（工程热物理专业论文）t型五流非对称中间包控流装置优化的数值模拟研究.pdf

【乞 、 愿 t 型五流非对称中间包控流装置优化的数 值模拟研究 o p t i m i z a t i o no f t u n d i s hf l o wc o n t r o ld e v i c e si n t - - t y p ef i v es t r a n db l o o mb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s 研究生姓名：张永海 指导教师姓名：武文斐 内蒙古科技大学能源与环境学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ： z h a n g y o n g h a i s u p e r v i s o r ： w u w e n f e i s c h o o lo f o f e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a l i n n e rm o n g o f i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h m 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 、 吁， 签名：筮身蛰日期：涩纱z 、侈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鎏滥导师签名：堪日期： 抄t d 占。co 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文基于某炼钢厂五流非对称中间包的技术改造，对包内的控流装置进行优化 设计。由于非对称结构的复杂性，如果控流装置设置不合理，不能有效将注入的钢 液均匀分配给结晶器。目前使用的控流装置已不能满足生产工艺要求。利用流体力 学软件f l u e n t 对设计的1 6 种控流装置方案数值模拟。在钢液稳定流动状态下，考虑 自然对流的影响，采用描述钢液流动的连续性方程，纳维一斯托克斯方程和k s 双 方程模型，分析了有无控流装置的速度场、温度场。计算示踪剂的非稳态传质过程 得到描述钢液的停留时间分布曲线和引用离散项模型对钢液中夹杂物的运动行为进 行研究。 结果表明：设置中间包内多孔挡板控流装置的最佳工况1 2 ，明显消除了短路 流，死区的比例减少到1 0 ，比无控流装置提高了6 3 6 。中间包分配区的钢液温 度更加均匀，各个出口的平均温度的差值最大为2 1 6 ，钢液中的夹杂物去除率为 8 3 9 ，特别是提高了2 0 到5 0 a m 小直径夹杂物的去除率。 对有无控流装置的模拟结果研究表明：设置合理的控流装置的位置，小孔直径和 开口方向的控流装置能够明显改善中间包内的流动特性，使钢水的分配均匀、降低 了死区的比例、延长了钢液的平均停留时间、利于夹杂物的去除。 关键词：非对称中间包；控流装置；数值模拟； t u n d i s h , 8 0t h a tm o l t e ns t e e ld i s t r i b u t i o nu n i f o r m , r e d u c i n gt h ep r o p o r t i o no fd e a dz o n e ， e x t e n d i n gt h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo fl i q u i ds t e e l ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt oe n h a n c et h e r e m o v a lo f i n c l u s i o n s k e yw o r d s ：n o s y m m e t r i ct u n d i s h ；f l o wc o n t r o ld e v i c e s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i ；i言1 1 文献综述2 1 1 前言2 1 2 中间包内的钢液流动特性3 1 3 改善中间包流动特征的途径5 1 4 国内外研究现状和存在问题6 1 4 1 中间包物理模拟研究6 1 4 2 中间包数学模拟研究6 2 课题研究目的意义和内容1 1 3 中间包物理数学模型的建立1 2 3 1 物理模型的建立1 2 3 1 1 研究对象1 2 3 1 2 基本假设1 3 3 1 3 物理模型1 3 3 2 数学模型建立1 7 3 2 1 控制方程1 7 3 2 2 计算边界条件1 9 4 计算结果和分析2 1 4 1 网格划分2 1 4 2 数值模拟计算和分析2 2 4 2 1 中间包内部钢液流线2 3 4 2 2 中间包钢液的速度场2 5 4 2 3 中间包内温度场3 5 4 2 4 中间包内钢液停留时间曲线( r t d ) 分布3 9 4 2 5 钢液中夹杂物模拟4 5 结论4 9 参考文献5 0 在学研究成果5 4 至炙谢5 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 社会的不断进步对高品质的钢材需求越来越多。