搜索連鑄中間包內湍流控制器控流過程的數值模擬
2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
1 前言
中間包在穩定鋼鐵生產過程和提高鑄坯質量上扮演著重要的角色,深入研究中間包中鋼水的流動格外重要。通常通過在中間包中加壩、堰及各種湍流控制器(統稱控流裝置)來改進中間包內的流動。在許多研究中,水模擬和計算流體動力學(CFD)被用來研究各種控流裝置下鋼水的流動狀況,這些研究方法對于改進中間包設計非常重要。
受模型及水的物性限制,水模擬很難準確模擬高溫鋼液的運動特點;鋼水在連鑄過程中,因為冷卻作用,溫度是不均勻分布的,而水模型很難模擬出溫度差對流動的作用。因此全面考察連鑄情況需要采用數值模型。
數值模擬可以用來優化控流裝置的布置從而更好地去除鋼水中夾雜物,不同工況下鋼水的流動狀況也同樣需要研究。目前應用計算流體動力學(CFD)可以系統地對中間包進行最優化設計。本文針對寶鋼連鑄中間包結構和操作工藝參數,建立描述中間包內鋼水流動的數學模型,并用ANSYS-CFX軟件求解方程,研究控流裝置對鋼水的流動特性及停留時間的影響,對低壩位置進行優化設計,并用水模擬進行驗證。
2 數學模型
2.1控制方程
中間包內鋼水的流動過程是一個比較復雜的過程,但由于澆注過程中,鋼液溫度基本保持不變,可簡化為穩態的三維湍流流動。描述中間包內鋼液流動傳熱的方程由連續性方程、3個方向的動量方程(Navier-Stokes。方程,簡稱N-S方程)、能量方程和標準k-ε湍流模型方程所組成。在湍流狀況下示蹤劑的運動方程為:
這里ρ為混合流體密度,C是示蹤劑的濃度值,即單位體積內示蹤劑質量,Sc是體積源相,是示蹤劑單位時間單位體積的剩余質量數, Dc示蹤劑的擴散系數,本文取
;μ1鋼水的湍流粘度,; Sct是示蹤劑的湍流施密特(Schmielt)準數,本文取0.9。
2.2研究對象
以寶鋼4#連鑄機中間包為研究對象,分別計算中間包內型為無壩空包、外方提供方案(表1)和改進方案三種模型,長水口和浸入式水口的內徑分別為90mm和70mm,模型結構和尺寸如圖1所示。
改進方案是對外方提供中間包方案的改進,此時是將遠端的低壩移至階梯形包底平面的上端。
2.3邊界條件
寶鋼4#連鑄機設計鑄坯尺寸為1750mmx230mm,拉坯速度為2.2m/min。
鑒于模型結構長度方向的對稱性,取模型的一半進行計算。對稱面上,除了垂直于邊界的速度分量和雷諾應力之外,其余所有變量在數學上是對稱的,邊界沒有擴散量通過。
入口鋼水速度依據連鑄機拉速和質量守恒計算確定,方向垂直于入口。入口的湍動能kim和湍動能耗散率εin由下式確定:
出口給定壓力邊界條件,相對靜壓為0(參考壓力為一個大氣壓)。
在金屬-渣界面,采用滑移邊界條件,其余固體壁面看作無滑移邊界,靠近壁面處的邊界層,采用標準的壁函數進行處理。
在中間包各固體壁面上及自由表面上示蹤劑的濃度為0。
2.4熱邊界條件
鋼水的物性參數和中間包散熱參數分別見表2和表3。
3 網格劃分與求解
利用ANSYS-ICEM軟件對建立好的CAD模型進行網格劃分,圖2為劃分好的計算網格,網格采用結構性的貼體網格,網格數目大約70萬。本文所有方程均用ANSYS-CFX軟件進行離散、求解,先求解得到鋼液穩定流動的流場和溫度場,計算的收斂標準是各變量的計算殘差均在1x10-5以下,在得到穩定的流場和溫度場后,加入一定量示蹤劑求解瞬態的三維質量傳輸方程,在計算完設定的時間后,得到收斂的瞬態解。在瞬態計算過程中,于出口處監測示蹤劑濃度值隨時間變化的RTD曲線,從而得到示蹤劑濃度隨時間變化的函數關系。在ANSYS-CFX后處理軟件中觀察計算所得的速度場和溫度場。
根據RTD曲線,可以直接得到最短停留時間tmin、出口示蹤劑濃度達到最大值的時間tmax,平均停留時間t,并結合相應的流動模型,可以計算出中間包內全混流區(vd)、活塞流區(Vp)、死區(Vd)的體積分數,由此分析鋼液的流動特征。本文RTD數據處理參照文獻處理。數模結果的驗證是按1:3將模型縮小,進行水力學模擬。水模試驗組織過程參看文獻。
