供稿|金愛軍,翟衛(wèi)江,劉福海 / JIN Ai-jun, ZAI Wei-jiang, LIU Fu-hai

內(nèi)容導讀

文章以南鋼集團13 t中間包為例,應用Fluent模擬軟件對流場進行三維模擬.計算了在不同拉速下中間包內(nèi)熔池平均流速及夾雜物去除率.模擬計算結(jié)果為冶煉生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支持.文章還介紹了模擬中間包流場的軟件參數(shù)設置方法,希望能給讀者提供一些學習素材.

連鑄中間包是接受和再分配鋼水的冶金反應容器,具有改善鋼液流動條件、均勻鋼液溫度、促進夾雜物上浮等功能.中間包不但是煉鋼生產(chǎn)流程的中間環(huán)節(jié),而且是煉鋼-連鑄過程中連續(xù)操作的銜接點.隨著對特殊鋼質(zhì)量與性能要求的不斷提高,中間包的冶金效果越來越受到重視[1-2].

近年來,采取了一系列技術(shù)措施來強化和擴大中間包的冶金功能,從而使中間包由一種簡單的鋼液過度容器變成了重要的鋼液精煉設備[2].一般在中間包內(nèi)完成的附加冶金功能主要有[3-4]:

(1) 凈化功能:在中間包內(nèi)采用擋墻加壩、吹氬、陶瓷過濾器等技術(shù)措施,可有效改善中間包內(nèi)鋼水的流動狀態(tài),促進鋼中非金屬夾雜物的上浮分離.

(2) 調(diào)溫功能:采取向中間包內(nèi)加小塊廢鋼、噴吹鐵粉等措施以調(diào)節(jié)鋼水溫度.

(3) 成分微調(diào):由中間包塞桿中心向結(jié)晶器喂入鋁、鈦、硼等包芯線,實現(xiàn)鋼中微合金成分的微調(diào),既提高了易氧化元素的收得率,又可避免水口堵塞.

(4) 精煉功能:在中間包鋼水表面加入雙層渣,吸收鋼中上浮的夾雜物,或者在中間包喂鈣線從而改變Al2O3夾雜形態(tài),防止水口堵塞.

(5) 加熱功能:在中間包內(nèi)采用感應加熱和等離子體加熱等措施,可以保持最佳過熱度澆注、補充合金微調(diào)所需的熱量.

通常研究人員主要是通過理論計算和水模擬對中間包的結(jié)構(gòu)進行設計.但中間包鋼水流動實際影響因素較多,對理論計算和水模擬得出的結(jié)論會造成一定影響.因此,不能保證原計算以及模擬的準確性.

隨著計算機計算能力的不斷提高,Fluent輔助工程模擬軟件以其高效率、低成本的優(yōu)勢使數(shù)值模擬在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛的應用.由于Fluent軟件具有計算周期短,模擬結(jié)果精確、三維可視能力高等優(yōu)勢,研究人員可以更加直觀地理解流體的各種流動性質(zhì)和規(guī)律.

本文對南鋼13 t中間包進行了數(shù)值模擬,分析了不同拉速下中間包內(nèi)的流場狀態(tài)及去夾雜能力.

數(shù)值模擬

為縮短模擬計算周期,在保證計算結(jié)果精確度的條件下,采取了以下簡化方法:

(1) 考慮到中間包幾何尺寸的對稱性,采用面對稱模擬方式;

(2) 僅考慮鋼液流動狀態(tài),不考慮渣層流動的影響;

(3) 認為流入的鋼液是連續(xù)不斷的,且流入質(zhì)量恒定;

(4) 忽略出水口及塞棒結(jié)瘤的影響;

(5) 默認模擬周期中塞棒位置不發(fā)生改變.

根據(jù)中間包內(nèi)腔實際尺寸(如圖1所示)采用三維幾何模型.使用Gambit 2.2.30軟件建立幾何模型并劃分網(wǎng)格,采用六面體網(wǎng)格形式.最小網(wǎng)格尺寸位于氣體入口處.計算域中最大網(wǎng)格尺寸為18 mm,網(wǎng)格數(shù)約為1.20X107.

圖1 中間包內(nèi)腔尺寸(單位:mm)

利用Fluent模擬軟件對不同拉速下的中間包流場進行模擬,采用標準k-ε湍流模型、無滑移壁面和標準壁面函數(shù).計算過程中,壓力和速度采用PISO算法耦合,進行穩(wěn)態(tài)計算.壓力采用Body Force Weighted方法進行差分,體積分數(shù)采用Ger-Reconstruct進行差分,其余變量采用一階迎風格式差分[5].

根據(jù)實驗情況給定邊界條件,入口邊界為鋼液質(zhì)量入口,出口邊界為壓力出口.中間包拉速分別為1.6、1.8、2.0 m/s.

結(jié)果分析

不同拉速下的速度云圖,如圖2所示.中間包內(nèi)的拉速為1.6、1.8、2.0 m/s時,熔池平均速度分別為0.043、0.048和0.053 m/s.由此可見熔池平均速度隨拉速的增大而增大.

圖2 不同拉速下中間包內(nèi)熔池速度云圖

如圖3所示,鋼水通過長水口不斷進入中間包,圍墻內(nèi)形成明顯循環(huán)流動,在流動過程中夾雜物部分上浮到渣層,部分由爐襯捕捉.通過圍墻的夾雜物隨包內(nèi)不規(guī)則旋流移動,并持續(xù)被渣層及爐襯捕捉,此過程中少部分夾雜物被鋼流經(jīng)由水口帶出中間包.不同拉速下,不同粒徑夾雜物去除率如表1所示.

圖3 不同拉速下中間包內(nèi)夾雜物流線圖

表1 不同拉速下不同粒徑夾雜物去除率

通過數(shù)值模擬可知:

1) 當拉速為2.0 m/s時,熔池內(nèi)平均速度為0.053 m/s,粒徑分別為10、20、70 μm的夾雜物去除率分別為50.4%、53.2%、55.8%;

2) 當拉速為1.8 m/s時,熔池內(nèi)平均速度為0.048 m/s,粒徑分別為10、20、70 μm的夾雜物去除率分別為52.1%、55.5%、57.4%;

3) 當拉速為1.6 m/s時,熔池內(nèi)平均速度為0.043 m/s,粒徑分別為10、20、70 μm的夾雜物去除率分別為52.3%、55.9%、58.0%.

結(jié)束語

利用Fluent模擬軟件,根據(jù)中間包實際工作情況,在保證結(jié)果精確度的同時,合理簡化模擬條件.可以在短時間內(nèi)得出中間包流場的流動狀態(tài),通過分析總結(jié)流動規(guī)律,為優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)及調(diào)整冶煉工藝提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù).以煉鋼廠13 t四流中間包為研究對象,通過數(shù)值模擬中間包內(nèi)流場流動規(guī)律及對夾雜物去除能力的影響:降低中間包拉速能夠增加夾雜物的去除率.

[1] 殷瑞鈺. 關(guān)于21世紀發(fā)展連續(xù)鑄鋼的若干認識. 連鑄,2001(l): l-3.

[2] 王建軍. 中間包冶金學. 北京:冶金工業(yè)出版社,2001:4.

[3] 朱立光. 現(xiàn)代連鑄工藝與實踐. 石家莊:河北科學技術(shù)出版社,2000:230.

[4] 蔡開科,程士富. 連續(xù)鑄鋼原理與工藝. 北京:冶金工業(yè)出版社,2007: 164.

[5] 李鵬飛,徐敏義,王飛飛,等. 精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn). 北京:人民郵電出版社,2011.