陶偉平，田海鋒，黃家文，李小賢，湯海群

（黃山杰爾馬熱交換系統(tǒng)有限公司，安徽 黃山 245500）

中間包對穩(wěn)定煉鋼工藝、提高鋼錠毛坯質(zhì)量具有重要作用。一般在中間包中設(shè)置不同形狀的分流器和穩(wěn)定器，如水壩、堰等，改變內(nèi)部流動方式，延長鋼液在中間包內(nèi)的停留時間，使雜質(zhì)浮起并徹底分離。堤壩的形狀和分布直接影響著除渣效果。針對某鋼廠現(xiàn)有的雙中間包，提出了一種新的分流方法，通過仿真和分析比較了兩種流體在不同結(jié)構(gòu)中間包中的除雜質(zhì)效果，其結(jié)果將證明水平旋轉(zhuǎn)分流結(jié)構(gòu)除雜質(zhì)效果的優(yōu)先性。

1 原中間包模型

煉鋼廠中間包結(jié)構(gòu)如圖1所示，x軸為中間包寬度方向，y軸為長度方向，z軸為中間包高度方向。澆注區(qū)與澆注區(qū)之間分別設(shè)置擋土墻和擋土壩。以Fluent 為基礎(chǔ)，根據(jù)煉鋼廠的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算出入口邊界條件。

圖1 原中間包模型圖

通過對原中間包結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬得出仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中選取了一些圖片，如圖2所示。

圖2 左側(cè)中間包截面速度輪廓和軌跡(x=0 m)

由圖2（a）可知，鋼水穿過擋土墻后遇到擋壩的阻擋，以一定角度直沖到渣層。向左側(cè)流動時，鋼水會轉(zhuǎn)向澆口。同時在中間包中形成兩個明顯的軌跡，分別為軌跡1和軌跡2。這兩條流動軌跡代表了大部分新鮮的鋼水。由于其路徑呈回字形，流動距離比直線距離長。但是，鋼水在中間包中的駐留時間是不可預(yù)測的（存在往復(fù)循環(huán)）。在理論計算中，鋼液停留在流道中的時間包含在停留時間內(nèi)。流道越大，鋼液在其中停留的時間就越長。然而，這種時間上的延長只能影響一部分鋼液。循環(huán)比（新鮮鋼液在流道鋼液總量中所占比例）越大，中間包液鋼駐留時間越長。然而，循環(huán)比越低，相當(dāng)于中間包中占據(jù)大量流動截面的死區(qū)，實際上減少了鋼液的有效流動截面。與圖2流動軌跡相似，有效流動截面的減小意味著中間包內(nèi)鋼液停留時間減少。另外，直接流向頂部的鋼液，會對頂部雜質(zhì)層造成沖擊。沖擊會在一定程度上阻礙對懸浮雜質(zhì)的吸收，甚至?xí)逛撘罕砻娴碾s志再次進入鋼液中[1]。

圖3為中間包左澆注口區(qū)域垂直截面上的速度矢量。在流動方向上，兩個漩渦就像兩個嚙合的齒輪一樣運動著，兩個漩渦疊加在澆注口這一點。渦流有向上帶雜質(zhì)的趨勢，也有向下帶雜質(zhì)的趨勢。澆注口渦流產(chǎn)生的負壓吸力，易造成中間包頂部的雜質(zhì)再次被吸入結(jié)晶器。因此，中間包中渦流越多，對凈化能力的限制越大。實際上，巨大渦流的存在相當(dāng)于占據(jù)了通道的有效截面。鋼液流動距離雖有延長，但通道面積減小，停留時間并未得到延長。

圖3 x=0 m段下注口區(qū)速度矢量

2 雙中間包的側(cè)向分流結(jié)構(gòu)

針對原始模型的不足，提出了中間包的側(cè)向分布模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)中間包的原始尺寸，拆除擋水壩，并將隔墻向兩端移動305 m。每一側(cè)擋土墻保持墻壁的底部開口，其大小是80 mm×60 mm，這些開口是逆時針方向的，因為在當(dāng)前位置（北半球），重力勢渦的旋轉(zhuǎn)方向是順時針的。其余部分結(jié)構(gòu)和計算條件不變，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 側(cè)向分布的中間包模型結(jié)構(gòu)

圖5為新型模型x=0.4 m截面上的顆粒軌跡，其中鋼液從緩沖區(qū)通過中間包一側(cè)的開口流向中間包左側(cè)。流體以一定的角度向上流動至頂部，然后沿中間包左側(cè)圓周流動。最后，鋼液向下流動到澆注口。在這種情況下，中間包形成一個水平的旋轉(zhuǎn)平面，不僅延長了流動距離，而且減少了流體的垂直翻轉(zhuǎn)。垂直旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)只能引起湍流和波動，增強了雜質(zhì)在液體中的擴散，不利于凈化[2]。然而，水平旋轉(zhuǎn)的流動會延長流動距離，同時也能矯正流動。微小的渦流可以組合成大的渦流，減少垂直方向上的翻轉(zhuǎn)。流體整體向下旋轉(zhuǎn)，下落速度較慢，為雜質(zhì)上浮提供了足夠的時間和空間。一旦上表面為自由表面，則組合漩渦內(nèi)外的速度和靜壓分布如圖6所示。鋼液水平旋渦與垂直旋渦組合具有相似的特征，但并不完全相同[3]。

