六流中间包夹杂物去除的物理与数学模拟实验研究.pdf

3 0 重 型 机 械 2 0 1 6 N O 4 六流中间包夹杂物去除的物理与数学 模拟实验研究 何博 ，李勤勇 ，徐 学华 ， 王宝峰。 ， 黄 军 ，张亚坤 ( 1 中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 7 1 0 0 3 2；2 内蒙古科技大学，内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0 ) 摘要：以某钢厂六流对称小方坯连铸中间包为研究原型，采用水力学试验和数值模拟相结合的 方法研究多孔挡墙对中间包内夹杂物去除率的影响，并得到最优的中间包结构。实验结果表明，在中 间包未添加多孔挡墙控流装置时，中间包夹杂物的去除率很小 ，水力学实验结果为 6 1 5 1 ，数值模 拟实验结果为 7 3 3 ；采用优化后的 3 0 。 多孔挡墙型挡墙后 ，中间包的夹杂物去除率得到明显改善， 水力学实验结果为 8 2 4 5 ，数值模拟实验结果为8 3 0 ，多孔挡墙的添加有助于中间包中夹杂物的 去除 。 关键词：中间包、水力学实验、数值模拟、挡墙、夹杂物 中图分类号：T F 7 7 7 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 11 9 6 X( 2 0 1 6 ) 0 4 0 0 3 00 5 St ud y o n in cl us io ns r e mo v a l o f s ix- s t r a nd t un dis h by me t ho d s o f p hy s ica l a nd ma t he ma t ica l s imu l a t io n H E B e ， L I Q in y o n g ，X U X u e h u a ， WA N G B a o f e n g 。 ， HU A N G J u n ， Z H A N G Y a k u n ( 1 C h in a N a t i o n a l He a v y Ma ch in e r y R e s e a r ch I n s t i t u t e C o ， L t d ，X i a n 7 1 0 0 3 2 ，C h in a ； 2 I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s it y o f S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y ， B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ，I n n e r Mo n g o l i a ，C h i n a ) A b s t r a ct ：T a k in g t u n d is h o f s i x s t r a n d s y m me t r i c b i l l e t ca s t i n g a s t h e r e s e a r ch o b j e ct i n a s t e e l p l a n t ，t h e e f f e ct o f p o r o u s r e t a in in g wa l l o n t h e in cl u s io n r e mo v a l r a t e in t u n d is h wa s s t u d ie d b y h y d r a u l ic t e s t a n d n u me ri ca l s imu l a t io n An d t h e o p t ima l t u n d is h s t r u ct u r e w a s o b t a in e d a t l a s t T h e e x p e r ime n t a l r e s u h s s h o we d t h a t t h e in cl u s io n s r e mo v a l r a t e o f p r o t o t y p e t u n d is h is l o wa n d t h e h y d r a u l ic e x p e ri me n t a l r e s u l t w a s 6 1 5 1 a n d n u me n ca l s imu l a t io n r e s u h w a s 7 3 3 w h e n t u n d is h we r e n t fi t t e d w it h p o r o u s r e t a in in g wal1 in s t a l l a t io n s T h e in cl u s io n r e mo v a l r a t e o f t h e t u n d is h w a s imp r o v e d o b v io u s l