随着炼钢技术的不断发展，对钢的 洁净度的要求不断提高。中间包作为钢液凝固前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢 的质量有着重要的影响。应该尽可能的使钢液中的非金属夹杂物的颗粒在钢液处于液态 下被排除，并尽可能防止钢液吸收空气以及耐火材料的氧，避免二次氧化，才能满足纯 净钢的品质要求。还有必须使钢液能顺利通过中间包，保持炼钢生产的连续运转。所以 中间包是连铸生产的最重要的关键设备之一。 早期我国的学者研究了中间包内钢液流动的特征，应用激光多普勒测速、高速摄影 分析仪的方法测定了中间包水模型内的速度场，提出了用控流元件在改进中间包流场的 作用和分析；以后又对浇注前后期汇流漩涡的形成和流动状态下夹杂物的碰撞及去除现 象作了理论研究。 本文用数值模拟的方法研究了多孔挡板的控流装置对中间包内钢液流动的影响，分 别分析了中间包内钢液的速度场、温度场，计算了钢液的平均停留时间和夹杂物的去除 率，为实际生产提供技术支持。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 前言 2 0 0 7 年1 2 月，中华人民共和国国务院新闻办公室发布的中国的能源状况与政策中 指出：中国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保 护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略 的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣 作出更大贡献。钢铁是世界经济的晴雨表，世界经济的低迷会明显影响钢铁的产量、价 格。国务院常务会议强调钢铁产业调整和振兴，必须以控制总量、淘汰落后、联合重 组、技术改造、优化布局为重点，推动钢铁产业由大变强。这与产业政策是一脉相承 的。2 0 世纪5 0 年代，作为钢铁工业革命的标志的连铸技术发展起来，其特点就是过程 速度快、投资集中、技术日趋完善。到1 9 9 4 年实现全连铸的国家有2 4 个。同传统的模 铸相比，连铸具有提高金属收得率和降低能量消耗的优越性。减少金属资源和能量的消 耗是符合可持续发展要求的。全连铸的实现使炼钢生产工序简化、流程缩短、生产效率 显著提高，因此大力发展连铸技术是改进炼钢厂工艺流程结构的突破口。图1 1 以铁水 为主要原料的炼钢生产流程的示意图。 一翮桶- 1 图1 1 炼钢生产流程图 叶囝囹叶匡翌团呻钢材 从图中看出，中间包是炼钢生产流程中的中间环节，而且是有间歇操作转向连续操 作的衔接点。中间包的作用是不可忽视的，具有以下作用 1 , 9 1 ： 1 ) 分流作用 2 1 连浇作用 3 ) 减压作用 4 ) 保护作用 随着炼钢技术的不断发展，对钢的清洁度要求不断提高，而中间包作为钢液凝固前 所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响。 中间包冶金有独特的理论特点和研究方法。中间包冶金中，反应工程学的原理得到 更多更深入的运用。但中间包并非单相的理想流动，而是钢和渣的复杂流动，而且有数 内蒙古科技大学硕士学位论文 量巨大的非连续相颗粒的碰撞和运动。中间包内钢液的温度场即不是等温的也不是绝热 的，而在非等温条件下传热和流动相互促进互为因果。主要的研究方法有物理研究和数 学模拟研究。 1 2 中间包内的钢液流动特性 中间包是连续操作的的反应设备，包内的钢液流动特征决定了物质和能量的传输过 程。为了更好的研究中间包流动特性，必须要掌握中间包内钢液的流动规律。利用数学 和物理模拟的研究方法，用水模实验测量钢液的流动特征，以及各种c f d 软件计算中 间包的二维和三维流场，就会对中间包的钢液流动过程有初步的掌握。 ( 1 ) 液液射流 中间包内钢液流动的动量来自盛钢桶液面中间包液面一结晶器弯月面浇注时的高度 差，通过下降注流传递给中间包内钢液。下降的钢液注流是中间包内注入区钢液运动状 态的决定因素。在研究中一般假设中间包入口速度是垂直于中间包入口，由于中间包射 流对中间包内钢液的流动状态有很大的影响，所以现在的很多学者研究了中间包长水口 插入深度和二维三维速度对流动状态的影响 1 , 3 4 , 3 9 。 ( 2 ) 驻点流动 注流方式一般是液液射流，钢液冲到包底就会转变成驻点流动。流体经过驻点后 向四周铺展转变为受固体包底限制的射流，速度基本与包底平行。在附近，随着压强的 降低，径向速度最初有所增大，在驻点流以外，已没有压降来强迫钢液流动，径向速度 逐步降低。