（钢铁冶金专业论文）不同结构湍流控制器对连铸中间包钢液流场的影响.pdf

不同结构湍流控制器对连铸中间包钢液流场的影响 摘要 随着对连铸坯洁净度要求的提高，连铸中间包作为净化钢液的反应器越来越 受到重视。到9 0 年代中期，在中间包内的注流区，开始采用一种新型的控流装置 一湍流控制器，它不仅具有防止开浇喷溅而引起钢液吸氧吸氮的作用，更重要的 是在浇注过程中能明显的改善包内钢液流动特性。因此能够去除钢液中夹杂物， 显著地提高铸坯质量，减少夹杂废品。 本研究针对宝钢6 0 t 连铸中间包结构和操作工艺参数，采用n a v i e r - s t o c k e s 方 程，和标准七一占湍流模型，建立了描述钢液流动i 勺数学模型，通过运用大型有限 元通用软件a n s y s 计算了六种不同形状结构的湍流控制器与堰、坝组合，无控流 装置，安装了堰和坝，仅有湍流控制器总共九种不同控流装置情况下的中间包内 钢液流动的三维流场。通过详细对比分析了各方案下中间包内的钢液流动行为， 以及包内湍动能分布情况，得到了以下主要结论： 当中间包内无任何控流装置时，长水口的注流会沿包底直接到达中间包水口， 形成短路流，这样的流动形式会把夹杂物带入结晶器中，影响铸坯纯挣度：中间 包安装堰、坝后，钢液湍动显著的部分集中在注流区，下游形成流动平稳的熔池， 延长了钢液的在包内的停留时间。中间包采用湍流控制器后，可以把较强的湍流 控制在注流区的局部范围，使两块上渣挡堰之间的液面流动平稳，减少卷渣现象， 并很好的消除了短路流；如果只在中间包单独使用湍流控制器而不和其它控流装 置配合，对于中间包的总体流动特性改普效果不是很好；当中间包内使用湍流控 制器时，在湍流控制器上方的注入流两侧会形成两个方向相反的环行涡流，在方 形有檐湍流控制器中产生的环行涡流尺寸比其它形状的湍流控制器小，位置也最 低( d = - 0 1 4 m ，h - 4 ) 1 8 柚，该湍流控制器把注流强烈的湍动能抑制得最好；对于相 同截面形状的湍流控制器，有檐的结构对于中间包内钢液流动的湍动能抑制作用 明显要优于无檐的；九种不同控流装置方案中对中间包内钢液流动的湍动能抑制 得最好的是有檐方形湍流控制器与堰、坝组合的方案，对中间包内的平均湍动能 计算表明，该方案下包内的平均湍动能约为5 0 1 0 x 1 0 1 m 2 s 2 ，比无控流装置时降 低6 3 4 8 ，比安装了堰和坝而没有湍流控制器时降低了3 0 5 6 。对于该二流中间 包最佳的湍流控制器形状是有檐方型的结构。 关键词：连铸中间包流场湍流控制器数值模拟 a n s y s i l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt u r b u l e n c ei n h i b i t o r so nm o l t e ns t e e lf l o w f i e l di nac o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s h a b s t r a c t w i t ht h ec l e a n l i n e s sr e q u i r e m e n t so fc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o d u c t s ，t h ec a s t i n g t u n d i s h , a c t i n g 躯ar e a c t o rt oc l e a nm o l t e ns t e e l ，h a sb e e ni n c r e a s i n g l yr e c o g n i z e d i n t h e9 0 so fl a s tc e n t u r y , an e wf l o wc o n t r o ld e v i c e t u r b u l e n c ei n h i b i t o rh a sb e e nu s e d i nt h ei n l e ta r e ao f t u n d i s h i tc a nn o to n l ya v o i dm o l t e ns t e e lf r o mo x y g e na n dn i t r o g e n a d s o r p t i o nd u et om e l ts p l a s h i n gi nt h ef i l l i n go ft u n d i s l l ，b u ta l s o ，m o r ei m p o r t a n t ， a p p a r e n t l yi m p r o v ef l o wf i e l d t h e r e f o r e ，i tc a nr e m o v ei n c l u s i o n sf r o mm o l t e ns t e e l a n di m p r o v es l a bc l e a n l i n e s sg r e a t l y t i l i sr e s e a r c hi sc a r r i e do u tw i t hm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o