四流小方坯连铸中间包流场的数学模型分析.docx

四流小方坯连铸中间包流场的数学模型分析摘要：本文针对四流小方坯连铸机中间包的液面流场进行了数学模型研究，结果显示：在中间包导流挡墙的中部，流体从上往下流，如只开中间墙的上孔，则引导流体向表面流动，因此液面流速将明显提高。如果导流挡墙的侧墙开孔处流速快，流股将直接冲向对侧包壁，则形成明显的水平环流。关键词：连铸；中间包；流场；小方坯Mathematical analysis of flow field of tundish in 4 strand billet casterAbstract：This paper discussed the mathematical model of the top surface in tundish of 4 strand billet caster. It was found that in the impact zone of tundish the flow velocity near the middle part of baffle is directed toward the liquid bottom, in the case that there are holes in the middle part of baffle, the flow velocity at the liquid surface would increase obviously. If the flow speed at the hole of the side wall of baffle is high, the flow stream can reach the opposite wall of the tundish, and this is a strong horizontal flow. Key Words：Continuous casting; Tundish; flow field; billet 1 前言连铸是炼钢过程的关键环节，目前，针对连铸中间包开发了众多控流装置以改善钢水质量。其中，针对多流中间包的控流装置对中间包内流场的影响，国内外研究者进行了大量研究1、2。本文针对江苏永钢炼钢厂四流小方坯连铸机上新安装的20吨中间包进行了数学模型研究，计算了中间包中的流线分布，在此基础上分析了控流装置对中间包内流场的影响。2 中间包主要工艺参数本项目的中间包所采用的主要工艺参数如表1所示。表1 连铸中间包的主要工艺参数Table1 The main parameters of the tundish参数数值中间包容量 /t20包型T型流数4包壁倾斜角 /10钢包浇铸温度 /1524+(1540)拉速 m/min2.33.5 本项目主要研究导流挡墙对中间包内钢水流场的影响，其中，挡墙方案为8个，示意图如图1所示。(a) 方案1 (b) 方案2 (c) 方案3 (d) 方案4(a) Case1 (b) Case2 (c) Case3 (d) Case4(e) 方案5 (f) 方案6 (g) 方案7 (h) 方案8(e) Case5 (f) Case6 (g) Case7 (h) Case8图1 中间包挡墙开孔方案示意图Fig.1 The layout of the holes on the baffle of the tundish3 数学模型模拟 中间包，特别是多流中间包，其内流场特别复杂，流场变化的机理和液面流动状况等在水模型实验中不好测量，且借助有限参数也不可能分析透彻，用数学模型在可靠验证的基础上可以得到详细的流场数据及丰富的附加参数，显然有利于深入分析中间包流场。3.1 假设条件及边界条件（1）连铸中间包内钢水的初始温度均匀分布；（2）忽略表面覆盖剂对流动的影响，中间包钢液顶面为自由滑移表面 （3）壁面附近的流动区域粘性效应占优势通过无滑移边界壁面函数法计算；（4）中间包流体为粘性不可压缩流体且为稳态流动；中间包内钢液流动为湍流流动，描述钢液的流动由连续性方程、动量方程（N-S方程）以及描述湍流模型能量耗散的k-双方程3-5组成。3.2 数值模拟计算方案本项目的模拟计算主要考察中间包内不同控流装置对中间包流动特征的影响，根据上述方案设计中间包的三维几何模型。根据中间包的具体几何形状，并经过多次比较计算结果，最后用ICEM方法进行网格划分，具体为：四面体网格划分尺寸为小于30 mm，在壁面和出水口处进行优化。3.3 数值模拟的验证图2显示的是针对1#(全孔)方案水模型和数学模型得到的RTD曲线间的对比。图2（a）是远端出水口处的RTD曲线，而图2（b）是近端出水口处的RTD曲线，由两图可见数学模型的计算结果和水模型测得的结果基本吻合，证明数学模型的计算结果可靠，可用于分析中间包内的现象。 (a) 外侧出水口处的RTD曲线 (b) 内侧出水口处的RTD曲线 (a) RTD curves of outer side outlet (b) RTD curves of inner side outlet 图2 水模型和数学模型的RTD曲线的对比Fig.2 The compare of the RTD curves between water model and mathematical model3.4 数值模拟的结果分析 (a) 1# (b) 2# (c) 3# (d) 4# (e) 5# (f) 6# (g) 7# (h) 8# 图3 各方案冲击区的流线图Fig. 3 The diagram of streamline at the impact region in the tundish of each case由图3可见，各方案冲击区流线图均显示流体从长水口流入后将沿长度方向在水口两侧形成两个大的回旋区，在导流挡墙的中部流体是从上往下流，而在侧墙部分流体是从下从上流动，这种流场形态不受导流挡墙开孔方案的影响。在导流挡墙的中部，流体从上往下流，如只开中间墙的上孔，则引导流体向表面流动，因此液面流速将明显提高，使液面受到较大干扰，这和水模型实验观察的结果是一致的。图4显示了各方案中间包流线图的顶视图。各方案中间包的共同特点是流体从冲击区流出后将向中间包的两侧沿包壁形成两个大的环流，如果侧墙开孔处流体流速快流股强劲，流股将直接冲向对侧包壁，则形成明显的水平环流，同时存在垂直方向的环流，反之，则环流较弱。 (a) 1# (b) 2# (c) 3# (d) 4# (e) 5# (f) 6# (g) 7# (h) 8# 图4 各方案流线图的顶视图Fig.4 The top view of the streamline diagram in the tundish of each case如果挡墙中部开孔则中间部分将形成两个小的环流，如果中间孔处流体流速快，中间的小环流将和两侧的大环流形成重叠。了解以上规律，对于正确设计停留时间长且死区小的多流中间包将有所助益。4 结论（1）在中间包导流挡墙的中部，流体从上往下流，如只开中间墙的上孔，则引导流体向表面流动，因此液面流速将明显提高。（2）流体从冲击区流出后将向中间包的两侧沿包壁形成两个大的环流，如果导流挡墙的侧墙开孔处流速快，流股将直接冲向对侧包壁，则形成明显的水平环流。（3）如果挡墙中部开孔则中间部分将形成两个小的环流。参考文献1 郑淑国，朱苗勇，王颖. 六流方坯连铸中间包结构优化水模实验J.钢铁研究学报，2008 (11)：10-14.2 薄凤华，徐莉，李本海，等. 中间包挡墙优化的数值模拟与实践J.炼钢，2007 (4)：52-55.3 K. Chattopadhyay, M. Isac and R. I. L. Guthrie. Physical and Mathematical Modelling of Steelmaking Tundish Operations: A Review of the Last Decade (19992009) JISIJ International，2010(3)：331-348. 4 M. J. CHO and I. C. KIM. Simple Tundish Mixing Model of Continuous Casting during a Grade Transition JISIJ International，2006(10)：1416-1420. 5 S. X. Liu, X. M. Yang, L. Du, L. Li and C. Z. Liu.