翁 承，劉彩玲，曾 晶

（中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032）

0 前言

在連鑄機的主機區(qū)設備中，蒸汽排出裝置是重要的輔助設備，其主要功能是將主機區(qū)二冷噴水冷卻鑄坯所產(chǎn)生的大量水蒸氣排出廠房之外，為連鑄車間提供安全、環(huán)保、干凈的工作環(huán)境。

若蒸汽排出裝置設計不合理，蒸汽排出效果不好，二冷蒸汽將透過結(jié)晶器蓋周邊的空隙擴散到澆鋼平臺，影響澆鋼工視線，威脅澆鋼操作安全；同時二冷蒸汽對主機區(qū)設備及連鑄機周邊的鋼結(jié)構(gòu)會造成嚴重腐蝕，所以蒸排風機合理選型以及蒸排管道的優(yōu)化設計對整臺連鑄機的良好運行起著至關(guān)重要的作用。

1 蒸汽排出系統(tǒng)的設備組成

蒸汽排出裝置主要由出風管道、風機、進風管道、膨脹節(jié)、風量調(diào)節(jié)門、安全網(wǎng)和支吊架組成，如圖1所示。

圖1 蒸汽排出裝置的設備組成

2 蒸排風機的選型

由工藝設計人員提供的連鑄機最大的水氣用量，通過計算可以得到二冷密封室內(nèi)的總氣量為2800 m3／min，二冷密封室內(nèi)氣體的平均溫度為66.1℃，混合氣體的比重為0.844 kg／m3，故選擇風機型號為4－79－16.5D，驅(qū)動電機功率為220 kW。

3 蒸排裝置的CFD仿真設置

本文首先對蒸汽排出裝置在SolidWorks中進行建模，之后導入flow simulation中進行分析。Solid-Works flow simulation是一款計算流體力學（CFD）軟件，能夠?qū)φ襞畔到y(tǒng)進行流場模擬，得到蒸排系統(tǒng)的壓力損失及各個抽風口的流量分配情況。

在建模過程中，由于蒸汽排出裝置的風機和管道結(jié)構(gòu)比較復雜，為了更好的進行有限元分析，為此針對蒸汽排出裝置的工作特點，對蒸排風機及管道進行了合理的簡化，例如風機只對與蒸排流體分析相關(guān)的進風口和出風口進行了建模，管道的建模則去掉了法蘭連接以及人孔和排水孔等對管網(wǎng)壓力損失影響很小的特征，蒸汽密封室抽風口的安全網(wǎng)應用flow simulation的多孔板特征進行模擬等。簡化之后的模型如圖2所示。

圖2 蒸汽排出裝置的簡化模型

3.1 Flow Simulation的常規(guī)設置

在flow simulation中可以對分析求解的項目進行設置：流體設置為空氣和蒸汽的混合流體，蒸汽質(zhì)量分數(shù)42%，空氣質(zhì)量分數(shù)58%；壁面條件選擇為絕熱壁面，粗糙度150μm；初始條件設置為溫度66.1℃，氣壓為標準大氣壓P＝1.01×105Pa，湍流強度2%，湍流長度0.15 m。

3.2 Flow Simulation的邊界條件設置

因為連鑄機的密封室不能做到完全密閉，同時廠房屋頂?shù)呐艢饪谂c外界環(huán)境直接相通，所以抽風口和屋頂排風口的氣壓均為環(huán)境壓力，即標準大氣壓P＝1.01×105Pa。抽風口布置如圖3所示。

圖3 抽風口布置圖

為了保護人身和風機的安全，蒸汽密封室的抽風口應設計安全網(wǎng)，在flow simulation中可以使用多孔板特征對安全網(wǎng)的蒸汽排出阻力進行模擬計算。多孔板是安裝在入口或出口模型開口或風扇處的帶有多個孔的薄板（建模為無限?。┑恼w模型。多孔板可以應用到已有指定邊界條件（環(huán)境壓力或風扇）的平面或彎曲模型面。該多孔板的參數(shù)設置如表1所示。

表1 多孔板設置

3.3 蒸汽排出裝置風機的設置

根據(jù)初選結(jié)果，風機型號為4－79－16.5D，其性能曲線如圖4所示。

圖4 4－79－16.5D風機的性能曲線

選擇風機的類型為內(nèi)部風扇，指定風機的進風口和出風口，如圖5所示。

圖5 風機的進風口和出風口

4 蒸排裝置的CFD仿真結(jié)果

Flow simulation設置完成后，經(jīng)過計算，就可以得到得到蒸排系統(tǒng)的壓力損失及各個抽風口的流量分配情況，見表2。

圖6為蒸汽排出裝置穩(wěn)態(tài)下的流動跡線圖，風機總風量60.7 m3／s，由圖7和圖8可以得到風機進風口靜壓為101 803.8 Pa，風機出風口靜壓為99 964.6 Pa，靜壓差為1 839.2 Pa，風機進出口處動壓為491.6 Pa，風機全壓為2 330.8 Pa。

圖6 蒸汽排出裝置的流動跡線

表2 抽風口的流量分配

圖7 進風管道風壓圖

圖8 出風管道風壓圖

傳統(tǒng)的蒸排管道在每一個抽風口都需要配置一個風量調(diào)節(jié)門，用來平衡各個抽風口的風量。本文應用CFD仿真的方法能夠在設計時根據(jù)連鑄機二冷水蒸氣的分布情況調(diào)整各個抽風口的風量，這樣設計出來的蒸排管道就不需要安裝風量調(diào)節(jié)門，降低了管道阻力的同時減少了設備投資。

河北遷安某鋼廠的蒸排抽風口設置如圖9所示。抽風口1、2、3設置在SEG0（彎曲段）附近，因為SEG1、2、3、4所產(chǎn)生的蒸汽會沿著隧道式密封向上移動，所以這三個抽風口不但負責抽排結(jié)晶器足輥、SEG0產(chǎn)生的蒸汽，還負責SEG1、2、3、4產(chǎn)生的蒸汽。抽風口4、5設置在SEG5、6、7、8附近，負責這4個扇形段所產(chǎn)生蒸汽的抽排。抽風口6、7設置在 SEG9、10、11、12、13附近，負責這5個扇形段所產(chǎn)生蒸汽的抽排。

圖9 抽風口與扇形段位置圖

根據(jù)工藝人員提供的連鑄機二冷水表，可以得到連鑄機的二冷水量的分布，進一步得到每個扇形段產(chǎn)生的蒸汽量。表3中可以看到蒸排抽風量和扇形段產(chǎn)氣量比例相近，二冷所產(chǎn)生的水蒸氣能被最近的抽風口排走，蒸汽排出裝置的風口布置和管道設計是合理的。

表3 抽風量與產(chǎn)氣量比例對照

5 結(jié)論

本文討論了連鑄機蒸汽排出裝置的風機的選型，并應用流體分析軟件對蒸排管道進行了流動分析，得到了蒸排管道的壓力損失及抽風口的流量分布，驗證了蒸汽排出裝置風機的選型和管道設計的合理性。

河北遷安某鋼廠連鑄機蒸汽排出裝置已經(jīng)投入生產(chǎn)一年半時間，成功經(jīng)受了河北遷安地區(qū)冬季最低溫度－22℃的考驗，蒸排裝置運行穩(wěn)定，蒸汽排出效果干凈徹底，用戶非常滿意。

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