y b y u s e d wit h 3 0 一d e g r e e p o r o u s r e t a in in g w a l l s T h e h y d r a u l ic e x p e r ime n t a l r e s u l t wa s 8 2 4 5 a n d n u me ri ca l s imu l a t io n r e s u l t w a s 8 3 R e s p e ct iv e l y ，t h e a d d it io n o f p o r o u s r e t a in in g wa l l wa s h e l p f u l f o r in cl u s io n s r e mo v in g in t u n d is h Ke y wo r d s ： t u n d is h；h y d r a u l ic e x p e r ime n t s ；n u me r ica l s imu l a t io n；r e t a in in g w a l l ；in cl u s io n U 日 lJ百 钢的连铸生产设备是一个由钢包 、中间包和 结晶器等 3个冶金反应器串联布置的高温反应体 系 J 。中间包是钢铁 的连铸生产 过程 中由间歇 生产过程转变成连续生产过程的过渡设备 ，中间 收稿 日期 ：2 0 1 6 0 41 8 ；修订 日期 ：2 0 1 6 0 60 3 作者简介：何博( 1 9 7 8一) ，男，中国重型机械研究院股份公 司 高级工程师 。 包最初的作用主要包括分流作用 、连浇作用 、减 压作用和保护作用 。随着钢铁生产技术 的不 断发展和对钢水洁净度要求的越来越高 ，中间包 的冶金功能越来越受到人们的重视 ，相关工作者 也对其进行 了大量科学研究 ，一般通过分析水力 学实验和数值模拟实验中钢液停留时间分布曲线 ( R T D) 和流场分布情况 ，来间接判断 中间包 的夹杂物去除情况 。为了更加直观的判断中间包 对夹杂物的去除情况 ，本文采用水力学实验和数 霞 型 机 械 3 l- 值模拟的方法 ，对优化前后中问包夹杂物的去除 能力进行直接研究。 本次夹杂物去除试 验 巾，水力学 实验部 分 应用 中国重型机 械研究 院刚 刚建立 的 P XI 连铸 综合模拟实验 平 台进行试 验 ，采用空心玻璃 做 珠 来模 拟夹 杂 物 ；数 值 模 拟 实验 部 分，应 H j A N S Y S软件对实验对象进 行相关 的夹杂物去除 实 验 。 1 实验方案 根据 中重院提供的图纸 ，同定“ T ” 型 内部 的控流装置 ，改变挡墙的结构 ，分析获得最优的 挡墙结构，然后利H j 固定后的挡墙结 构 ，选取 优化的“ T ” 型区内部 的控流装置。以某钢厂六流 小方坯中间包为研究对象 ，陔中间包容量 6 m ， 长水口内径 6 0 n l n l ，插 入深度 3 0 0 l l l l l l ，出水 l j 内径 3 0 mi l l ，中间包稳定操作液面高度 8 0 0 mi l l ， 铸坯断面尺寸为 1 8 O 1 1 1 n l X 2 4 0 h im，正常拉坯速 度为 1 。 1 n r m in ，优化前后 巾问包结构如冈 1 所 示 ，其尺寸参数见图 2 冈 l 原中间包 ( 左) 和优化后 中白 】 包 ( 朽) F i g 1 Or i g in a l t u n d i s h( 1 e f t )a n d o p t i mi z e d t u n d is h ( r i g h t ) 罔 2 优化后中问包的 尺寸参数 F ig 2 Dime n s io n p a r a me t e r s t )f o pt imiz e d t u n dis h 为 了便于对实验结果进 行说明，对 同实验 下的中间包进行编号 ，实验编号见表 l 。 表 1 实验方案编号 Ta bI Ex p e r il l 1 P 1 l l ap r o g r a m n t l n l h el“ 2 实验方法 2 1 水力学实验 2 1 1 实验 原理 过去的大量研究T作已经证实，巾间包挡墙 设置首先要考虑如何保证钢水注入巾间包后先形 成一个稳定的充分混合 ，离 开混合区的钢水还 要经过一个较长的活塞流区而最终到达 口。从 有效 去除夹杂物的冶金要求出发 保证活褰流流 股上扬 也 是一 个必须 考虑 的问题 水力学实验 巾模型 与原型之间的比例为 1 ： 2 ，实验中要保证几何模型与巾问包原型之问几 何卡 H 似 和动 力相似 对于儿何 相似， 根据 国内外文献报道和实验条件， 选州有机玻璃作为 制作材料 ，按照特定 比例缩小制作巾问包儿何模 型，同时保证模型的 J 、 】 部结构与原形相同；在满 足动 力学相似方面 ，m于选择的巾问包内部水的 流动状态与实际巾问包r f 1 液体流动状态均 已处于 同一 自模化【 x = ，第二 白模化 ，冈此 试验 l 1 只要 保证模型与实型弗鲁德准数 ， 卡 日 等即可实现动 力学相似=由此计算“ 1 模型所对咙于原型的体积 流 量 ，即 Q = 式 f I ， 和 Q 分别为模型和原 的流体体积流 量 ，1 1 1 h 。 