因此驻点流动的结果，使中间包内的钢液沿包底形成一个较大速度的流动， 靠近包底处的速度梯度比较大。在射流区以外的部分钢液，甚至会发生方向与射流相反 的流动。在靠近侧壁面的方向，流股冲击到侧壁面再一次形成驻点流动，流动方向是向 上的，因此形成循环流。在中间包包底如果没有设置控流装置时，有可能会形成短路 流，带有夹杂物的钢液直接进入中间包的浇铸出水口流入结晶器。 ( 3 ) 注流卷吸气 注流卷吸气是钢液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 了一个负压区，把大量的空气卷入熔池中。注流卷入空气有四种方式： 1 ) 注流为光滑的层流，冲击到中间包内表面形成一个凹坑，卷入到凹坑周围的空 气强烈震动，气泡崩裂成细小的气泡。 2 ) 注流处于层流和湍流的过渡区，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。 3 ) 注流表面为高度发展的湍流，注流冲击区会有很不规则的波浪运动。 4 ) 注流分裂成液滴散流，每个液滴都会卷入空气，吸氧率大大增加。 ， 一 可见注流卷入吸气量同注 用保护连铸外，还必须良好的 ( 4 ) 出口汇流漩涡 对中间包来说，水口处钢 垂直出口向下流出时，当液面 是汇流漩涡。在钢液流出过程 至是空气，增加二次氧化的可 常发生前后钢包连接区的钢坯 的联系。影响出口回流的原因 1 ) 静止时间 2 ) 注入流方向 3 ) 注流口偏心度 4 ) 出口直径 5 ) 液面的上升或下降 ( 5 ) 自然对流的影响 在连铸操作时钢液产生温差的原因有： 1 ) 在更换盛钢桶时，盛钢桶内钢液和中间包内钢液温度不同，也就是有温度较高 或较低的钢液注入中间包熔池。 2 ) 中间包内钢液散热损失降低温度，使包内的温度分布不均匀，并且和注入的钢 液间形成温度差。 3 ) 中间包加热技术的应用使局部的钢液温度升高。 ( 6 ) 钢液在中间包内的停留时间分布 中间包作为连续式反应器，衡量过程的速率可以利用反应物在包内的停留时间来表 示。根据中间包的大小和介质的流率，不难得到平均停留时i n t 平均： t 平均= v r q = m r 翰 ( 式1 1 ) 式中：圪为中间包的容积，m 3 ； m 。为其中反应物的质量，堙； q 为体积流率，m 3 h ； q m 为质量流率，堙h ； 然而，组成钢液的各个物质分子微团，在中间包内的流动路径是各不相同的，有的 分子微团流动路径短，有的路途长。因为分子微团的数目很大，其流动过程所需要的时 内蒙古科技大学硕士学位论文 间必然服从某种概率分布函数，这就是停留时间分布函数。利用停留时间分布判断死区 的大小是很重要的，因为死区不利于夹杂物的上浮，增大热量损失。 1 3 改善中间包流动特征的途径 改进中间包内钢液的流动的主要方法是：消除钢液在包底铺展流动、使下游的流动 有向上的流动趋势、延长由注入流到出口的时间、增加熔池深度以减轻汇流漩涡等。 具体方法如下： 1 ) 增大中间包的容量 增大中间包的容量有两个优点：一是使钢液在中间包内有较长的停留时间，以利于 夹杂物的上浮，提高钢液的纯净度；二是便于与拉坯速度配合，有利于换包时顺利浇 注，改善换包时铸坯的质量。增大中间包熔池的深度一方面可以增大滞止时间，另一方 面增大了反应器的体积，亦增大了平均停留时间。此外较深的熔池表面流速较低，减轻 了液面的扰动，减少了二次氧化的可能性。 2 ) 挡墙、坝和导流隔墙的应用 中间包设置挡墙和坝是应用最普遍的技术措施。设置下游挡墙必须设置坝，以抑制 沿包底的流动。考虑到自然对流对钢液流动方向的影响以及避免坝体上浮的危害，用导 流隔墙来控制中间包流动是更有效的方法。在一个将上下游完全隔开的的耐火材料壁上 设置不同尺寸和倾角的孔洞，使钢液根据需要的方向流过孔洞，这就是导流隔墙。隔墙 上孔洞的大小和倾角应用数学物理方法设计。钢液通过导流隔墙后的流速和方向由孔的 大小和方向决定，可以达到需要的值。钢液对导流孔洞有较大的冲刷力，所以导流隔墙 用质量优良的耐火材料制造。 3 ) 湍流控制器 盛钢桶注流对中间包内钢液有强烈的冲击作用，形成了注流冲击区。在该区域由于 注流的冲击，导致部分中间包覆盖剂被卷入钢液中而形成夹杂。 应用缓冲器可以改善中间包的钢液流动，起到以下作用： 1 ) 减弱注流的冲击作用，减少卷渣、卷入空气； 2 ) 增大滞止时间，减少中间包内的死区体积； 3 ) 减少对中间包内注流区的耐火材料的冲刷； 4 ) 减缓汇流漩涡的生成。 但是缓冲器不能改变中间包流场的整体态势，还需要和其它的控流装置相配合。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 1 4 1 中间包物理模拟研究 中间包内基本物理现象是钢液的流动，其冶金过程都是在流动的钢液中进行的，所 以研究中间包内的流动现象是中间包冶金的基础。但是直接测量高温下的钢液流速，存 在测量技术难度和研究费用高的缺点。