no nt h eb a s i so ft h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h e2s t r a n dc o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s ha tt h eb a o s t e e l a m a t hm o d e lo ft h r e ed i m e n s i o n a lt u r b u l e n tf l o w i n go ft h em o l t e ns t e e lh a sb e e n e s t a b l i s h e db ym e r n $ o ft h en - se q u a t i o na n dt h es t a n d a r dk et u r b u l e n tm o d e l n i n ed i f i e r e n tt u n d i s hc o n f i g u r a t i o n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dw h e r ed i f i e r e n ts t r u c t u r e o ft u r b u l e n c ei n h i b i t o r sw i t ho rw i t h o u tt o pl i pi sc o n s i d e r e d v e l o c i t yf i e l d si nt h e d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o nt u n d i s ha r en u m e r i c a l l yc a l c u l a t e db yu s i n gt h es o f t w a r e a n s y s n 坨f 0 1 1 0 w i n 窑r e s u i t sc a nb eo b t a i n e db yc o m p a r i n gt h ef l o wb e h a v i o ra n d t u r b u l e n tk i n e t i ee n e r g yd i s t r i b u t i o no f t h e9d i f f e r e n tc a s ei nt h et u n d i s h i ti sf o u n dt h a tw h e nt h et t m d i s hi sn o ti n s t a l l e dw i t ha n yf l o wc o n t r o ld e v i c e t h e i n c o m i n gm a s sf l o wd i r e e t l yi m p a c t sa tt h eb o t t o mo ft h et u n d i s ha n dt h ef l u i df l o w s a l o n g 也eb o t t o m - - t h es h o r t - c i r c u i tf l o ww h i c hm a yn o tb es u i t a b l ef o rf l o a t i n g i n c l u s i o n s t h er e s i d e n c et i m ei si n c r e a s e dw h e nt h et u n d i s hi si n s t a l l e dw i t hw e i ra n d d a m h i 吐t u r b u l e n c ei sl i m i t e di nt h ei n l e ta r e ao ft u n d i s hw i t hat u r b u l e n e ei n h i b i t o r , s ot h a ts l a ge n t r a p m e n tc a nb ea v o i d e dd u et os m o o t hf l u i ds u r f a c eb e t w e e nt w ow i r e s i nt u n d i s h 。a n dt h es h o r t c i r c u i tf i o wd i s a p p e r e s ；b u tt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i co ft l l e t u n d i s hc a nb en o ti m p r o v e do b v i o u s l yi ft h et u n d i s hh a so n l yat u r b u l e n c ei n h i b i t o r i t i sf o u n dt h a tt h es i z ea n dl o c a t i o no ft h ev o r t e xd e v e l o p e df r o mt h et