張 馳 包燕平 王 敏 安航航 馮桂萍趙 敏 張廣軍 張書巖

(1:北京科技大學(xué)鋼鐵冶金技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013；2:撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心 遼寧撫順 113001；3:中鋼設(shè)備有限公司 北京 100080)

1 前言

中間包作為連接鋼包和結(jié)晶器的反應(yīng)器，其重要性被越來越被人們意識(shí)到。其冶金作用不僅是維持鋼液面的穩(wěn)定，同時(shí)作為生產(chǎn)潔凈鋼的反應(yīng)容器，在去除非金屬夾雜物和調(diào)節(jié)鋼液溫度與成分上也發(fā)揮著重要的作用[1][2]。中間包內(nèi)物質(zhì)和能量的傳遞由包內(nèi)的流場(chǎng)特性決定，研究中間包內(nèi)鋼液的流場(chǎng)特征的重要性不言而喻，因此需要設(shè)計(jì)合理的控流裝置來保證中間包冶金的冶金效果[3]。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼廠現(xiàn)用四流T型中間包存在的兩流之間鑄坯質(zhì)量和溫度相差較大的現(xiàn)象，采用物理模擬結(jié)合數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)研究方法，找出原型中間包鋼液流動(dòng)特性的較差的限制性因素，針對(duì)原型中間包的控流裝置存在的問題，設(shè)計(jì)新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，采用正交試驗(yàn)研究不同控流裝置組合對(duì)中間包流場(chǎng)特性的影響，同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)中間包內(nèi)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，得到該中間包的最佳優(yōu)化方案。

2 物理模擬試驗(yàn)原理及方法

2.1 試驗(yàn)原理

中間包水模型實(shí)驗(yàn)的原理是相似原理，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要保證原型和模型的幾何相似和動(dòng)力學(xué)相似[4]。動(dòng)力學(xué)相似要求模型的Fr準(zhǔn)數(shù)和Re準(zhǔn)數(shù)與原型的相等。在本實(shí)驗(yàn)條件下，水模型和原型的流體的流動(dòng)處于第二自?；瘏^(qū)，流體的流動(dòng)和流速對(duì)Re準(zhǔn)數(shù)的影響較小，因此模型(下標(biāo)用m表示)和原型(下標(biāo)用s表示)的Fr準(zhǔn)數(shù)相等，就可以保證滿足動(dòng)力學(xué)相似條件[5]：

(1)

由式(1)計(jì)算可以得出模型對(duì)應(yīng)原型的體積流量和水口流速，即：

Qm=λ2.5Qp

(2)

um=λ0.5up

(3)

本實(shí)驗(yàn)采用的模型與原型的幾何相似比λ=0.4，中間包模型的尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 中間包模型尺寸示意圖 (單位：mm)

2.2 停留時(shí)間分布曲線的測(cè)定

此次實(shí)驗(yàn)所采用的方法為“刺激-響應(yīng)”法[6][7]，潔凈的水從長(zhǎng)水口注入中間包，當(dāng)中間包內(nèi)的液面穩(wěn)定在給定高度時(shí)，從長(zhǎng)水口管道上的示蹤劑加入裝置脈沖加入150ml飽和KCl溶液，同時(shí)位于中間包1號(hào)(邊部)和2號(hào)(中部)的出口處的電導(dǎo)率開始測(cè)量液體的電導(dǎo)率變化，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。

為保證DJ800系統(tǒng)測(cè)量測(cè)得停留時(shí)間分布曲線(RTD曲線)的完整性，從示蹤劑加入開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)測(cè)量時(shí)間為中間包理論停留時(shí)間的2.5倍。從獲得的RTD曲線上可以直接得到從加入示蹤劑流至出中間包出水口時(shí)的滯止時(shí)間tmin和示蹤劑達(dá)到最大濃度的峰值時(shí)間tmax。通過對(duì)停留時(shí)間曲線積分，還可以得到各流體微元在中間包內(nèi)的實(shí)際平均停留時(shí)間tav。

(4)

理論平均停留時(shí)間ts=VR/Q。以理論停留時(shí)間ts為基準(zhǔn)時(shí)間，除以停留時(shí)間t，可以得出無因次停留時(shí)間θ：

(5)

按照混合模型理論，死區(qū)、活塞區(qū)和全混區(qū)占中間包流體體積的比例按照以下公式(6)計(jì)算：

Vd=1-θav,Vp=θmin,Vm=1-Vd-Vp

(6)