冶金过程中应用物理模拟研究的目的是找到有利 的操作参数，例如为了增加中间包冶金的效果，需要将中间包钢液中夹杂物的上浮和流 动状态建立联系。钢液中的夹杂物的去除效果很大程度上取决于钢液的流动状态，应用 水模型试验研究表明【4 1 ，4 2 4 引，中间包的控流装置的设置对钢液的流动有很大影响。借助 流场的测量、示踪剂响应实验以及夹杂物模拟实验相结合的方法，可以找到最佳的控流 装置的位置【4 引。在水模实验的研究上，学者们突破了传统的试验方法，试验方法得到 的结果越来越接近中间包的实际物理现象，准确地反应了中间包的流动特性。m e h d i a l i z a d e 4 4 1 等研究了非等温情况下连铸中间包的水模实验，实验表明在等温和非等温 情况下，钢液的r t d 曲线是有很大的差别，钢液的混合程度在非等温情况下的要大 于等温情况下的混合程度。z h e n g y a n w e i 【4 6 】在六流中间包水模型优化设计中针对六 流中间包控流装置存在的问题，设计的u 型控流装置不仅克服了传统的控流装置的 弊端，而且提高了非金属夹杂物的停留时间，有利于夹杂物的上浮和分离。东北大 学的张胜军、朱苗勇【2 4 】等人通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验，实 验放弃了传统的水模实验用示踪剂来测出钢液的停留时间( r 1 m ) 曲线来分析中间包内 的流动状况和用固体小颗粒来模拟夹杂物的去除情况。采用了乳状液滴模拟钢液中的夹 杂物，并且考虑夹杂物的聚合碰撞，和实际情况十分的接近。考察了控流装置、浇铸速 度、夹杂物粒径对中间包内夹杂物去除行为的影响规律。实验表明：挡墙一挡坝组合控流 和加设湍流抑制器的中间包夹杂物去除效果最佳，而单纯靠控流装置的优化不能很好地 改善夹杂物的去除效果。陈俊俊【1 1 】等人基于包钢五流非对称中间包的技术改造进行的 水模实验，中间包的控流装置采用导流隔墙，通过改变导流隔墙上的d , - t l 的直径、方 向、位置来控制包内水的流动，通过分析找到最佳的方案。结果表明：水模实验能够很 好的验证计算机的数值模拟结果。m l l o w r y z 等通过数学模型和水力学模型的研究， 得出了多孔挡板的控流装置使钢液分布更均匀，温度分布也更加均匀，钢液的平均停留 时间提高了3 5 ，模拟结果和实验结果能够很好吻合； 1 4 2 中间包数学模拟研究 研究冶金过程中湍流现象并不是一件容易的事情。冶金过程的高温使传统的室温下 的物理模拟和直接测量遇到很多的困难，难以得到足够可靠的信息和数据。数学模拟是 内蒙古科技大学硕士学位论文 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，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的一种方法。通过数学 分析，预报出流动、传热等过程的细节，即给出整个速度场中各变量的时空分布，进而 分析冶金过程的速率和效果。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速度场是中间包冶金学的主要内容。计算流体力学研究方法 的基本特征是数值模拟和计算机实验。它遵从传统的物理定理，可以考虑各种反应过程 和多维多相系的存在。应用计算流体力学的方法可以代替许多实验研究和实物内研究， 而且可以完成实验室和实物研究中的无法观测到的现象、机理和时空过程。上世纪9 0 年代国外c f d 商业性通用软件进入中国市场以后，数值仿真开始利用通用软件结合特 定现象自编子程序进行较复杂过程的模拟分析【1 7 娜】。计算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 、f l u e n t 、s t a r c d 、f i d a p 等，其中还包括一些冶金工作 者自行开发的三维适体计算程序。 自2 0 世纪6 0 年代开始，许多冶金专家根据现代冶金工艺发展的需要，吸取了现代 化学反应工程学的内容和经验，利用流体力学和计算流体力学的理论知识和研究方法， 从解析动量、质量和热量传递工程来研究和分析各种冶金过程，研究各种冶金过程的许 多微观现象和宏观现象。数值模拟和计算机的发展大大的推动了这一进程。我国冶金工 程学的发展，开始于改革开放后的8 0 年代。2 0 世纪8 0 年代全国恢复研究生的招收和 培养为冶金过程分析中应用c f d 数值模拟提供了条件。承担c f d 数值模拟的研究生毕 业后从事计算流体力学和数值模拟的教学和研究工作。利用c f d 程序或软件在计算机 上对该工程领域的许多过程进行数值模拟，只有几十年的时间。c f d 程序或软件不够完 善和常用的计算机功能不足，使许多模拟结果不够逼真，也可能失真或得出一些虚假的 结果。冶金过程的本身复杂性和不稳定性，使目前所具备的数值模拟技术很难达到完善 和十分接近对实际过程的描述，特别是对整个过程或整个反应器行为的描述。