南钢1 3 t中间包流场模拟

供稿|金爱军,翟卫江,刘福海 / JIN Ai-jun, ZAI Wei-jiang, LIU Fu-hai

内容导读

文章以南钢集团13 t中间包为例,应用Fluent模拟软件对流场进行三维模拟.计算了在不同拉速下中间包内熔池平均流速及夹杂物去除率.模拟计算结果为冶炼生产提供了数据支持.文章还介绍了模拟中间包流场的软件参数设置方法,希望能给读者提供一些学习素材.

连铸中间包是接受和再分配钢水的冶金反应容器,具有改善钢液流动条件、均匀钢液温度、促进夹杂物上浮等功能.中间包不但是炼钢生产流程的中间环节,而且是炼钢-连铸过程中连续操作的衔接点.随着对特殊钢质量与性能要求的不断提高,中间包的冶金效果越来越受到重视[1-2].

近年来,采取了一系列技术措施来强化和扩大中间包的冶金功能,从而使中间包由一种简单的钢液过度容器变成了重要的钢液精炼设备[2].一般在中间包内完成的附加冶金功能主要有[3-4]:

(1) 净化功能:在中间包内采用挡墙加坝、吹氩、陶瓷过滤器等技术措施,可有效改善中间包内钢水的流动状态,促进钢中非金属夹杂物的上浮分离.

(2) 调温功能:采取向中间包内加小块废钢、喷吹铁粉等措施以调节钢水温度.

(3) 成分微调:由中间包塞杆中心向结晶器喂入铝、钛、硼等包芯线,实现钢中微合金成分的微调,既提高了易氧化元素的收得率,又可避免水口堵塞.

(4) 精炼功能:在中间包钢水表面加入双层渣,吸收钢中上浮的夹杂物,或者在中间包喂钙线从而改变Al2O3夹杂形态,防止水口堵塞.

(5) 加热功能:在中间包内采用感应加热和等离子体加热等措施,可以保持最佳过热度浇注、补充合金微调所需的热量.

通常研究人员主要是通过理论计算和水模拟对中间包的结构进行设计.但中间包钢水流动实际影响因素较多,对理论计算和水模拟得出的结论会造成一定影响.因此,不能保证原计算以及模拟的准确性.

随着计算机计算能力的不断提高,Fluent辅助工程模拟软件以其高效率、低成本的优势使数值模拟在钢铁工业中得到了广泛的应用.由于Fluent软件具有计算周期短,模拟结果精确、三维可视能力高等优势,研究人员可以更加直观地理解流体的各种流动性质和规律.

本文对南钢13 t中间包进行了数值模拟,分析了不同拉速下中间包内的流场状态及去夹杂能力.

数值模拟

为缩短模拟计算周期,在保证计算结果精确度的条件下,采取了以下简化方法:

(1) 考虑到中间包几何尺寸的对称性,采用面对称模拟方式;

(2) 仅考虑钢液流动状态,不考虑渣层流动的影响;

(3) 认为流入的钢液是连续不断的,且流入质量恒定;

(4) 忽略出水口及塞棒结瘤的影响;

(5) 默认模拟周期中塞棒位置不发生改变.

根据中间包内腔实际尺寸(如图1所示)采用三维几何模型.使用Gambit 2.2.30软件建立几何模型并划分网格,采用六面体网格形式.最小网格尺寸位于气体入口处.计算域中最大网格尺寸为18 mm,网格数约为1.20X107.

图1 中间包内腔尺寸(单位:mm)

利用Fluent模拟软件对不同拉速下的中间包流场进行模拟,采用标准k-ε湍流模型、无滑移壁面和标准壁面函数.计算过程中,压力和速度采用PISO算法耦合,进行稳态计算.压力采用Body Force Weighted方法进行差分,体积分数采用Ger-Reconstruct进行差分,其余变量采用一阶迎风格式差分[5].

根据实验情况给定边界条件,入口边界为钢液质量入口,出口边界为压力出口.中间包拉速分别为1.6、1.8、2.0 m/s.

结果分析

不同拉速下的速度云图,如图2所示.中间包内的拉速为1.6、1.8、2.0 m/s时,熔池平均速度分别为0.043、0.048和0.053 m/s.由此可见熔池平均速度随拉速的增大而增大.

图2 不同拉速下中间包内熔池速度云图

如图3所示,钢水通过长水口不断进入中间包,围墙内形成明显循环流动,在流动过程中夹杂物部分上浮到渣层,部分由炉衬捕捉.通过围墙的夹杂物随包内不规则旋流移动,并持续被渣层及炉衬捕捉,此过程中少部分夹杂物被钢流经由水口带出中间包.不同拉速下,不同粒径夹杂物去除率如表1所示.

图3 不同拉速下中间包内夹杂物流线图

表1 不同拉速下不同粒径夹杂物去除率

通过数值模拟可知:

1) 当拉速为2.0 m/s时,熔池内平均速度为0.053 m/s,粒径分别为10、20、70 µm的夹杂物去除率分别为50.4%、53.2%、55.8%;

2) 当拉速为1.8 m/s时,熔池内平均速度为0.048 m/s,粒径分别为10、20、70 µm的夹杂物去除率分别为52.1%、55.5%、57.4%;

3) 当拉速为1.6 m/s时,熔池内平均速度为0.043 m/s,粒径分别为10、20、70 µm的夹杂物去除率分别为52.3%、55.9%、58.0%.

结束语

利用Fluent模拟软件,根据中间包实际工作情况,在保证结果精确度的同时,合理简化模拟条件.可以在短时间内得出中间包流场的流动状态,通过分析总结流动规律,为优化中间包结构及调整冶炼工艺提供可靠的数据依据.以炼钢厂13 t四流中间包为研究对象,通过数值模拟中间包内流场流动规律及对夹杂物去除能力的影响:降低中间包拉速能够增加夹杂物的去除率.

[1] 殷瑞钰. 关于21世纪发展连续铸钢的若干认识. 连铸,2001(l): l-3.

[2] 王建军. 中间包冶金学. 北京:冶金工业出版社,2001:4.

[3] 朱立光. 现代连铸工艺与实践. 石家庄:河北科学技术出版社,2000:230.

[4] 蔡开科,程士富. 连续铸钢原理与工艺. 北京:冶金工业出版社,2007: 164.

[5] 李鹏飞,徐敏义,王飞飞,等. 精通CFD工程仿真与案例实战. 北京:人民邮电出版社,2011.