2.3 中間包流場(chǎng)顯示試驗(yàn)

采用高錳酸鉀溶液作為流場(chǎng)示蹤實(shí)驗(yàn)的示蹤劑，從長(zhǎng)水口管道上的示蹤劑加入裝置脈沖加入示蹤劑后，開始計(jì)時(shí)拍攝中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)。由于試驗(yàn)所用中間包對(duì)稱型中間包，因此僅需要對(duì)一側(cè)的包體進(jìn)行拍攝即可。

3 物理模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原型中間包物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原型中間包所采用的擋壩和堰作為控流裝置，其物理模型尺寸示意圖如圖2所示。試驗(yàn)所得原型中間包RTD曲線如圖3所示，RTD曲線分析結(jié)果如表1所示，流場(chǎng)顯示試驗(yàn)的結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合圖3和表1可知：原型中間包兩流之間的最小停留時(shí)間相差53s，峰值時(shí)間相差75s，說明兩個(gè)水口的一致性很差，造成鑄坯質(zhì)量不均勻。兩個(gè)水口的平均死區(qū)比例達(dá)46.15%，平均停留時(shí)間僅為315s，說明包內(nèi)存在明顯的短路流，不利于鋼液中的夾雜物上浮去除。

圖2 擋壩和堰的尺寸(單位：mm)

圖3 原型中間包RTD曲線

水口tmin/stmax/stav/sVp/%Vd/%Vm/%中部2013525428.2037.3034.50邊部7321037613.7055.0031.30

結(jié)合流場(chǎng)顯示圖4能更加直觀地觀察到：流體在中間包內(nèi)經(jīng)過擋壩后，部分流體直接下沉，短路進(jìn)入中部的水口，這造成兩水口存在較大的差異性。同時(shí)由于擋壩對(duì)流體的上揚(yáng)作用不明顯，使得流體動(dòng)能較小無法在包內(nèi)均勻混合，造成在邊部水口上部存在著明顯的流動(dòng)死區(qū)。

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)及結(jié)果分析

由于原型中間包長(zhǎng)寬比較大，屬于狹長(zhǎng)型中間包，壩對(duì)鋼液的上揚(yáng)作用無法使鋼液在中間包內(nèi)混合均勻，考慮采用帶導(dǎo)流孔的擋墻對(duì)中間包進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)為了增加流體從沖擊區(qū)流出時(shí)的動(dòng)能，采用帶導(dǎo)流孔的擋墻作為新型堰，替代原型懸掛式堰。5種不同類型的擋墻和1種新型堰的模型尺寸如圖5所示。采用正交方法開展10組試驗(yàn)，從中找出最佳實(shí)驗(yàn)組合方案。試驗(yàn)方案如表2所示。

圖4 原型中間包流場(chǎng)顯色實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 擋墻和新型堰的尺寸 (單位：mm)

表2 優(yōu)化試驗(yàn)方案表

方案編號(hào)壩/擋墻堰11號(hào)擋墻原型21號(hào)擋墻改進(jìn)型32號(hào)擋墻原型42號(hào)擋墻改進(jìn)型53號(hào)擋墻原型63號(hào)擋墻改進(jìn)型74號(hào)擋墻原型84號(hào)擋墻改進(jìn)型95號(hào)擋墻原型105號(hào)擋墻改進(jìn)型

通過對(duì)各方案的RTD曲線分析發(fā)現(xiàn)，方案8的優(yōu)化效果最為理想，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6和表3所示。在方案8中，兩水口的最小停留時(shí)間之差減少至7s，峰值時(shí)間相差僅23s，兩流的一致性得到很大的提升。兩個(gè)水口的平均死區(qū)比例從46.15%降低到20.05%，平均停留時(shí)間為536.5s，相較于原型中間包延長(zhǎng)了221.5s，中間包內(nèi)的流場(chǎng)特性得到了很大提升。

從方案8的流場(chǎng)顯示圖(如圖7所示)可以觀察到：流體在通過擋墻上的導(dǎo)流孔后具備較大的動(dòng)能，從而可以在中間包內(nèi)流動(dòng)更遠(yuǎn)的距離，明顯消除邊部水口處的流動(dòng)死區(qū)，使流體在中間包內(nèi)均與性得到明顯的提升。同時(shí)向上傾斜的導(dǎo)流孔促使流體向上流動(dòng)，有利于夾雜物的上浮去除。