u r b u l e n c ei n h i b i t o r a r ed e p e n d e n to nt h es e c t i o ng e o m e t r yo ft u r b u l e n c ei n h i b i t o r t h es q u a r et u r b u l e n c e i n h i b i t o rw i t ht o pl i pm a k et h el o c a t i o no ft h ev o r t e xt h el o w e s t ( h o 18 m ) ，a n dt h es i z e s m a l l e s t ( d o 1 4 m ) a sf o rt h er e s t r i c t i o nt ot u r b u l e n c e ，t h eo n e 嘶me x t e n d i n gt o pl i p i sb e t t e rt h a nt h eo n ew i t h o u ti t t h et u n d i s hi n s t a l l e das q u a r et u r b u l e l i c ei n h i b i t o rw i t h t o pl i p aw e i ra n da d a mc o n 订o l 也et u r b u l e n c eb e s tw h e nt h et u r b u l e n c ee n e r g yi nt h e t u n d i s hw i t h9d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o ni sc o n s i d e r e d ，t h ea v e r a g et u r b u l e n c ee n e r g yi s b e i n ga b o u t5 0 1 0 x1 0 - 4 m 2 ，s 2 ，6 3 4 8 l o w e rt h a nt h a ti nt h ec a s ew i t h o u ta n yf l o w c o n t r o ld e v i c ea n d3 0 5 6 l o w e rt h a nt h a ti nt h ec a s ew i t haw e i ra n dad a mb u tn o t u r b u l e n c ei n l a i b i t o r t h es q u a r et u r b u l e n c ei n h i b i t o rw i t he x t e n d i n gt o pi st h eo p t i m a l i i l 东北大学项士学位论文a b s t f u c t t u r b u l e n c ei n h i b i t o rg e m o t e r yf o rt h e2s t r a n dt u n d i s hi nt h es t u d y k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，f l o wf i e l di nt u n d i s h ，t u r b u l e n c ei n h i b i t o r m a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n ，a n s y s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人为获锝其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本人签名： 李迫民 日期： 口石、2 、2 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文舰定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 中间包冶金概述 2 0 世纪5 0 年代，连铸技术的发展是钢铁工业革命的一个重要标志。5 0 年代 中期，连铸技术从实验室试验阶段进入了工业性生产阶段。连续浇铸的普遍应用 是在进入6 0 年代后，由于弧形连铸机的出现和发展，才使连铸技术在世界范围内 被大量采用i l j 。1 9 7 0 年全世界连铸比仅为5 6 。而到1 9 9 0 年金世界连铸比已达到 6 2 4 ，一些工业发达国家的连铸比已达9 5 以上。近年来世界上许多炼钢厂相继 以全连铸生产取代模铸生产，到1 9 9 4 年实现全连铸的国家已达2 4 个。连铸技术 在我国也得到了大力的发展，早在1 9 5 8 年我国就建成了第一台连铸机组。到8 0 年代中后期，我国的连铸技术得到了迅猛的发展。1 9 7 8 年，我国的连铸坯产量由 1 1 2 7 万吨，连铸比为2 2 3 ；1 9 9 4 年，连铸坯产量升至3 8 8 5 0 3 万吨，连铸比提 高至4 0 3 ；到1 9 9 7 年，连铸坯产量已达6 6 0 6 万吨，连铸比为6 0 6 5 ；到2 0 0 4 年，连铸坯产量已达2 6 0 9 6 万吨，连铸比为9 6 3 。