連鑄中間包內(nèi)鋼液流場的數(shù)值模擬

連鑄中間包內(nèi)鋼液流場的數(shù)值模擬

在連鑄生產(chǎn)過程中，中心包起了重要作用，如降壓、降壓、將鋼水均勻分配給不同的晶器，實(shí)現(xiàn)多爐連續(xù)供水，排除雜質(zhì)和清潔鋼水。進(jìn)行中間包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)的優(yōu)化研究，對提高連鑄坯的質(zhì)量有重要意義。1鋼水在中間包內(nèi)流動的數(shù)學(xué)模型連鑄中間包中鋼水的流動是一個(gè)復(fù)雜的湍流流動過程，從動力學(xué)特征來講，假設(shè)高溫鋼液粘度恒定時(shí)，其特性與水的湍流流動在物理上是相似的，所以高溫鋼水可視為不可壓縮的牛頓流體。鋼水在中間包內(nèi)的湍流流動過程主要特征是不規(guī)則性、三維性、擴(kuò)散性和耗散性。描述這一過程的方程有連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程以及描述湍流流動的K-ε雙方程模型。(1）連續(xù)性方程假設(shè)鋼水在中間包內(nèi)的流動是穩(wěn)態(tài)流動，視鋼水為不可壓縮流，密度為常數(shù)，則：(2）動量傳輸方程鋼水在中間包內(nèi)的流動是一個(gè)紊流狀態(tài)，當(dāng)流動為穩(wěn)態(tài)流動時(shí)，式中：第1項(xiàng)是對流項(xiàng)；第2項(xiàng)是壓力梯度的影響；第3項(xiàng)是擴(kuò)散項(xiàng)；第4項(xiàng)是體積力，這里只考慮重力作用;μeff為有效粘度系數(shù)。(3）湍流模型文中采用雙方程模型（k-ε雙方程模型）。描述湍動能的k方程：描述湍動能耗散的ε方程：采用Launder和Spalding提出的單層壁面函數(shù)，既要考慮層流層和湍流層的劃分，并假設(shè)粘性層以外的區(qū)域無量綱速度服從對數(shù)定律。(4)能量方程式中：ST為源項(xiàng)，無內(nèi)熱源時(shí)為零；Γeff為有效擴(kuò)散系數(shù)，可表示為：其中：Pr和Prt分別為層流和湍流的普朗特?cái)?shù)，分別取1和0.9。在計(jì)算溫度場時(shí)，考慮到溫度對流場的影響，流體的密度：密度ρ=-0.883T+8612.5粘度ν=-1.2084×10-1-1.5167×10-4×T+6.7221×10-8×T2-10.229×T32表面散熱量的計(jì)算模型采用某鋼廠六機(jī)六流中間包，取中間包1/2區(qū)域，計(jì)算無擋墻和有擋墻2種情況下的流場和溫度場，幾何模型如圖1。邊界條件：(1）入口(2）在中間包出口截面上，設(shè)流體在出口處充分發(fā)展為壓力出口。(3）中間包壁面，所有壁面速度設(shè)置為0，壁面函數(shù)采用Launder和Spalding提出的單層壁面函數(shù)。壁面?zhèn)鳠釛l件采用第二類邊界條件，即。在澆注過程中，中間包壁傳熱和表面頂渣熱輻射視為恒定值，通過包壁和表面渣層的熱通量采用Chakraborty和Shhai的推薦值,橫向包壁散熱量3.2kJ/(m2·s)；縱向包壁3.8kJ/(m2·s)；底面1.4kJ/(m2·s)；表面渣層15kJ/(m2·s)。3計(jì)算結(jié)果和分析3.1中間包內(nèi)鋼水流動規(guī)律圖2,3是中間包在無擋墻和有擋墻2種情況下典型位置截面的流場，計(jì)算結(jié)果表明：加擋墻后，液面處的速度有所增加（2種情況下最大速度分別為0.189,0.139m/s），加擋墻改變了流動的狀態(tài)，流股在接近液面處的波動要大。