在相当长 的时期内，冶金过程中的数值模拟技术还处于研发阶段。人才的培养、经验的积累和软 件的更新，将是这一时期的主要任务。 由于中间包形状复杂，除早期曾用二维流场计算求解外，基本上都用三维流场计 算。贺友多等1 4 0 1 较早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中间 包内钢液流动特征及影响因素；萧泽强 1 0 , 1 2 , 5 4 , 5 5 】等运用了他们对盛钢桶内吹氢钢液流动 的长期研究的成就，也计算了多种中间包内的流场，并较早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。詹树华等【1 6 l 以宝钢集团梅山钢厂1 台连铸中间包为原型，进行的底部吹气中间包水模型研究。针对 中间包内气液两相特征建立了底部吹气中间包内气液两相欧拉多流体模型，其中考虑 了气泡存在对湍流增强的影响，考虑了相间滑移，气泡浮力及湍流分散力。利用选择的 1 。o o o o 。o o o - _ o - o _ _ o - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 计算模型对中间包内气液两相流动和混合特性模拟分析得出结果和水模实验的结果一 致。 y u f e n g _ w u n g 1 4 】等通过数值模拟分析了空包和加设控流装置的中间包的流动和传热 情况，得出中间包的控流装置对流动形式和温度分布有重要的作用；利用非稳态的方法 模拟了夹杂物在不同时段的运动情况，发现了工业过程中存在的主要问题，经过优化设 计解决了夹杂物去除率低，温度分布不均匀这些问题。王建军【1 8 】等用数学模型比较了 有无挡墙的情况下夹杂物的排除率。结果表明，在中间包内设置挡墙和坝及堰，是促进 夹杂物上浮和排除的一个很好方法。朱苗勇【5 】对中间包内的钢液流动和传热耦合过程进 行了计算机模拟，中间包的流动和传热耦合的过程引用了连续性方程、- s 动量方程、 能量方程和k 一占双方程湍流模型。考察了有无控流装置的情况下，自然对流对钢液流 动行为的影响，得出加设控流装置的中间包促进流场和湍动，提高了非金属夹杂物的去 除率；p g a r d i n ，m b n m c t 1 5 等人在研究中间包湍流c f d 模拟实验中模拟了典型的非 金属夹杂物的运动行为，结合水模实验对流动状况和湍流进行了探讨，测量时均速度是 数值模型验证的基础，这个简单的问题在建立模型时存在很大的困难，这篇文章提出了 几种k 一占模型，分别用2 d 和3 d 数值模拟了中间包的流动行为。潘宏伟【4 】等人提出了 多流中间包的流动特征的数学模型，给出了绘制停留时间分布曲线的标准和相关的计算 规范。文章指出s a h a i 自从提出了单流中间包流动特征数学模型，许多学者沿用此模型 解决中间包问题时出现了很多问题。最后提出的数学模型得出的结果能够很好的区分实 际流动方式和理想的活塞流的方式的偏差，提出了死区大小比例和短路流体积分数的计 算方法；m o u m t e zb e n s o u i c i l 4 5 运用c f d 软件f l u e n t6 0 研究了有无控流装置的中间 包流动特性。研究采用k s 双方程模型，利用r t d 曲线分析了中间包内的流动行为。 分别研究了挡墙、挡坝、湍流控制器几种组合的模拟，得出控流装置的位置对于流动特 性和夹杂物的去除有很重要的关系。盛东源旧1 等在研究连铸中间包中钢液流动状态受自 然对流影响，提出用g r r e 2 无因次数来描述自然对流流动状态，并在水模实验中对这 个无因此数的适用性做了研究，在非等温水模型中，通过改变入流水温来模拟观察钢包 注入流钢液温度的影响。当g r r e 2 小于1 时，惯性力控制流动，属强制对流；当 g r r e 2 等于1 时陨性力和浮力相等或相近，流动状态属于混合型；当g r r e 2 大于1 时，浮力控制流动，属自然对流。通过理论分析，物理实验和数值计算得出中间包钢液 流动受自然对流和强制对流综合控制；潘学峰、朱苗勇 5 1 】等人对连铸中间包内钢液温 度变化规律进行了模拟，文章指出中间包热状态只是钢包热循环的一部分，对中间包内 钢液温度变化没有详细的研究，在文中对连铸过程中开浇、正常浇注、更换钢包、停浇 等阶段四个阶段的中间包内钢液温度变化规律进行了研究，并分析了影响钢液温度变化 的主要因素，得出中间包主要是包衬散热，强调了开浇前的预热很重要。还得出中间包 内的钢液温度变化规律是“低 理控制中间包内温度制度提供 中间包钢水的温度场和速 先计算速度场，再以此为条件计算中间包钢水的温度场，这样得出的速度场是基于钢水 物性参数不变的条件上，与中间包内钢液的实际状态是有差别的。随着计算机水平的提 高，研究者们采用速度场和温度场相互耦合计算的方式来考虑物性参数变化的影响。