从1 9 9 0 年起，连铸坯增产成 为中国钢产量增长的主要推动力。连铸生产的快速增长，使中国钢铁生产实现了 高效、连续、快速增长。 发展连铸技术不仅仅表现在增加连铸比上，更重要的是连铸坯质量的提高。 为了保证高质量铸坯的多炉连浇，钢液必须有足够的纯净度，钢液成分范围要尽 可能精确控制，钢液温度和过热度要在较长的时间内保持稳定。因此钢包冶金的 作用和地位受到了更多的注意。然而在钢包冶金中提高了钢液纯净度盾，铜液被 再次污染的危险性也就更大。随着钢液和环境( 大气、耐火材料等) 间杂质浓度差别 ( 或化学位差别) 的增大，重新污染的可能性和速率都将增大。连铸中间包是由耐火 材料村砌成的容器，浇铸中且有顶渣覆盖，钢水在中间包内停留时，与周围环境 一直存在热交换和物质交换，因此，钢液通过中间包的过程中，发生某些物理和 化学的变化是不可避免的。因此在钢包冶金以后，中间包冶金交得越来越熏要。 “中间包冶金”的概念是在2 0 世纪8 0 年代初期被提出来的口j 。中间包冶金是 一项特殊的炉外精炼技术，是从钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯这个生产流程 中保证获得优良钢质量的关键一环。中间包冶金的主要功能是： 1 ) 分流功能：特别是一机多流中间包，其最重要的基本功能是分流，由于 中间包几何形状受许多因素的限制，对于3 流以上的连铸机，合理、均衡、稳定， 有利于夹杂排出的分流是中间包重要的功能之一。 2 ) 净化功能：提高钢的纯净度，例如，在中间包内采用堰和坝、吹氩、 陶瓷过滤器等措施，可以显着降低钢中非金属夹杂物含量。 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 调温功能：为使浇注过程中中间包前、中、后期钢水的温差小于5 c 。且尽 可能接近液相线温度浇注，以扩大铸坯等轴晶区，减少中心偏析。 4 ) 成分微调：向中间包内添加或由中间包塞杆中心孔向结晶器喂入铝、钛、 硼等包芯线，实现钢中合金成分的微调，可提高易氧化元素的收得率，减少水口 堵塞。 5 ) 精炼功能：在中间包钢水表面加入处理渣，以吸收钢中上浮的夹杂物，或 者在中间包喂钙线改变a 1 2 0 3 夹杂物形态等。 6 ) 加热功能：在中间包内采用感应加热或离子加热等措施，有可能准确控制 钢水浇注温度波动在4 - 3 5 c 之间。 在这些功能中，钢液的净化及调温、加热是近2 0 年来中间包冶金学研究的热 门话题，且一些研究成果已转化成在实际生产中应用的技术举措。特别是，近年 来，中间包钢液净化技术在国内外得到了很大发展。过去，为了促使中间包中夹 杂物的去除，采用的技术主要是防止钢液再污染技术，换包时尽量减少钢包渣的 卷入，钢包到中间包浇注采用长水口，防止钢液与包衬耐火材料的反应，中间包 密封技术等。到二十世纪七八十年代出现了在中间包中安装控流装置的措施，以 此来改变钢液在中间包的流动形态。当今又发展了一些新型的改善钢液洁净度韵 技术，如湍流控制器的应用、离心流动中间包和旋转管阀【3 】的采用等。为了在中间 包内创造一个良好的使夹杂物上浮而不随注流进入结晶器的条件，需要钢液在中 间包内有合理的流动模式和足够的停留时间让夹杂物上浮至中间包液西而被覆盖 剂吸收，而简便适用的方法是通过在中间包内设置适当形式的控流装置来实现。 因此，优化中间包内的控流装鬣及中间包结构近年来倍受关注。 1 2 中间包冶金的研究方法 1 2 1中间包数学模拟和物理模拟研究方法的产生 在中间包冶金技术的研究中，现场或原型的观测和研究是对大量工程或实际 问题的最直接的实验研究，因而现场实禊9 的原始资料常常是研究人员手中的第一 手材料，它在工程问题的决策中往往是举足轻重的。中间包数学模拟和物理模拟 的研究方法之所以发展起来的原因有三个：( 1 ) 连铸工艺的需要。随着中间包冶金 技术的发展，国际市场更加激烈的竞争对铸坯的质量、成本，产品周期提出了 更高的要求。这就需要我们及时并有效地进行大量的研究开发工作。由于允许进 行工艺改造和系统优化的时间往往是相当有限的，因此传统的研究方法必然要被 选择性强、速度快和消耗低的新方法一数学模拟和物理模拟方法所取代：( 2 ) 实测 工作耗资大，需要大量的人力，且工作条件较差。对于实际操作中的中间包来说， 不经过模型实验而作现场实验是十分危险的，可能造成或经济损失与模型实验的 代价是不可比拟的；( 3 ) 中间包内型多样，因此在设计之前作一些物理模型或数学 2 ， 东北太学硕士学位论文 第一幸绪论 模型研究是很必要的，然后根据模拟研究结果确定最佳的中阐包结构。如果在设 计确定后再用数学物理模拟研究改进，虽然也能够取得一些效果，傻受到规定条 件的限带8 ，即使认识到某些方面需要改进。但已不可能改动已有的中间包，造成 连铸操作上的遗憾。因此，近代的中间包数学、物理模拟技术成为一种研究中间 包冶金学的主要方法。 1 2 2 中间包数学模拟和物理模拟研究方法简介 冶金过程数学模拟1 4 ( m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 是基于计 算流体力学，计算传热学，计算燃烧学和冶金反应工程学的原理，用数值方法通 过计算机直接求解非线性联立的质量，动量，能量及组分守恒偏微分方程组，通 过数学分析，预报出流动、传热、传质等过程的细节，即给出整个流场中各变量 的时空分布，进而分折冶金过程的速率和效果。