是中間包分別在有、無(wú)C 型擋墻條件下,在x =0截面上鋼水入口注流區(qū)的速度分布矢量圖。從圖3(a可看出,無(wú)論有無(wú)擋墻時(shí),鋼水入口射流右側(cè)從包底到液面形成一個(gè)較大回旋區(qū),大部分鋼液向右流動(dòng)至包壁處后轉(zhuǎn)而流向中間包水口處。圖3(b是中間包注流區(qū)設(shè)置擋墻后中間包對(duì)稱截面上的流場(chǎng),中間包包內(nèi)加入C 型擋墻后,整個(gè)中間包內(nèi)的流動(dòng)分成了2個(gè)區(qū)域,擋墻一側(cè)的分配區(qū)以及另一側(cè)的注流區(qū)。擋墻左側(cè)中

12、間包分配區(qū)內(nèi)鋼水流動(dòng)較平穩(wěn),鋼液的湍動(dòng)主要集中在注流區(qū)。圖4為七流中間包垂直截面有無(wú)擋墻時(shí)湍動(dòng)能的分布云圖。從圖4可以看出,當(dāng)帶導(dǎo)流孔的擋墻引入中間包后,鋼液入口區(qū)的湍動(dòng)能主要集中在沖擊區(qū)域。由于擋墻的存在,在入口區(qū)域,有擋墻中間包比無(wú)擋墻中間包流動(dòng)回旋強(qiáng)度增大,從入口進(jìn)來(lái)的鋼液能夠得到充分的混合,使鋼水成份和溫度的均勻性增大,有利于夾雜物的碰撞長(zhǎng)大而上浮至液面被保護(hù)渣吸收。擋墻將中間包內(nèi)部分成注流區(qū)和分配區(qū)2個(gè)流動(dòng)狀態(tài)明顯不同的區(qū)域,這有利于中包流場(chǎng)的合理分布。圖5為中間包在有無(wú)擋墻下,z =0.35m 處七流中間包水平截面速度分布矢量圖和湍動(dòng)能分布圖。從圖5可以看到,擋墻的存在使從鋼包水口

13、流出鋼水的湍動(dòng)能更加均勻地分配到各出流口,達(dá)到均勻鋼水成份和溫度的目的。圖6為中間包內(nèi)有無(wú)擋墻下的流場(chǎng)跡線圖。流線圖可以直觀反映鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)軌跡,從另一個(gè)角度評(píng)價(jià)中間包流場(chǎng)的優(yōu)劣。從圖6(a可以看出,中間包內(nèi)部分鋼液從鋼包水口進(jìn)入后直達(dá)各中間包水口,鋼液流動(dòng)路線短,對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間較短,夾雜物不能充分上浮。偏流程度較嚴(yán)重,近流與中流的流動(dòng)較遠(yuǎn)流的流動(dòng)強(qiáng),鋼液之間沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行混勻。從圖6(b可以看出,設(shè)置擋墻后,中間包內(nèi)形成了2個(gè)流動(dòng)狀態(tài)完全不同的注流區(qū)和分配區(qū),鋼液經(jīng)過(guò)導(dǎo)流孔進(jìn)入分配區(qū)后,斜向上運(yùn)動(dòng),鋼液流動(dòng)路線增長(zhǎng)。因此,有擋墻與無(wú)擋墻中間包相比,鋼液流經(jīng)路線較長(zhǎng),停留時(shí)間增加,

14、 遠(yuǎn)流的偏流程度降低。338第4期周良等:七流連鑄中間包流場(chǎng)的數(shù)值模擬圖7,8為中間包內(nèi)有無(wú)C 型擋墻下鋼液的平均停留時(shí)間分布曲線圖。從圖7可看出,無(wú)C 型擋墻下,中間包內(nèi)部分鋼液從鋼包水口進(jìn)入后直達(dá)各中間包水口,在近流口出現(xiàn)短路流,各出流口的響應(yīng)時(shí)間分別為162,35,5,5,21,197,275s 。對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間較短,夾雜物不能充分上浮。偏流程度較嚴(yán)重,近流與中流的流動(dòng)較遠(yuǎn)流的流動(dòng)強(qiáng),鋼液之間沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行混勻。從圖8可看出,有C 型擋墻下,中間包內(nèi)部分鋼液從鋼包水口進(jìn)入后各流的均勻性得到改善,在近流口短路流也消失了,各出流口的響應(yīng)時(shí)間分別為121,67,100,111,22,71,

15、268s 。偏流程度得到較好的抑制,可以改善各流鋼液的均勻性。4結(jié)論(1七流中間包在不加擋墻的條件下,流體的湍動(dòng)能主要分布在沖擊區(qū)域以及靠近沖擊區(qū)的出流口附近,各流流動(dòng)差異比較大。(2中間包加入C 型擋墻后各流的響應(yīng)時(shí)間得到了延長(zhǎng),利于延長(zhǎng)鋼液在包內(nèi)的平均停留時(shí)間,及夾雜物的上浮。(3中間包加入C 型擋墻,各流流動(dòng)差異減小,對(duì)改善遠(yuǎn)離注流位置和靠近注流位置的出流口的流動(dòng)有顯著作用。參考文獻(xiàn):1賀友多.更換鋼包時(shí)中間包的流場(chǎng)J.鋼鐵,1990,25(10:20-28.2盛東源,倪滿森,鄧開(kāi)文,等.中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)、溫度控制和夾雜物行為的數(shù)學(xué)模擬J.金屬學(xué)報(bào),1996,32(7:742-747.3梁新騰,張捷宇,李揚(yáng)洲.板坯連鑄中間包壩堰控流裝置研究J.世界