從圖2看出，擋墻明顯改變了鋼水的流動路徑，鋼水在長水口澆進(jìn)中間包后，碰到擋墻的阻隔，形成一個(gè)大的自下而上的漩渦，帶動鋼水從擋墻上方通過，通過擋墻后一部分鋼水水平流動，另一部分又形成漩渦不斷向前滾動。由計(jì)算可知擋墻把整個(gè)中間包分為兩部分：靠近中間包底部的湍流區(qū)，接近液面處的近似于平穩(wěn)的層流區(qū)。下部的局部強(qiáng)湍流有利于鋼水溫度與成份均勻化、夾雜物聚合長大，防止其自由擴(kuò)散，從而有利于大型夾雜物上浮；平穩(wěn)的層流區(qū)域有利于小尺度夾雜物的上浮。對于不加擋墻的情況，從圖3(a）看出，鋼水的水平流占主導(dǎo)，液面很平穩(wěn)，但中間包的溝流明顯較大，對中間包末端鋼水作用強(qiáng)度小，末端容易形成死區(qū)。圖4直觀地揭示鋼水在中間包中的流動軌跡和對夾雜物去除效果的影響。比較圖4(a),(b)可以看出，空包內(nèi)鋼水流線較短，鋼水貼近液面的時(shí)間很短，夾雜物的去除不利。加設(shè)擋墻的中間包，鋼水的流線增長，鋼水的停留時(shí)間延長，絕大部分鋼水能流經(jīng)液面，并且具有很大的表面水平流路徑，增大了夾雜物上浮的機(jī)會。3.2中間包內(nèi)的溫度場圖5是有無擋墻的中間包溫度對比。通過計(jì)算得知：大包長水口處鋼水注入溫度為1530℃（1803K），中間包內(nèi)鋼水最低溫度約為1503.6℃（1776.4K），鋼水最低溫度的位置在中間包出口上方左端附近的鋼水頂面（中間包鋼水頂面的散熱量最大，速度相對較?。?。如圖6所示，無擋墻中間包內(nèi)的溫度場與中間包內(nèi)設(shè)擋墻時(shí)的溫度場完全不同。無擋墻時(shí)，中間包各鋼水截面的等溫線以平推形式向前推進(jìn)，這與中間包的“少回流”、“多短路流”的流場是一致的，這時(shí)中間包內(nèi)鋼水的溫度整體偏低，而且不均勻，其中一個(gè)很明顯的特征是在長時(shí)間澆鑄時(shí)，鋼水會出現(xiàn)分層，即出現(xiàn)高、低溫層。結(jié)合計(jì)算結(jié)果得知，無控流裝置中間包的各流出口鋼水溫度差最大達(dá)到3℃，改進(jìn)后的中間包，即加擋墻的中間包各流出口鋼水溫度差減少到1.8℃。圖7是中間包縱向各個(gè)截面的溫度分布，在兩種情況下，中間包的最低溫度都出現(xiàn)在靠近包壁側(cè)出口上方的液面處，無擋墻時(shí)最低溫度為1503.4℃（1776.4K），而加擋墻的最低溫度為1509.3℃（1782.3K）。擋墻改變了流場，使得鋼水的流動補(bǔ)充熱量效果明顯。在中間包的中上部溫度相對最高，在最上部散熱大，液面處溫度低，溫度的不均勻造成鋼水密度不一致，中間包內(nèi)存在自然對流，使得包底的溫度偏低，在中間包的中上部溫度相對最高。4中間包內(nèi)鋼水的熱損失的計(jì)算(1）沒有流動控制的中間包，包內(nèi)鋼水的流動狀態(tài)不利于夾雜物上浮和排出；加擋墻后，中間包內(nèi)鋼水流動狀態(tài)顯著改變，利于鋼坯質(zhì)量的改善。(2）中間包的下部和側(cè)墻的散熱遠(yuǎn)比中間包上部鋼水自由表面的小，即中間包內(nèi)鋼水的熱損失主要在中間包上部的自由表面處，計(jì)算得知在空包液面最低溫度是1503.4℃，有擋墻的是1509.3℃。中間包內(nèi)溫差的存在導(dǎo)致鋼液產(chǎn)生自然對流，在中間包底