计算流体力学肘中间包流场的研 究是非常有效的方法。中间包冶金的特点是钢液流动中进行各种冶金过程，所以 用计算流体力学求解中间包流场是中间包冶金学的主要内容。 物理模拟是通过物理模型和借助于必要的测试手段对体系的过程进行观溅的 研究方法i s 。物理模拟是根据相似原理建立物理模型，利用易于达到的实验条件模 拟复杂的生产过程。遥常替代的方法是在缩小尺寸的采用模拟介质的模型上进行 实验，最终结果转换到原型中。物理模拟有两种类型。第一类是精礁的物理模型 或称完全模拟，它严格按照相似原理构造模型，实验结果也可以直接进行比例放 大。在研究水利、热工等专业的课题中，经常应用这类模型。第二类是半精确模 型或称部分模拟，用来研究过程中的关键现象，中间包钢液流动现象的研究一般 均采用部分模拟。 物理模拟的优点在于它的直观型和普遍性。在中间包冶金申，有时由于闯题 的复杂性或研究条件的限制，靠一般的实验和数学模拟的方法难以进行时。物理 模拟法就成了不可缺少的研究手段。中间包内部结构的设计是影响中间包冶金效 果的一个很重要的因素，它直接与中间包内钢液的流动状态相联系，而钢液中夹 杂物的上浮及分离在很大程度上取决予钢液的流动形态，应用水模型实验，借助 于示踪剩响应实验可测出钢液的r t d 曲线，进而算出中间包内活塞流、混台流以 及死区的体积分率；利用各种染色荆可显示出中间包的流场，将这些方法结合起 来应用，便可以找到中间包的优化设计。 应当指出，数学模拟和物理模拟是不矛盾的。一方面是数值计算的手段充实 了物理模拟，另一方面是用物理模拟弥补了数学模型中参数失真的情况，确定了 数学模型的适用范围。在中间包冶金技术的研究中，利用数学模拟和物理模拟相 结合的研究方法。会更见成效。 概括起来，数学模拟和物理模拟的作用主要表现在以下几个方面： 对现有的工艺： 3 东北大学硕士学值论文 第一章堵论 模型研究是很必要的，然后根据模拟研究结果确定最佳的中间包结构。如果在设 计确定后再用数学物理模拟研究改进，虽然也能修取得一些效果，忸受到规定条 件的限制，即使认识到某些方面需要改进，但已不可能改动已有的中间包，造成 连铸操作上的遗璐。因此，近代的中间包数学、物理模拟技术成为一种研究中间 包冶金学的主要方法。 1 2 2 中间包数学模拟和物理模拟研究方法简介 冶金过程数学模拟【4 】( m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 是基于计 算流体力学，计算传热学，计算燃烧学和冶金反应工程学的原理，用数值方法通 过计算机直接求解非线性联立的质量，动量，能量及组分守恒偏微分方程组。通 过数学分析，预报出流动、传热、传质等过程的细节，即给出整个流场中各变量 的时空分布，进丽分折冶金过程的速率和数果。计算流体力学对中间包流场的研 究是非常有散的方法。中间包冶金的特点是钢液流动中进行各种冶金过程，所以 用计算流体力学求解中阈包流场是中间包冶金学的主要内容。 物理模拟是通过物理模型和借助于必要的测试葶段对体系的过程进行观瓣的 研究方法【”。物理模拟是根据相似原理建立物理模型，利用易于达到的实验条件模 拟复杂的生产过程。通常替代的方法是在缩小尺寸的采用模拟介瓒的模型上进行 实验。最终结果转换到原型中。物理模拟有两种类型。第一类是精确纳物理模型 威祢完垒模拟，它严格按照相似原理构造模型，实验结果也可以直接进行比例放 大。在研究水利、热工等专业的课题中，经常应用这类模型。第二类是半精确模 型或称部分模拟，用来研究过程中的关键现象，中间包钢液流动现象的研究一般 均采用部分模拟。 物理模拟的优点在于它的直观型和普遍性。在中问包冶金中，有时由于问题 的复杂性或研究条件的限制，靠般的实验和数学模拟的方法难以进行时，物理 模拟法就成了不可缺少的研究手段。中闯包内部结构的设计是影响中阔包冶金教 果的个很重要的因素，它直接与中间包内钢液的流动状态相联系，面钢液中夹 杂物的上浮及分离在很大程度上取决于钢液的流动形态，应用水模裂实验，借助 于示踪劫响应实验可测出钢液的r t d 曲线，进而算出中闻包内活塞流、混台流以 及死区的体积分宰；利用各种染色剂可显示出中间包的流场。将这些方法结合起 来应用，便可以找到中间包的优化设计。 应当指出，数学模拟和物理模拟是不矛盾的。一方面是数值计算的手段充实 了物理模拟，另一方面是用物理模拟弥补了数学模型中参数失真的情况确定了 数学模型的适用范围。在中间包冶金技术的研究中，利用数学模拟和物理横拟相 结合的研究方法，会更见成效。 概括起来，数学模拟和物理模拟的作用主要表现在以下几个方谣： 对现有的工艺： 对现有的工艺： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ) 提高对某些过程基本现象、反应机理、控制性环节的认识，为改善工艺过 程和操作提供依据； 2 ) 探索工艺过程各参数的变化规律及它们之间的定量关系，以优化工艺和实 现对工艺过程的自动控制； 3 ) 指导中间厂和现场实型试验的设计和规划，以节省开支； 对开发中的工艺： 1 ) 对新设计工艺的可行性和灵活性作出准确的估计： 2 ) 对规划和设计实验室、中间厂或实型规模的实验提供指导； 3 ) 帮助评估中间厂或实型试验结果和作比例放大： 4 ) 在一定条件下，可替代中间厂或现场实型的开发性实验，以节省费用。 