五流连铸中间包内钢水流动特性及温度场的数值模拟

五流连铸中间包内钢水流动特性及温度场的数值模拟

连铸中间包是接收和分配钢水的容器。它具有保证连铸生产顺利进行，净化钢液，提高造粒质量等冶金功能。随着近年来多流通道膏体质量要求的逐步提高，多流通道朱体的冶金效果越来越受到重视。五流大方坯连铸机中间包设计为“T”形对称结构.其中,中间包结构和典型断面连铸工艺参数分别如图1和表1所示.本研究拟通过数理模拟,研究不同控流方式对中间包内钢水流动特性和温度场的影响,开发合理的控流方式,以充分发挥中间包的冶金效果.1u3000中间包内流体流动特性的表征与评价物理模拟的依据是相似原理.为保证模型与原型流场相似,需同时满足几何相似与动力相似.本研究取原型与模型的几何相似比λ=3∶1,不同铸坯断面情况下模型流量与原型流量的对应关系如表2所示.在实验过程中取低(44.8L/min)、中(67.5L/min)、高(89.6L/min)3个不同水平的流量按表3所示方案进行了研究.在3组方案中,梯形围墙中导流孔的设置,是在两侧各开1个较大的导流孔,分别承担1#、2#和4#、5#水口的钢水分配,围墙正面的2个小导流孔,承担3#水口的钢水分配(如图1所示).考虑到中间包的对性称,实验中只测定其中1#、2#、3#水口的停留时间分布曲线(RTD曲线),并以此分析中间包内流体的流动特性.其中,中间包内钢水的流动特性,利用响应时间(tmin)、峰值时间(tpeak)、平均停留时间(tav)、活塞流体积分率(Vp)、全混流体积分率(Vm)、死区体积分率(Vd)来进行表征与评价.2数值模拟2.1钢液流动及传热的基本方程中间包内温度场的模拟假定钢液为不可压缩的黏性流体,忽略中间包表面覆盖剂及渣层对钢液流动的影响和温度对钢液密度的影响,并假定中间包传热过程为稳态传热.用于描述钢液流动和传热的基本方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能方程以及湍动能耗散率方程.上述方程的具体形式与参量说明见文献和.2.2由速度分量的确定鉴于中间包几何结构的对称性,取模型的一半来计算分析,计算初始中间包内充满钢液.其边界条件如下:(1)中间包自由液面:在中间包自由液面处,所有变量的垂直梯度均为0;垂直于液面的速度分量为0,自由液面热流为15kW/m2;(2)入口:取长水口出口处为入口边界,采用速度入口,其法向速度通过拉坯速度换算可得,vy=vin,T=1823K;(3)出口:速度分量和除压力外的其他所有变量出口方向梯度为0;(4)对称面:垂直于对称面的速度分量及其他各变量沿对称面法向方向梯度为0;(5)中间包壁面:近壁区采用Fluent标准壁面函数处理,采用平均热流作为壁面传热条件,中间包壁在前后宽面、两侧窄面和底面的热流分别为3.8kW/m2、3.2W/m2及1.4kW/m2.3结果与讨论3.1体系的优化及控流效果分析图2是采用方案Ⅰ时中等流量条件下中间包内钢水的RTD曲线,其流动特征参数如表4所示.可以看出,采用围墙和冲击板的控流方式,可以实现钢水在各流之间的合理分配,钢水平均停留时间为869s,基本能够满足生产需要,但各流的响应时间普遍偏短,特别是距离冲击点较近的3#流,由于包型较窄,响应时间(61s)与2#流(76s)、1#流(83s)相比差别较大,这不仅不利于夹杂物上浮去除,还容易导致各流水口之间钢水温差较大,不利于生产顺行.同时,从图还可看出,由于钢水自围墙侧面导流孔流出后,依次流向下游的2#、1#水口,导致部分流股在较短时间内到达1#水口,缩短了这部分钢水在中间包内的停留时间,不利于夹杂物上浮去除.此外,由于活塞流体积分率偏低,导致中包的死区体积偏高,平均高达27.5%,不利于发挥大容量中间包的冶金效果.为延长响应时间,方案Ⅱ中将方案Ⅰ的冲击板变为稳流器,并对围墙开孔位置略有调整,其实验结果如图3和表5所示.可以看出,采用稳流器以后,由于钢水在稳流器内碰撞和湍动能的降低,各流的响应时间较方案Ⅰ普遍延长.其中,响应时间最短的3#流,由方案Ⅰ的61s延长至83s.同时,各流间相应时间的差值也由原来的22s降至17s,死区体积分率由27.5%降至26.3%,充分显示了稳流器在中间包冶金中的重要作用.但采用稳流器以后,不仅钢水到达1#流的峰值时间不一致,达到3#流的峰值时间也出现了较大的差别.因此,采用稳流器后,需要对控流系统进一步优化.图4和表6是方案Ⅲ的实验结果.可以看出,在方案Ⅱ的基础上,将导流孔位置进一步优化并在1#、2#流之间设置挡坝后,钢水在各流之间的分配非常接近,并消除了1#流和3#流的钢水峰值时间不一致的问题.在中等通钢量情况下,各流的流动特征参数非常接近,一致性良好,响应时间明显增长且十分接近,平均死区体积分率为24.8%,平均停留时间达15min以上.可以认为,方案Ⅲ的控流效果最为理想.但从表6可以看出,当通钢量较小时,钢水到达中间包端部的1#、5#流所需时间相应增长,各流间流动特征参数的一致性明显变差.因此,建议在实际生产过程中,为保证中间包的冶金效果,需要保证是合理的拉坯速度,不同断面情况下均需要保证通钢量在中等水平以上.3.2钢水温度分布图5为方案Ⅲ时中等通钢量情况下中间包内温度分布情况.可以看出,整个中间包整体温度分布非常均匀.从表面温度分布来看,当注入钢水温度为1822K时,中间包的端部上沿的温度最低(1806K),相差仅为16℃;从塞棒中心线纵剖面来看,包内各个位置钢水的最大温差在10℃以内,各流出口钢水温差2~3℃,能够确保连铸生产顺行和各流间铸坯质量的一致性.鉴于以上情况,建议该大方坯连铸中间包内控流方式,按照方案Ⅲ进行设计.4控流方式设计以五流大方坯连铸中间包为研究对象,通过水模实验及数值模拟,研究了控流方式对中间包内流体流动特性的影响规律及温度场的影响,并得出如下结论:(1)原型中间包由于包型偏窄,容易导致距离冲击点较近的3#流响应时间较短,而在两端的1#、5#流响应时间相应偏长.(2)在采用导流围墙的情况下,将冲击板变为稳流器,可将各流的平均响应时间由73s延长至94s,有利于夹杂物上浮去除.(3)