a v a r g a s z a r n o r a 2 8 利用了水模型的方式模拟了中间包流动、传热和传质、应用粒子图像 测速仪( p r y ) 技术观察了流动状况，观察到非等温的条件下在包体内出现了循环流 动，热浮力增加了水流到包底和侧壁的速度，一般数值模拟无论是在非等温条件下还是 等温条件下都要得到包内的速度场。程乃良、朱苗勇【1 1 】等在中间包冶金过程数值模拟 指出了以前的许多工作都是把中间包内的内腔处理成矩形进行假设。采用了速度场和温 度场的耦合计算，对有效粘度系数通过l a u a n d e r 和s p a d i n g 提出的k 一双方程湍流模 型确定，模拟了有无控流装置的工况下非等温中间包内钢液的流动特性，使得模拟结果 更加与工程实际相吻合。任雁秋旧】等人利用所建立的中间包对浇注一个包次周期中间 包工作过程建立非稳态传输过程数学模型进行了数值模拟，在中间包非稳态过程模拟中 首先采用稳态速度场和温度场作为计算的起始速度场和温度场，以此为初始条件，完成一 个浇注过程的计算后，用其所得物理场作为初始速度场和温度场，进行中间包注入钢液温 度降低所产生的非稳态过程模拟计算模拟结果表明，这样处理更加逼近中间包的真实 状态 钢液中夹杂物的运动行为一直是中间包研究内容的重点，也是研究的难点。夹杂物 通过上浮由钢液中去除，其速度服从s t o k e s 定律 1 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 ，这是在平静的钢液中得到的 认识。但是在中间包内，钢液始终处在流动状态下，夹杂物的去除的规律比平静钢液复 杂的多。有很多的研究学者在这方面也取得了可喜的成绩。唧m ( i ，b r a n g t h o m a s 【3 0 】模拟了非稳态钢液流场，温度场和中间包内彳厶o ，浓度分布，结果表明： 热浮力完全改变了钢液的流动行为，由于夹杂物的聚合原因，5 朋直径的颗粒浓度 分布有很大的降低，随着夹杂物的直径的增大，夹杂物的去除率随之提高。s j 0 0 ， j w h a n 2 0 等学者研究了中间包中热对流的影响，实验很好的观察了流体流动和夹 杂物颗粒的扩散，得出的结论是在实际中间包的传输现象与中间包的水模型试验有很大 的不同，因为在大尺寸的中间包中热对流对钢液的流动状况影响很明显。还有控流装置 对中等和大体积的夹杂物有很大的去除作用( 5 0 p m 一1 2 0 a n ) 。s l o p e z i rz 等人【2 ”为了优化钢液流动和使夹杂物和表面渣层的接触时间延长，设计一个合适的控 流装置。研究使用随机游走模型( d i s c r e t er a n d o mw a l l ( m o d e l ) ，评价控流装置对流 场、示踪剂扩散和大小不一的直径夹杂物去除率的影响，得出l 朋到1 0 朋的粒子轨 内蒙古科技大学硕士学位论文 迹。由于入口的速度，氧化铝粒子到达包底向上移动形成复杂的循环路线，有利于小直 径的粒子碰撞和上浮。湍流控制器提高了钢液的纯净度通过两种机制：对小直径的粒 子，在湍流控制器的里面捕获，对于大直径的粒子，使它们向上到达液面被渣层吸收捕 获。a v a r g a s z a m o r a 陇】通过数值计算来补充现在已经报道的关于中间包的热对流现 象，通过与实验预测的流动情况比较预测流体流动，另外确定热浮力对夹杂物上浮的影 响。热浮力的影响不足以使小直径的粒子上浮，湍流器对大粒子的上浮率高的影响大而 热浮力小，说明控流装置的重要性。张邦文、邓康等人【2 3 】在欧拉拉格朗日的框架下，提 出了夹杂物行为运动，聚合和去除耦合的统计模型，在得到中间包三维的流场之后，用 m o n t e - c a r l o 的方法模拟了夹杂物的行为，计算出壁面吸附效率的贡献率在1 6 7 至 2 5 。由于中间包的包型的限制，夹杂物的碰撞很明显。在这篇文章中也给出了两个计 算夹杂物碰撞的计算模型：斯式方程和群平衡方程，分析了两种方法的区别和使用的限 制。在流动的钢液中，夹杂物颗粒容易碰撞成长成大的颗粒。液态的夹杂物聚合后成为 较大的液滴；固态的彳厶o ，夹杂物和钢液间的润湿角大于9 0 ，碰撞后能够粘附，在钢 液静压力和高温作用下，很快烧结成珊瑚状的群落，尺寸达1 0 0 p m 以上，甚至还要大 很多。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 课题研究目的意义和内容 连铸中间包是连接钢包与结晶器之间的过渡容器，不仅是稳压、分配钢水、保证钢 水连续浇铸的缓冲容器，还是防止钢渣进入结晶器、去除钢液中非金属夹杂物、均匀钢 水温度等保证铸坯质量的关键设备。连铸中间包内控流装置的参数设计，对中间包内非 金属夹杂物的上浮以及均匀钢水温度起着非常重要的作用。对于多流非对称连铸中间包 来说，若控流挡墙设计不合理，各流出口温度高低及所含夹杂物大小和数量会有很大差 异，从而给铸坯质量的控制带来很大困难。因此，寻找合理的中间包控流挡墙改造设计 参数，对多流连铸中间包具有特别重要的意义。 