中间包作为钢冶炼过程中的最后一个耐火材料容器，是保证获得优良钢质量 的关键一环。由于中间包内流体的流动并非是均相流体的理想流动，而是钢和渣 两相的复杂流动，而且有数壁巨大的弥散相颗粒的碰撞和运动，中间包内钢液流 动现象的复杂性决定了中间包冶金过程具有独特的研究方法。因此在中间包冶金 过程中，数学物理模拟分析法得到了广泛的应用。 1 2 3 数学模拟研究方法的发展 计算机数学模拟技术是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物， 它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数值方法，对流体力学中的各类阔题 进行数值试验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。计算机数学模拟 技术的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从物理定律出发，在很大的程度上 替代了耗资巨大的实验设备，并开辟了新的研究课题和研究方向，在科学研究和 工程技术中产生了巨大的影响。 我国的计算机数学模拟技术从六十年代开始，随着计算机技术的发展而发展 起来，大体上类似于国外的发展过程。首先是由于国防的需要，推动了计算机数 学模拟技术的发展，与国防有关的航天工业和核工业等部门所属高校、研究院和 试验基地是我雷计算机数学模拟技术发展的重要支柱单位。计算机数学模拟技术 为我国原子弹和氢弹研翎成功、人造卫星的上天、远程运载火箭的发射以及石油 开发和气象预报、冶金工艺的革新等做出了巨大的贡献。与此同时，在完成各项 任务的过程中，开展了对数学模型、数值方法和计算机模拟实验研究，取得了好 的成果。如建立了核聚变模型、火球模型、涡轮机械的三元流模型等。 在冶金领域内，我国八、九十年代派出国攻读学位的研究生中有许多从事于 计算机数学模拟的应用和开发工作，并取得了令学术界瞩目的成果。除此之外， 国内一些冶金高校，如北京科技大学、东北大学、包头钢铁学院也开展了这方面 的工作。利用计算流体力学的基本知识建立数学模型对中间包内钢水的传输过程 进行模拟的研究从八十年代的初期就开始了。但早期的研究主要是在大量假设条 4 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 件的基础上，建立二维数学模型对包内钢水的流动、传热等一些现象进行模拟。 可中间包是一个典型的三维冶金反应器，利用二维数学模型难免会产生一些缺陷。 因此就发展为后来的三维数学模型。其中开发的流体力学软件包主要有 c f x - f l o w 3 d ，p h o e n i c s ，a n s y s ，f l u e n t ，s n 墟c d ，f i d a p t 州等。国 内的贺友多1 7 - - 9 较早就开展了三维流场计算的研究工作，并利用其计算程序计算了 多种中间包内钢液流动特征及影响因素。萧泽强【m 1 2 】等运用了他们对钢包内吹氩 钢液流动的长期研究的成果，也计算了多种中间包内的流场，并较翠注意到非等 温状态中间包流场的研究，指出了自然对流的影响不可忽视，并用水模型进行了 实验验证。 但是，我国在计算机数学模拟技术方面，与先进的国家相比仍有一定的差距。 这主要表现在多数单体程序只能为科研工作者自身使用，而且我国许多大型的企 业中又缺乏进行计算机数学模拟研究的工作人员，这些都将影响计算机数学模拟 技术的在我国现代工业中的应用。因此，为了使得计算机数学模拟技术在我国的 企业中得到更为广泛的应用，我国的计算机数学模拟工作者仍有很长的一段路要 走。 1 3 本课题的选择、目的和研究内容 中间包内钢液的流动状态直接影响钢液内夹杂物的排除。中间包控流装置的 使用是近年来许多钢铁企业为改普中间包内钢液流动状态而实施的一种举措。因 此，优化中间包内的控流装鼍成为中间包物理模拟和数学模拟的一项重要研究内 容。根据目前在企业中使用湍流控制器的情况：都在与堰、坝等控流装置组合应 用，本研究通过建立中间包稳态流动数学模型，计算出不同湍流控制器与堰、坝 组合的中间包内钢液流动的状态，以研究不同的湍流控制器对中间包内钢液流动 的影响。 目前主要运用于生产的湍流控制器如果按水平断面形状分类，主要有方形、 矩形和圆形三种湍流控制器；每一种湍流控制器上部又有带檐和不带檐之分；本 课题主要通过计算这六种不同结构的湍漉控制器下中间包内钢液流场来获得形状 尺寸最佳的湍流控制器，并且还对无控流装置的中间包，无湍流控制器但有堰、 坝以及单独使用湍流控制器的三个方案也进行了建模计算，通过详细对比分析来 研究湍流控制器对中间包内钢液流动的影响。另外，本研究所应用的大型遥用有 限元软件a n s y s 的算法是基于有限元法，它公认的强大的建模以及网格划分和后 处理功能比起一般的c f d 软件有明显的优势，所以本研究的另一个目的是如何把 a n s y s 强大的功能应用于中间包钢液流动的模拟计算，为以后利用a n s y s 对中 间包进行数学模拟研究开路。 5 - 东北大学硕士学位论文 第二幸文献综述 第二章文献综述 2 1 中间包内的钢液流动现象 中间包是连续操作的反应器，中间包内钢液的流动特性，决定了其中物质和 能量的传输过程。