在水力学试验 巾进行夹杂物去除 的实验时 ， 采J 空心玻璃微珠来模拟钢液r l必杂物 埘中 问包【 f 1 的夹杂物模拟方【 f J f ，S a h a i和 E mi提f ， 水模型巾的夹杂物与原型巾的夹杂物的在 寸和 密度方 面与流体密度存侄着定量 天系，即 - 0 2 5 R 1 pm l 一 p 5 f ， p 川 l 一 p 式巾，尺为半径，m；p为密度 ，k ,e- m ； F 3 2 亟 7 1 机 械 2 O I 6 NO 4 和 P分别代表模 型和原型，下标 in c 、s t 和 w分 别代表夹杂物 、钢液 和水 、 从公式 中可以知道 模型与原型的夹杂物密 度不必严格满足相似第二定律要求 ，即模拟夹杂 物与水的密度之 比等于夹 杂物与钢液 的密度之 比，也可以近似模拟实际钢液中夹杂物的运 动行 为。本实验采州具有一定粒度范同的空心玻璃微 珠来模拟夹杂物。罔 3为实验所用到的连铸 叶 1 问 包综合水力学模拟实验平台。 冈 3 水 力学实验平 台示 意图( 左 ) 干 丌 实验 平台现场 图( 有) F ig 3 S ch e ma t i c d i a g r a m ( 1 e ft)a n d fie l d g r a p h( r i g h t ) o t t h e I 1 v d r a u l ic e x p e l i m e n t a l p l a t f m n l 2 1 2实验过程 夹杂物实验步骤为 ： ( 1 ) 首先称重 1 0 g的模拟夹杂物颗粒物 ( 夹 杂物的尺寸为密度 4 0 0 5 0 0 g cm ，特征尺寸为 6 08 0 m 的空心玻璃珠 ( 漂珠 ) 来对钢巾夹杂 物进行模拟 ) ；称量大约 8 0张吸附 纸的重量并 记 录。 ( 2 )将中间包 流场调 整到稳 定状 态 ，其 r f 1 液位高度为 4 0 0 IT I n l ，水模型的流量为 0 1 7 7倍 的钢液流量 ，水模型 的速 度为 0 7 0 7倍 的钢液 速 度 。 ( 3 )将 1 0 g的夹 杂物在 长水 口附近 释放 ， 夹杂物随着 中间包 内水的流 动而流动 ，在释放 1 5 rai n后，开始利用前面称量的Il及附纸吸附r f 1 问 包表面的漂珠 ，这个过程持续约 l 0 ra in 。 ( 4) 将 吸 附后 的的纸 收集 ，并且 干燥 ，称 量 ，增重 。 ( 5 ) 夹杂的去除率计算为 1 01 0 0 通过上述实验过程及沟通 ，确定夹杂物实验 的具体步骤 ，为进一步的实验开展确定条件 、图 4为夹杂物去除实验过程 叶 I 所J _ j 到的实验仪器。 2 2 数值模拟实验 中间包流场 的数值模拟是通 过建立 数学模 4 水力学实验中朋到的设备( 干燥箱， 电子天平 ，托盘等 ) Fig 4 Equ ipme n t u s e d in hy d r a u l ic e x p e l ime n t ( d l w i n g b o x ， e l e ct r o n i c b a l a n ce ， t r a y ， e t c ) 型，用计算机求解流体运 动方程组 ( 质量方 程 、 动量方程 、连续性方 程 、能量 方程和组 分守恒 方 程 ) 来 对 中 间 包 内 的 钢 液 流 动 进 行 数 值 模 拟 I 。 2 2 1 基本似设 连铸巾问包内钢液流动状态复杂 ，在建立数 学模型时 ，做如下基本假设 ： ( 1 ) 中间包 内钢水 的流 动为稳 态粘性 不 可 压缩 ； ( 2 ) 中间包 内的流动为高雷诺数湍流流动； ( 3 ) 忽略表面渣层的影 响，中间包钢液液面 稳定。 ( 4 ) 忽略钢液温度的变化 ，认 为中间包 内钢 液温度恒定。 2 2 2 控制方程 控制 方 程如下 ： ( 1 ) 连续性方程。 u O x =0 ( 1 ) ( 2 ) 动量方程 。 +pl P pU ,i = 一 箸 + 警 + + P g ， ( 3 ) 湍动能方程。 p 篝 一 杀 c 篝 + G - p e 2 0 1 6 NO 4 重 型 机 械 3 3 ( 4 ) 湍动能耗散率 方程。 p 毒 = 出o (i x ee ox i ) + ( 4 ) = + = + p C d ( 5 ) G O Uj O Ui + ) ( 6 ) 式( 1 )( 6) 中， ，x j 为张量 表示的方 向； P为钢水密度 ，k g m 。 ；P为压力 ，P a ；U i， 为 流场时均速度 ；t 为时 间，s ； 为动力学黏度 ， P a s ； 和 分别为湍流黏度系数和有效黏度 系数 ，P a s ；g为重力加速度 ，m s ；K为流体 的湍动 能，m s ；占为湍动 能耗散 率，m s 。 ； G为湍动能产生率 ；方程式( 3 )一( 5 ) 中的系数 ， or ，o r ，C 。 ，C ： ，C 为 经 验 常 数 ，采 用 劳 德 ( L a u n d e r ) 和斯帕丁( S p a l d in g ) 推荐值 ：or =1 0， or =1 3，C1=1 4 3， C2= 1 9 3， Cd=0 0 9。 2 2 3 网格划分 由于中间包结构比较复杂 ，所以对模型网格 采用分体划分 ，使用六 面体及 四面体混合 网格 ， 并测试网格的划分对影响计算的最终结果。数值 模拟过程 中采用的网格数为 2 8 0万左右 ，同时对 长水 口和浸入式水 口速度梯度较大地方进行 网格 局部加密。 2 2 4 边界条件 求解控制方程 ，必须给 出相应的边界条件， 结合其不同的特点 ，模型边界条件如下 ： ( 1 ) 水 口边界条件 。钢液从大包 经过长水 口 流人中间包 ，人 口的速度通过拉速和铸坯尺寸 由 质量守恒定律确定 ，入 口的湍流动能及湍流动能 耗散率根据经验公式取值 。 1 5 i M e t D in l e t 2 式中，D 为人 口的直径 ，k i M e t 为湍流动能， 为湍流动能耗散率。 ( 2 ) 出口边界条件。中间包的出口边界为 自 由出流边界 。 ( 3 ) 壁面边界条件。对 中间包 的上表面边界 条件中的“ D P M” 设置为“ t r a p ” ，其他壁面设置为 “ f e fl e ct ” ，同时各个壁面上 ，对速度、压力 、浓 度使用无滑移边界条件。 3 夹杂物去除率实验结果 在实验测试过程 中，分别对 同一工况 中间包 重复进行 5次水力学实验和数值模拟实验 ，取五 次结果 的平均值作为该工况 中间包夹杂物率。表 2详细记录了各工况中间包每次 的实验结果。从 中可以发现无论是水力学实验结果还是数值模拟 实验结果 ，优化前的中间包夹杂物去除率 ( 水力 学实验结果去除率 6 1 5 1 ，数值模拟实验结果 7 3 3 ) 均低 于优化 后 中间包 的夹杂 物去 除率 ( 水力学实验结果去除率 8 2 4 5 ，数值模拟实 验结果 8 3 3 ) ，两种实验结果在一定程度上说 明在添加多孔挡墙后 ，中间包内的流体流动状况 得到优化 ，在一定程度上增大了钢液的平均停 留 时间 ，同时多孔挡墙 的通道具有上扬的 的角度 ， 使得流体向上运动的趋势得到加强 ，其流动方式 的改变更加有利于钢液 中夹杂物的上浮，进一步 减小钢 中出现夹杂物的几率 。图 5为中间包夹杂 物去除率的的折线 图，从中可以直观的分析出中 间包去除夹杂物能力的优劣。 表 2中间包夹 杂物去除率 T a b 2 I n cl u s io n r e mo v a l r a t e in t u n d is h 注：H一 1 为优化前中间包水力学实验结果；H- 2为优化后中间包水力学实验结果；M 1为优化 前中间包数值模拟实验结果 ；M 2为优化后中间包数值模拟实验结果。 3 4 重 型 机 械 2 0 1 6 No 4 O 芝 篓 。 悄 。 O O 一-H 1 卜 一 H 2 l M f 一 _T M 一 一 、 r I l 一 一 一 一一 l 一一_ l 一 。 i 2 3 4 试验次数 图5 中间包夹杂物去除率水力学实验和 数值模 拟实验结果 F ig 5 E x p e r ime n t a l a n d n u me ri ca l s imu l a t io n r e s u l t s o f in cl u s io n r e mo v a l r a t e in t u n d is h 4 结论 ( 1 ) 通过中国重型机械研究 院建立的中间包 综合试验平台，对优化前和优化后的中间包分别 进行夹杂物去除实验 ，发现添加多孔挡墙后 ，中 间包的夹杂物去除能力得到提升 ，优化前 中间包 去除率为 6 1 5 1 ，优化后的中间包夹杂物去除 率为 8 2 4 5 。 ( 2 ) 通过 A N S Y S软件对 中间包进 行夹杂 物 去除率数值模拟实验 ，优化后的中问包夹杂物去 除率为 8 3 O ，优化前 中间包去除率 7 3 3 ， 夹杂物较之前提高 1 0 左右 。 ( 3 ) 实验结果表 明夹杂物数值模拟实验结果 与水力学实验结果均表明多孔挡墙 的添加有效地 提升了中间包夹杂物去除能力，两者相互验证， 从而有力说明实验结果 的可靠性。 参考文献： 1 王立涛 ， 李正邦，薛正良，等连铸中间包内钢液 流动特性及控流技术 J 特殊钢 ， 2 0 0 4 ( O 2 ) ： 3 2 3 4 2 Z H O N G L - c，H A O R c，L I J - z ，Z H U Y x Mo l t e n S t e e l F l o w i n a S l a h C o n t in u o u s - ca s t i n g T u n d i s h J o u r - h a l o f I r o n a n d S t e e l Re s e a r ch I n t e r n a t io n al 2 0 1 4，2 1 3 Y u e Q，Z o u Z s ， Ho u Q - f ，C h e n Z Wa t e r Mo d e l i n g o f S w i