在多流连铸中间包系统中，理想的流动情况是从各流流出的钢液在中间包内具有相 同的流动特性，即相同的响应时间、停留时间和钢液温度。但由于中间包结构所致，使远 端流和近端流的响应时间差别较大，该两流对中间包内流体的流动特性产生很大影响， 因而五流非对称中间包多孔挡板的控流装置各出流的流动特征比较复杂。因此，成功设 计控流装置是中间包技术改造的关键。基于某炼钢厂非对称五流连铸中间包的技术改造， 采用数值模拟技术对加设控流装置的连铸中间包内部速度场和温度场进行模拟计算，得 到钢液停留时间分布( r 1 m ) 曲线。 主要的研究内容： 1 ) 对无加设控流装置的中间包和加设控流装置的中间包的多种工况进行计算机模 拟。在考虑自然对流的影响下，得到温度场、速度场、钢液停留时间和夹杂物的去除率 2 ) 对不同方案的模拟结果进行比较，提出最佳的工况，为实际生产提供支持。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 中间包物理数学模型的建立 3 1 物理模型的建立 3 1 1 研究对象 某炼钢厂圆坯连铸中间包钢液公称液面深度为1 0 5 5m m ，浇铸周期3 5 r a i n ，中间包 的容积是l o o t ，圆坯断面为1 8 0m m ，正常的拉速为2 5m m m ，每个水口的距离为 1 6 5 0 m m ，重轨钢种u 7 1 m n ，钢种液相线温度1 4 7 2 。c ，过热度范围1 5 2 5 。c 。 中间包整体结构如图3 1 所示： 出水口1 0出水口2 4出水口3 0出水口4 0出水口5 0 图3 1 中间包整体结构图 中间包结构尺寸图如图3 2 所示：( 单位：肌埘) k i _ 一7 5 4 2 一 图3 2 中间包结构尺寸 中间包保持正常液位时，钢包保护浇注，注流有较大的流速，产生的冲击力引起液 面强烈波动，沿钢渣界面产生剪切力，把渣子卷入钢液。中间包的注流采用长水口或套 管保护时，注流引起的液面表面波动明显减轻，钢渣界面剪切力减弱，钢液卷渣明显减 tllqh i i i i 少。合理的液面深度 包的液面要在液面的 丝生成。对于质量一 际的条件下增加中间 3 1 2 基本假设 考虑到钢液在中 采用如下的基本假设 ( 1 ) 中间包内钢 ( 2 ) 中间包内的 ( 3 ) 忽略表面渣 ( 4 ) 中间包的传热过程是一个稳态传热过程。 ( 5 ) 钢液在中间包内的流动是一个复杂的湍流流动过程，中间包的钢液存在温度差 引起钢液密度变化产生浮升力，对钢液的温度场和流场产生一定影响，因此浮升力必 须加以考虑。由于钢液的密度变化不大，在计算浮力的作用时，可采用布辛聂斯克 ( b o u s si n e s q ) 假设。钢液密度和温度的关系式是 p = 8 5 2 3 0 8 3 5 8 t 式中：，是钢液的温度，。c 。 ( 式3 1 ) 3 1 3 物理模型 中间包设置控流装置可以改善中间包内钢液的流动，有利于均匀钢液温度，使夹杂 物明显去除，本文控流装置采用的是多孔挡板，由于中间包的结构复杂性，取全部的中 间包体积为研究对象，按照1 ：1 的比例进行数值模拟，研究中间包的速度场、温度场。 本文设计了1 6 种工况，每种工况设置不同的控流装置，下面具体介绍控流装置的 结构。 中间包加设控流装置结构俯视图如图3 3 所示： 内蒙古科技大学硕士学位论文 一4 0 0 一 b 一7 5 4 2 一 图3 3 中间包加设控流装置结构俯视图 工况l 控流装置结构图如图3 5 所示： 卜1 2 6 4 。i k 一1 2 6 4 一 图3 5 工况1 左、右控流装置结构图 左侧挡板1 、2 、3 小孔直径为6 0 m m ，4 小孔的直径为7 0 r a m 右侧挡板1 、2 、3 小孔直径为5 0 m m ，4 小孔的直径为6 0 m m 工况2 、3 、4 控流装置结构图分别是在工况5 的基础上改动。 其中 工况2 ：各个小孔的位置和直径大小不改变，小孔l 的仰角是5 ，小孔2 、3 的仰 角变为1 0 ，小孔4 的仰角是3 5 。 工况3 ：各个小孔的位置和仰角不改变，左侧挡板1 、2 、3 小孔直径为7 0 m m ，4 小孔直径改变为8 0 m m 。右侧挡板1 、2 、3 小孔直径为6 0 m m ，4 小孔直径变为 7 0 m m 。 工况4 ：只改变小孔4 的仰角为4 5 。 工况5 控流装置结构图如图3 6 所示： tt|h1王 内蒙古科技大学硕士学位论文 卜一 1 2 6 4 - i 卜一1 2 6 4 叫 图3 6 工况5 左、右控流装置结构图 左侧挡墙1 、2 、3 小孔直径为6 0 r a m ，4 小孔的直径为7 0 m m 右侧挡墙1 、2 、3 小孔直径为5 0 m m ，4 小孔的直径为6 0 m m 工况6 、7 、8 控流装置的结构图是在工况5 的基础上改动。 其中 工况6 ：各个d , - t l 的位置和直径大小不改变，小孔2 、3 直径改变为1 0 ，小孔4 的 直径为3 5 。 