为了充分发挥中间包的各种冶金功能必须掌握中间包内钢液流 动的规律。 中间包水模型流场测量的结果表明，中间包钢液流场中含有液一液射流、驻 点流动、注流卷吸气体、汇流出流及旋涡等流动现象【1 3 】。 ( 1 ) 液一液射流 中间包内钢液流动的动量来源于盛钢桶内液面、中间包液面、结晶器内弯月 面在浇铸时的高度差，通过钢包注流传递给中间包内钢液。钢包的钢液注流是中 间包内注入区钢液运动状态的决定因素。包燕平【1 4 】等用高速摄影法( 5 0 0 幅秒) 拍摄了中间包内的液掖射流运动过程。图2 1 为所拍摄照片。由图可见，和气体 射流相似，液一液射流初始段也有一个锥形的等速核心区。由于下降钢液的抽引 作用和液体的粘滞作用，周围钢液被卷入射流中，射流逐渐扩张。据测定其扩张 角为2 0 2 4 ，比气体射流扩张角略小。射流区流速衰减的趋势较小，流股对包 底保持有相当大的冲击力。普朗特( l p r o n d t l ) 【l5 】从理论上阐明，雷诺数很大的自 由射流会在充满静止流体的足够大的空间里扩展开来。由于包内其他位置流速很 低，可近似地按静止考虑。射流内区域雷诺数很大，属于湍流流动，其纵向速度 脉动的均方根值和横向速度脉动的均方根值差不多相等。因为射流内外压力几乎 都与周围流动的压力相等，湍流剪应力不断地把新的静止流体卷进射流中，使射 流宽度不断加大。 ( 2 ) 驻点流动 由激光钡速结果可知，几乎所有的注流都以液一液射流的方式冲击到中间包 底，转变成典型的驻点流动。驻点流动是指：流体经过驻点以后，向四周铺展开 来，转变为受固体包底限制的射流，速度方向基本与包底平行。在驻点附近，随 着压强的降低，径向速度最初有所增大；在驻点流动以外，己没有压强推动流体 的流动，径向速度逐渐减小。驻点流动的结果使包内钢液沿包底部形成一个较大 速度的流动，而且靠近包底处速度梯度较大。在流向中间包水口的方向，钢液沿 包底流动，在流动过程中，由于摩擦力及射流抽引周围钢液，速度逐渐减小。在 包底未设置坝时，则极有可能形成短路流，直接进入中间包的浇铸水口而流入结 晶器。 6 苎苎苎堂堡兰堂圭 苎三主叁些堡兰 圈2 , 1 中闯包内 疰液射流形成的照片( 拍摄速度为5 0 0 幅，秒) f i g 2 1 p h o t o g r a p ho f l i q u i d l i q u i d j e ti na t u n d i s h ( 3 ) 注流卷吸气体 注流卷吸空气，是二次氧化的主要原因。从钢包水口流出的高速注流。在周 围形成一个负压区，把大量空气卷入熔池中。卷吸气体的量和注流状态有关。此 外注流比袭面积与注流形态有关，如图2 2 所示，光滑致密注流表面积最小，而粗 糙注流和散流吸氧的质量分数大大增加，从模型实验研究指出，注流卷入空气有 如下四种方式口6 1 ： ( a ) 注流为光滑的层流，冲击到中间包表面形成一个凹坑，卷入到凹坑周围的 空气强烈振动，气泡崩裂成细小的气泡。 ( b ) 注流处于层流与湍流的过渡区，注流表面出现不规则形状，冲击到熔池表 面产生涡流运动，不断卷入崩裂的空气泡。 ( c ) 注流表面为高度发展的湍流，注流冲击区形成很不规则的波浪运动，卷入 的空气分散成细小的气泡。 ( d ) 注流分裂成液滴散流，每个液滴都卷入空气，吸氧速率大大增加。如液滴 直径小于2 5 m m ，吸氧速率比光滑流大6 0 倍。 可见注流卷吸气体羹网注流的形态密切相关，要减小注流往中间包带入气体， 除采用保护浇铸外，还必须有良好的注流形态。麦克莱恩( a m c l e a n ) f 1 7 】对注流吸 气问题作过很多研究，通过对实际注流的高速摄影观察和水模型实验，认识到注 - 7 东北犬学硕士学位论文 第二章文献综述 流表面扰动是产生气泡的原因。微小扰动的发展与液体的物性、注流下降高度和 降落经历时间有关系。 图2 2 注流吸氧示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i co f s h r o u d j e ta b s o r bo x y g e n ( 4 ) 出口汇流旋涡 对于中间包冶金来讲，还有一个重要的流动现象，这就是在水口处钢液流出 时产生的汇流旋涡。由经验可知，液体由垂直出口向下流出时，当液面低于某一 临界高度时，在出口上方会形成旋涡漏斗，这就是汇流旋涡。钢液流出过程形成 的汇流旋涡，能把液面上的渣卷入钢液内部，甚至卷入空气，增加二次氧化，严 重恶化钢的质量。 中间包内钢液的流动形态对夹杂物行为具有重要影响。目前，改进中间包控 流装置以改变其内钢液的流动特征已成为国内外多数钢铁企业所追求的目标，因 此有关中间包控流装置优化方面的文献很多，归纳起来，从中间包内控流装暨演 变的历史可划分为三个时期的研究： 1 ) 2 0 世纪7 0 年代，对在中间包内安置上、下挡墙控流装置的研究； 2 ) 8 0 年代，对中间包使用导流隔墙及过滤器的研究； 3 ) 9 0 年代中期，对中间包使用湍流控制器的研究。 2 2 数学模拟研究方法在中间包研究中的应用 早在1 9 8 3 年，王利亚1 1 8 】用涡量一流函数法对中间包流场进行了二维计算，研 究了上、下挡墙的设置方法对钢液流动的影响，研究指出，设鼍上挡墙可以阻止 表面回流，并使钢液湍动显著的部分集中在注入流区，下游形成流动平稳的熔池。 