连铸中间包内钢液流场的数值模拟

连铸中间包内钢液流场的数值模拟

在连铸生产过程中，中心包起了重要作用，如降压、降压、将钢水均匀分配给不同的晶器，实现多炉连续供水，排除杂质和清洁钢水。进行中间包内钢液流动状态的优化研究，对提高连铸坯的质量有重要意义。1钢水在中间包内流动的数学模型连铸中间包中钢水的流动是一个复杂的湍流流动过程，从动力学特征来讲，假设高温钢液粘度恒定时，其特性与水的湍流流动在物理上是相似的，所以高温钢水可视为不可压缩的牛顿流体。钢水在中间包内的湍流流动过程主要特征是不规则性、三维性、扩散性和耗散性。描述这一过程的方程有连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程以及描述湍流流动的K-ε双方程模型。(1）连续性方程假设钢水在中间包内的流动是稳态流动，视钢水为不可压缩流，密度为常数，则：(2）动量传输方程钢水在中间包内的流动是一个紊流状态，当流动为稳态流动时，式中：第1项是对流项；第2项是压力梯度的影响；第3项是扩散项；第4项是体积力，这里只考虑重力作用;μeff为有效粘度系数。(3）湍流模型文中采用双方程模型（k-ε双方程模型）。描述湍动能的k方程：描述湍动能耗散的ε方程：采用Launder和Spalding提出的单层壁面函数，既要考虑层流层和湍流层的划分，并假设粘性层以外的区域无量纲速度服从对数定律。(4)能量方程式中：ST为源项，无内热源时为零；Γeff为有效扩散系数，可表示为：其中：Pr和Prt分别为层流和湍流的普朗特数，分别取1和0.9。在计算温度场时，考虑到温度对流场的影响，流体的密度：密度ρ=-0.883T+8612.5粘度ν=-1.2084×10-1-1.5167×10-4×T+6.7221×10-8×T2-10.229×T32表面散热量的计算模型采用某钢厂六机六流中间包，取中间包1/2区域，计算无挡墙和有挡墙2种情况下的流场和温度场，几何模型如图1。边界条件：(1）入口(2）在中间包出口截面上，设流体在出口处充分发展为压力出口。(3）中间包壁面，所有壁面速度设置为0，壁面函数采用Launder和Spalding提出的单层壁面函数。壁面传热条件采用第二类边界条件，即。在浇注过程中，中间包壁传热和表面顶渣热辐射视为恒定值，通过包壁和表面渣层的热通量采用Chakraborty和Shhai的推荐值,横向包壁散热量3.2kJ/(m2·s)；纵向包壁3.8kJ/(m2·s)；底面1.4kJ/(m2·s)；表面渣层15kJ/(m2·s)。3计算结果和分析3.1中间包内钢水流动规律图2,3是中间包在无挡墙和有挡墙2种情况下典型位置截面的流场，计算结果表明：加挡墙后，液面处的速度有所增加（2种情况下最大速度分别为0.189,0.139m/s），加挡墙改变了流动的状态，流股在接近液面处的波动要大。从图2看出，挡墙明显改变了钢水的流动路径，钢水在长水口浇进中间包后，碰到挡墙的阻隔，形成一个大的自下而上的漩涡，带动钢水从挡墙上方通过，通过挡墙后一部分钢水水平流动，另一部分又形成漩涡不断向前滚动。由计算可知挡墙把整个中间包分为两部分：靠近中间包底部的湍流区，接近液面处的近似于平稳的层流区。下部的局部强湍流有利于钢水温度与成份均匀化、夹杂物聚合长大，防止其自由扩散，从而有利于大型夹杂物上浮；平稳的层流区域有利于小尺度夹杂物的上浮。对于不加挡墙的情况，从图3(a）看出，钢水的水平流占主导，液面很平稳，但中间包的沟流明显较大，对中间包末端钢水作用强度小，末端容易形成死区。图4直观地揭示钢水在中间包中的流动轨迹和对夹杂物去除效果的影响。比较图4(a),(b)可以看出，空包内钢水流线较短，钢水贴近液面的时间很短，夹杂物的去除不利。加设挡墙的中间包，钢水的流线增长，钢水的停留时间延长，绝大部分钢水能流经液面，并且具有很大的表面水平流路径，增大了夹杂物上浮的机会。3.2中间包内的温度场图5是有无挡墙的中间包温度对比。通过计算得知：大包长水口处钢水注入温度为1530℃（1803K），中间包内钢水最低温度约为1503.6℃（1776.4K），钢水最低温度的位置在中间包出口上方左端附近的钢水顶面（中间包钢水顶面的散热量最大，速度相对较小）。如图6所示，无挡墙中间包内的温度场与中间包内设挡墙时的温度场完全不同。无挡墙时，中间包各钢水截面的等温线以平推形式向前推进，这与中间包的“少回流”、“多短路流”的流场是一致的，这时中间包内钢水的温度整体偏低，而且不均匀，其中一个很明显的特征是在长时间浇铸时，钢水会出现分层，即出现高、低温层。结合计算结果得知，无控流装置中间包的各流出口钢水温度差最大达到3℃，改进后的中间包，即加挡墙的中间包各流出口钢水温度差减少到1.8℃。图7是中间包纵向各个截面的温度分布，在两种情况下，中间包的最低温度都出现在靠近包壁侧出口上方的液面处，无挡墙时最低温度为1503.4℃（1776.4K），而加挡墙的最低温度为1509.3℃（1782.3K）。挡墙改变了流场，使得钢水的流动补充热量效果明显。在中间包的中上部温度相对最高，在最上部散热大，液面处温度低，温度的不均匀造成钢水密度不一致，中间包内存在自然对流，使得包底的温度偏低，在中间包的中上部温度相对最高。4中间包内钢水的热损失的计算(1）没有流动控制的中间包，包内钢水的流动状态不利于夹杂物上浮和排出；加挡墙后，中间包内钢水流动状态显著改变，利于钢坯质量的改善。(2）中间包的下部和侧墙的散热远比中间包上部钢水自由表面的小，即中间包内钢水的热损失主要在中间包上部的自由表面处，计算得知在空包液面最低温度是1503.4℃，有挡墙的是1509.3℃。中间包内温差的存在导致钢液产生自然对流，在中间包底