圖5 x=0.4 m截面(左側(cè))流體顆粒軌跡

圖6 自由表面下的速度與壓力分布

熔融鋼液的上表面被浮渣覆蓋，相當(dāng)于被封閉。因此，壓力分布將發(fā)生變化，如圖7所示。壓力的核心區(qū)將由自由上表面的正壓力變?yōu)槊荛]表面的負壓。因此，在渦流的核心區(qū)域和渦流區(qū)域?qū)⑿纬上鄬^大的壓力差。此外，顆粒指向旋轉(zhuǎn)軸的力方向與壓力差的方向相反。此外，直徑為dp的球形顆粒在流體中加速時會引起周圍流體的加速度。驅(qū)動粒子加速度的力稱為附加質(zhì)量力。當(dāng)粒子驅(qū)動流體的加速度時，流體將以等量的力作用于粒子。一旦粒子和流體一起旋轉(zhuǎn)，所增加的質(zhì)量力就是圓周運動的向心力。因此，在水平旋轉(zhuǎn)流中，密度高的顆粒有向外移動和向下移動的趨勢，而密度低的顆粒則有向上移動和向中心移動的趨勢[4]。

圖8為中間包左側(cè)z=0.8 m截面上流體的顆粒矢量圖?？梢姡叫D(zhuǎn)的中心位于滯留區(qū)右側(cè)。渦流核心區(qū)的流動速度接近于零，相對于鋼液中雜質(zhì)的流動速度也為零，有利于雜質(zhì)上浮[5]，低密度雜質(zhì)在水平旋轉(zhuǎn)流中向上和向中心移動的趨勢，這種類型的流動是最適合凈化的方法。

圖7 密閉表面下的速度和壓力分布

圖8 中間包左側(cè)z=0.8 m截面速

圖8～圖11 分別為0.8、0.6、0.4、0.2 m 高度截面的速度矢量圖，最低截面靠近澆注口（z=0.2 m）。根據(jù)速度分布和流動方向，鋼液在中間包的整個空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)。截面越接近中間包的底部，流體流動越慢。慢的速度分布有利于雜質(zhì)的上浮。低密度雜質(zhì)的浮力與顆粒的直徑成正比。液體流動越快，對顆粒的相對附著力越大，其承載能力也隨之增大。反之亦然，在低速區(qū)，顆粒更有可能與鋼液分離。如圖所示，在一個截面中，靠近澆注區(qū)域的周邊流體流動速度快于內(nèi)部流體流動速度。渦流核心區(qū)流速最低，適用于雜質(zhì)聚集。因此，它不會受到來流的影響，從而促進雜質(zhì)的聚集和上浮。

圖9 中間包左側(cè)z=0.6 m截面

模型中，擋墻兩側(cè)開口為逆時針方向，使中間包熔池中的液體逆時針旋轉(zhuǎn)。勢渦受地球自轉(zhuǎn)的影響，在南半球和北半球分別逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)。為了抵消勢渦的巨大吸力，將流體旋轉(zhuǎn)方向與勢渦相反，可以顯著減小勢渦引起的壓力梯度和澆注口周邊附件的壓力梯度。因此，中間包內(nèi)工質(zhì)逆時針旋轉(zhuǎn)回降低澆注口周邊的壓力梯度，進而可以減小澆注口的吸力，為雜質(zhì)上浮提供了有利條件。

圖10 中間包左側(cè)z=0.4 m截面上的速度矢量

圖11 中間包左側(cè)z=0.2 m截面上的速度矢量

3 結(jié) 論

通過對兩種中間包結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的對比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在原有的擋墻、擋壩結(jié)構(gòu)中，流體往復(fù)垂直旋轉(zhuǎn)，不利于雜質(zhì)上浮，還會對液體表面的雜質(zhì)層產(chǎn)生沖擊。雜質(zhì)層的穩(wěn)定性不能得到保證。通過擋壩和擋土墻，延長鋼液的流動距離。然而，由于流道占據(jù)了有效流動空間，實際流動截面會減小。因此，鋼水停留時間的延長是相當(dāng)有限的。

（2）側(cè)向分流的中間包結(jié)構(gòu)將垂直翻轉(zhuǎn)變?yōu)樗叫D(zhuǎn)，降低了熔池內(nèi)的湍流強度，降低了鋼水?dāng)y帶雜質(zhì)的可能性。水平旋轉(zhuǎn)的分離效果有利于雜質(zhì)的分離、聚集和上浮。同時，水平旋轉(zhuǎn)為雜質(zhì)層的穩(wěn)定性和有效性提供了最有利的條件。

（3）使側(cè)向分流和水平旋轉(zhuǎn)流動與局部勢渦方向相反，降低科氏力，使勢渦的吃水變?nèi)?，從而降低澆注口對雜質(zhì)的吸力。因此，水平旋轉(zhuǎn)對鋼液的凈化有很大的幫助。