下挡墙的作用是阻挡沿包底的流动，使流动方向转向上方。因此，上挡墙设于下 挡墙的上游才有利于改善中间包的流动。该计算虽然是在1 9 8 3 1 9 8 4 年完成的， 没有考虑向中心面两侧的流动和温差引起的自然对流，但揭示的基本规律仍然是 8 - 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 有意义的。 1 9 9 4 年朱本力等人0 9 1 研究开发了求解三维湍流n s 方程的计算机软件，并 利用该软件对宝钢板坯连铸中间包的三维流场进行了数值计算。结果得出，宝钢 现在使用的上、下挡墙结构的中间包使钢包注入的部分钢液直接流到水口区，其 结构需要改进，采用下、上、下挡墙结构为好，增加的下挡墙的高度应在0 2 5 5 m 左右，从而有利于夹杂物的聚合上浮，也有利于中间包加热时，稳定钢液的过热 度。 1 9 9 5 年张胤等人【2 0 j 对太钢板坯连铸中间包设计了计算模型，运用三维流场软 件包对中间包内的流场进行了计算。结果指出，从钢水流动情况说明，太钢中间 包设计方案对实际生产比较合理，有利于钢水温度和浓度均匀，并对钢中夹杂物 的形成和上浮非常有利。 1 9 9 7 年朱苗勇等人【2 l 】对连铸中间包内的流动现象进行了数学模拟，用湍流 模型和大涡模拟建立了描述连铸中闻包内三维湍流流动的数学模型，考察了有控 流装置( 上、下挡墙) ，无控流装置情况下中间包内的流动特性和湍流模型的合 理性。计算结果表明，无流控装置时。中间包内的流场不利于非金属夹杂的上浮， 包内设置上、下挡墙，对中间包内的流场和湍流特性影响较大。传统的模型能较 好地用于中间包内的流动和湍流特性的计算，且计算时间较短，但因模型本身固 有的局限。有些现象不能得到很好的计算，而大涡模拟却能描述湍流模型所不能 很好描述的现象，但它需要较多的网格和较长的计算时间。 图2 3 为张立峰田】1 9 9 8 年计算的6 0 t 中间包的流场，图中比较了未设置控流 装置、设置上下挡墙和设置一个上挡墙，两个下挡墙并在上挡墙安装直通孔过滤 器的流场分布。由于前后和左右均为对称形体，因此只绘制了四分之一的区域。 由三维流场图可看出，下注流由驻点流动转为沿包底的流股后，向侧墙发展较快， 形成沿侧墙向上的流动，一直流向端墙向斜下方折返，抑制了中心面的包底铺展 流股。设置上、下挡墙使激烈的湍动区限制在上挡墙的上游，而且阻碍了两侧的 底部流股。使下游更平稳。 9 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 图2 3 中间包内四分之一区域的流场 8 一无控搋装置：b 下挡墙+ 上挡埔 c 一下挡墙+ 上挡墙+ 下挡墙 f i g 2 3 f l o wf i e l di no n eq u a r t e rv f at u n d i s h 樊俊飞等人硎在1 9 9 9 年对宝钢六流t 形非完全对称中间包进行了流动与传 热过程耦合过程的数学模拟研究，他们采用连续性方程、n a v i e r - s t o c k e s 方程、能 量方程描述原控流装置的中间包和改进控流装置后的中间包内钢液流动，然后采 用s i m p l e 法1 2 4 】进行求解计算，结果表明( 如图2 4 ) 在原控流装置的中阃包中由于挡 渣堰出流孔位置太低，从出流孔流出的流体，向左、右两边流出并迅速到达3 ，4 流，较小的夹杂物还来不及上浮就进入结晶器。从出流孔流出的流体，受侧下挡 墙的影响，部分流体在此形成较强的空间环流，且水平环流的中心接近3 ，4 流的 出口。这样的流动给在换包或在浇注的末期形成卷吸起到了推波助澜作用。改进 的控流装置方案升高了挡渣堰出流孔的位置，并降低了挡渣堰的高度，可以从图 2 5 中的计算结果看出流场发生了明显的交化。而从温度场的计算结果表明：原控 流装置中间包各流出口钢水温度差最大达5 c ，而改进后各流出口钢水温差减小到 2 。 1 0 东j b 大学硕士学位论文 第二章文献综述 圈2 4 原设计t 形中间包纵向截面流场图 f i g 2 4 p r e d i c t e df l o wp a t t e r n sa tl o n g i t u d i n a lp l a n e so f t h eo r i g i n a ld 鹳i g nt u n d i s h ( a ) y w = o o lf b ) y w - - o 1 6 图2 5改进设计t 形中间包纵向截面流场图 f i g 2 5 p r a d i c t e df l o wp a t t e r n sa tl o n g i t u d i n a lp l a n e so f t h em o d i f i e dt u n d i s h ( a ) y w = o 0 1 ( b ) y 细2 0 1 6 东北失学硕士学位论文 第二章文献综述 2 0 0 2 年a m u k h o p a d h y a y 等人【2 5 】通过运用c f d 软件，采用n a v i e r - a o c k e 8 方 程，选择标准七一暑湍流模型，建立了描述钢液流动的数学模型，计算了一个4 5 吨中间包内放置相同