4 計算結果及討論
圖3是鋼水流動的流線圖,由圖3 (a)可看出當無壩空包情況下,來自鋼包的高速鋼水沖到中間包底后,向四周散開,一部分沿著底部向出口流動,而更多的是流到側壁后返卷向液面,形成類似螺旋型流線流向出口,由于這種流動在離開澆注區域后,迅速分散,所以這種流動不利于夾雜物的碰撞、長大、上浮。而加湍流控制器低壩的方式(如圖3 (b, c)),當流速快的鋼水沖到包底后,受到抑制,又逆著鋼水澆注方向流向表面,到達表面后鋼水沿著表面成水平流動方式向出口方向流去,這種流動方式將大包注流沖擊區引起的強烈運動控制在湍流控制器以內,促使來自大包中鋼液夾雜物的碰撞與長大,并且這種流動可以將鋼水中的夾雜物帶到液面,因而非常有利于夾雜物的上浮和去除。由圖可見,改進的外方方案與外方提供方案相比,鋼水沿著表面的水平流動距離更長,更能夠去除鋼水中的夾雜物。
圖4為三個方案水平上表面速度矢量圖的比較,可以看出,中間包內設置了湍流控制器(如圖4 (h, c))的與無任何控流裝置的比,中間包內鋼水的流動速度明顯分成了兩部分,在大包長水口附近,鋼水流速較快,離開湍流控制器附近后,鋼水流速明顯降低。同時由圖4可知,無任何控流裝置時,鋼水在上表面的流動是從包壁向中心匯集,而有湍流控制器的方案,鋼水的流向是以大包澆注口為中心流向四周。
圖5是三方案在長度方向中心位置的速度矢量比較圖,由圖5可以看出在空包包底附近形成了一個循環流,這限制了中間包多數區域上升流的發展,因此,這樣的流動方式不利于非金屬夾雜的上浮。設置湍流控制器和遠端低壩的方案,與無控流相比,不僅減弱了鋼包注流對中間包內鋼水的沖擊作用,并且在鋼水澆注口附近,鋼水的流向相反,避免了由中間包覆蓋劑引起的卷渣夾雜的可能。湍流控制器和遠端堤壩的方案在包底附近沒有循環流,因而有利于夾雜物上浮,外方提供方案的中間包內部靠近表面有一個循環流,這也同樣不利于夾雜物的上浮,改進方案由于消除了這種循環流,因而更加有利于夾雜物的去除。從圖5可以看出,在中心截面上,有湍流控制器的方案對鋼水有一個明顯的提升,這有利于夾雜物的上浮,而空包方案鋼水大多向包底和出口流動,這不利于夾雜物的去除。
為提高夾雜物在中間包內的去除速度,要求中間包內有一個較大的活塞區,若從有利于夾雜物聚合的角度看,要求有一定的混合區;另外很重要的一點,就是要有流向表面的流動,這有利于夾雜物被保護渣層吸收.
圖6分別是三種情況下中間包內示蹤劑停留時間分布曲線數模計算結果和水模實測結果,從圖6可以看出,空包時停留時間曲線具有tmin。很小的特點,說明它具有短路流特征,當鋼水從大包注入中間包時,鋼水中的夾雜物來不及上浮就進入鑄坯,影響質量。而有湍流控制器方案RTD曲線峰值后移,說明中間包內流體活塞流加強,短路流特征得到改善。表4為各模型的RTD曲線的具體分析。它與計算所得的RTD曲線共同反映了各模型中間包內的流動特征。表4數模結果和水模結果數據非常接近,這進一步驗證了數值模擬結果的正確性。
從表4數模結果可以看出,無控流裝置時的空包方案,死區體積達到21.7%,中間包的有效容積變小,鋼水在其中的運動途徑變短,不利于夾雜物的上浮,同時死區內鋼水溫度降低,容易形成冷鋼而凍結,流場不合理,需要改進。加了湍流控制器的方案,中間包內鋼水死區明顯減少,相比較改進方案更為理想,死區體積減少到6.93%,活塞區體積達38.84%,它改善了鋼水中夾雜物上浮的條件。
5 結論
(1)不采用任何流動控制裝置存在較大死區,不利于夾雜物上浮,影響中間包排除鋼液夾雜物的作用,所以中間包安裝合理的控流裝置是必要的。
(2)與外方提供方案相比,改進的控流方案可以更有效改善鋼水的流動狀態,使溫度分布更均勻,更有利于延長鋼液的停留時間,降低死區體積從而使夾雜物的上浮更容易。
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