工况7 ：各个小孔的位置和仰角不改变，左侧挡板1 、2 、3 小孔直径为6 5 m m ，4 小孔的直径为8 0 m m ，右侧挡墙1 、2 、3 小孔直径为6 0 m m ，4 小孔的直径为7 0 m m 工况8 ：各个小孔的位置不改变，小孔4 的仰角改变为4 5 。 工况9 控流装置结构图如图3 5 所示： 5 。 1 0 。 3 5 * 卜一8 4 6 刊 五苎= 五竺 ，i h 一8 4 6 刊 型 盎 图3 4 工况9 左、右多孔挡板控流装置结构图 左侧挡板l 、2 、3 、5d , - t l 直径为6 0 m m ，4 小孔的直径为7 0 m m 右侧挡板1 、2 、3 、5d , - 孑l 直径为5 0 m m ，4 小孔的直径为6 0 m m 工况1 0 、1 1 、1 2 的控流装置结构图分别是在工况9 的基础上的改动。 内蒙古科技大学硕士学位论文 其中 工况1 0 ：各个小孔的位置和直径大小不改变；小孔1 的仰角是5 ，小孔2 和3 的 仰角为1 0 。，孔4 和5 的仰角改变为3 5 4 。 工况1 1 ：各个小孔的位置和仰角不改变：左侧挡板l 、2 、3 、5d , - t l 直径为 7 0 m m ，4 小孔的直径变为8 0 m m ；右侧挡板1 、2 、3 、54 , t l 直径为6 0 m m ，4 小孔的 直径变为7 0 m m 。 工况1 2 ：各个小孔的位置不改变，3 小孔的仰角改变为1 5 。，5 小孔仰角为4 0 。，其 他的不改变。 工况1 3 控流装置结构图如图3 7 所示： 5 。 1 5 0 4 0 。 - 一1 2 6 4 + h 卜 8 4 6 圳 h 一8 4 6 _ 刊 璺 二蛄 图3 7 工况1 3 左、右控流装置结构图 左侧挡板1 、2 小孔直径为6 0 m m ；3 、4 小孔的直径为6 5m m ；5 、6 直径7 0 r a m 右侧挡板1 、2 小孔直径为5 0 m m ；3 、4 小孔的直径为6 0 m m ；5 、6 直径6 5 聊m 工况1 4 、1 5 、1 6 的控流装置结构是在工况1 3 的基础上的改动。 其中： 工况1 4 ：各个小孔的位置和直径大小不改变，1 、2 小孔的仰角为5 。，3 、4 小孔的 仰角改为1 0 。，小孔5 、6 的仰角是3 5 。 工况1 5 ：各个小孔的位置不改变，左侧挡板1 、2 小孔的直径改为6 5m m ，小孔 3 、4 改为7 0 r a m ，小孔5 、6 直径改为7 5m m 。右侧挡板1 、2 小孔直径是6 0 r a m ，3 、 4 小孔的直径是6 5 肌垅，5 、6 小孔直径是7 0 m m 。 工况1 6 ：各个小孔的位置和直径大小不改变，5 、6 小孔的仰角改为4 5 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 2 数学模型建立 3 2 1 控制方程 描述钢液的流动方程有连续性方程，动量方程即纳维斯托克斯方程、以及描述湍 流的由l a u d e r 和s p a l d i n g 的后一双方程模型、能量方程、组分传输方程和颗粒作用力 平衡方程。方程的具体形式如下： 1 ) 连续性方程： 旦幽：o 瓠i 式中：p 为钢液的密度，k g m 3 ： “，为钢液的时均速度，m s ； x i 为以张量表示的方向； 2 ) 动量方程n s 方程： 掣= 一瓦o p + 毒卜c 瓦o u i + 筹， + 偌，胚丁 式中：p 为压力，p o 。 翰为有效粘度系数； 为体积膨胀系数，1 。c ： 丁为过热度，。c ； g 为重力加速度，m s 2 ； 3 ) 湍流模型采用k s 方程来描述： 湍动能方程： 鹏婺= 导f ，垃婺夕+ g 一胆 呶l呶lo km l 湍动能耗散率方程： 鹏嘉=旦ox，垃嘉夕+掣i a 呶is 呶i k ( 式3 1 ) ( 式3 2 ) ( 式3 3 ) ( 式3 4 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 式中：七为流体湍动能，加2 厶2 ； g 为湍动能产生率，所2 厶3 ； 占为流体的湍动能耗散率，聊2 厶3 ； 其中： v - - u 2 挈( 誓+ 誓) 瓠i 、瓠；a x i 够2 1 + 2 一c d 带 z 22 2 一 s ( 式3 5 ) ( 式3 6 ) ( 式3 7 ) 式中：“为动力学粘度，n s m 2 ； 2 为湍流粘度系数，n 聊2 ；式中出现的5 个常数采用l a u d e r 和s p a l d i n g 所 推荐的数据【3 9 l ：q = 1 4 3 ； q = 1 9 3 ：g = 0 0 9 ；吼= 1 0 0 ；仃。= 1 0 0 。 4 ) 能量方程 以温度z 为变量的能量方程n7 】( e 1 1 e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 掣+ 掣= 丢怯豺品 c 枷 式中：7 为温度