圖6 方案8的RTD曲線

表3 方案8中間包各水口流動(dòng)參數(shù)

水口tmin/stmax/stav/sVp/%Vd/%Vm/%中部1416452723.6020.3056.10邊部2118754625.5019.8054.70

圖7 方案8的中間包流場(chǎng)顯色實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 控制方程和基本假設(shè)

鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，在本次數(shù)值計(jì)算所用控制方程由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程(Navier-Stokes方程)以及紊流k-ε雙方程進(jìn)行描述。在計(jì)算過程中，在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的前提下，為了方便計(jì)算進(jìn)行如下基本假設(shè)：(1)鋼液為黏性不可壓縮的牛頓流體；(2)中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)；(3)鋼水液面設(shè)為自由液面，忽略鋼水液面的波動(dòng)；(4)中間包內(nèi)鋼水的傳熱過程為穩(wěn)態(tài)傳熱[8][9]。

4.2 邊界條件

根據(jù)中間包內(nèi)流體的實(shí)際流動(dòng)，對(duì)中間包數(shù)學(xué)模型的邊界條件做以下處理：

1)中間包的入口取速度入口，鋼液的流速根據(jù)入口的體積流量計(jì)長(zhǎng)水口截面積得出，入口的湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率根據(jù)以下公式計(jì)算：

(7)

(8)

式中vin為入口速度，m/s；Din為長(zhǎng)水口直徑，m；

2)中間包出口處設(shè)為outflow；

3)中間包的液面設(shè)為自由表面，其剪切力設(shè)為零；

4)中間包的固體壁面為無滑移壁面，近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，法向上的梯度均為零。

對(duì)于中間包內(nèi)流體為鋼液的數(shù)值模擬，建立與原型尺寸相同的數(shù)學(xué)模型，入口流體的速度、湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率見下表4所示，中間包各邊界散熱強(qiáng)度如表5所示[2][10]。

表4 中間包鋼液的入口條件

表5 中間包各邊界散熱強(qiáng)度(w/m2)

4.3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬條件，對(duì)原型中間包和方案8進(jìn)行模擬計(jì)算，將中間包橫向出口截面溫度場(chǎng)進(jìn)行處理并作圖，如圖8所示。同時(shí)為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)原型中間包邊部塞棒處和中部塞棒處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫，實(shí)際測(cè)溫結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果如表6所示。

表6 中間包實(shí)際測(cè)溫結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比(K)

從表6中可以發(fā)現(xiàn)，中間包實(shí)際測(cè)溫結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，中部塞棒處的溫度比邊部塞棒處的溫度高出4～6℃，原型中間包兩流之間存在較大溫差。

從圖8(a)可知，在原型中間包中壩對(duì)鋼液的上揚(yáng)作用不明顯，導(dǎo)致在邊部塞棒處存在較大的溫度死區(qū)，中間包內(nèi)最大溫差達(dá)到35℃，同時(shí)兩流之間溫差在4～7℃，對(duì)鑄坯的質(zhì)量影響較大。從圖8(b)可知，方案8可以明顯減弱中間包內(nèi)的邊部塞棒處的溫度死區(qū)，中間包內(nèi)整體最大溫差異減小為20℃，兩流之間的溫度差異<1℃，方案8對(duì)中間包內(nèi)溫度場(chǎng)的優(yōu)化效果較為明顯。

圖8 中間包出口截面溫度場(chǎng) (a)原型中間包；(b)方案8

5 結(jié)論

1)原型中間包平均死區(qū)比例達(dá)46.15%，平均停留時(shí)間僅為315s，兩流之間流動(dòng)一致性差，中間包內(nèi)流場(chǎng)特性較差，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。

2)方案8中，平均死區(qū)比例降低到20.05%，平均停留時(shí)間為536.5s，相較于原型中間包停留時(shí)間延長(zhǎng)了221.5s，兩水口的最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間均得到明顯改善，中間包各流一致性得到和大程度提升。

3)原型中間包內(nèi)整體最大溫差達(dá)35℃，兩流溫差4～7℃，優(yōu)化方案8中間包內(nèi)整體最大溫差降低到20℃，兩流溫差小于1℃，優(yōu)化方案8對(duì)中間包溫度場(chǎng)的優(yōu)化效果較為明顯。