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文檔簡介
1、基金項目:上海市科委科技攻關重點項目資助(No.065212079)1連鑄離心中間包內(nèi)鋼液流動行為的數(shù)值模擬連鑄離心中間包內(nèi)鋼液流動行為的數(shù)值模擬王赟鐘云波王保軍任忠鳴雷作勝任維麗(上海大學上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點實驗室上海200072)摘要:采用數(shù)值模擬的手段考察了離心中間包內(nèi)的鋼液流動特性,分析了壩在不同位置時的流場,并對實際生產(chǎn)過程中壩上開孔情況下的鋼液流場進行了研究。研究結果表明:旋轉室的切向出流導致了分配室內(nèi)偏流的形成。當
2、壩離旋轉室出口較近時,在由偏流股所引起的流場非對稱性的影響下,分配室內(nèi)形成了較大的水平環(huán)流。環(huán)流的形成有利于鋼液的充分混合,且增大了夾雜物上浮去除的幾率。隨著壩距的增加,環(huán)流特征消失,鋼液流動狀況變差。另外,基于分配室內(nèi)的偏流特征,將壩上的開孔位置設在遠離偏流一側時的鋼液流場最為理想,所得結果可為實際應用提供參考。關鍵詞:離心中間包;流動特性;數(shù)值模擬NumericalSimulationofSteelFlowBehaviinCentr
3、ifugalFlowTundishfContinuousCastingWANGYunZHONGYunboRENZhongmingWANGBaojunLEIZuoshengRENWeiLi(ShanghaiKeyLabatyofModernMetallurgyflowbehavinumericalsimulation1前言隨著連鑄技術的不斷發(fā)展,對鋼的潔凈度的要求不斷提高,而中間包作為鋼液凝固之前所經(jīng)過的最后一個耐火材料容器,對鋼的質量有
4、著重要的影響。因此,如何優(yōu)化中間包結構,獲得最佳的流場和更長的平均停留時間,提高夾雜物的去除效率,成為中間包冶金的重要內(nèi)容之一。目前中間包中提高夾雜物去除效率的主要方法有擴容、結構優(yōu)化設計、底部吹氬、氬氣保護、等離子體加熱等。但是這些方法對于夾雜物(特別是小型夾雜)的去除效果仍然有限。因此隨著用戶對高品質、低價格鋼材需求的增加,迫切需要開發(fā)更高效的夾雜物分離技術。近年來,日本川崎鋼鐵公司(現(xiàn)為JFE鋼鐵公司)成功開發(fā)了離心流動中間包[1
5、3]技術,在線應用取得較好的效果,達到了高拉速、高清潔度的目的。目前該技術在日本仍被用于部分精品鋼的生產(chǎn)。其分離夾雜的機理為:利用旋轉磁場在圓筒狀中間包內(nèi)產(chǎn)生的電磁離心力使輕相的非金屬夾雜物向旋轉中心區(qū)集中,并在集中過程中上??;由旋轉攪拌所產(chǎn)生的強湍流促進了夾雜物的碰撞和聚合而大型化;旋流抑制了短路流的發(fā)生,延長了鋼液的停留時間,從而更好的確保了夾雜物的上浮去除。這種技術由于具有無需與鋼液接觸、夾雜物開路排放、夾雜物去除效率高等特點而成
6、為鋼液夾雜去除的一種頗具潛力的方法。該技術一出現(xiàn)即得到冶金工作者的廣泛重視。但是由于技術保密等原因,這一技術在國內(nèi)尚未得到推廣和應用。因此積極研究和開發(fā)該項技術具有十分重要的意義。目前關于離心中間包技術的研究報道相對較少。Miki等曾對旋轉室內(nèi)的鋼液流動和夾雜物軌跡進行了數(shù)值模擬研究,但是他們沒有考慮旋轉室出流對分配室內(nèi)流場的影響。李寶寬等[45]曾進行了采用大包彎水口以提高離心室旋流強度的數(shù)值模擬研究,其研究著重于如何提高旋轉腔內(nèi)鋼液
7、的旋流強度,而對于分配室內(nèi)的流場特征卻未見詳細的探討分析。因此,為了深入了解包括分配室在內(nèi)的離心中間包整體流場特性,本文針對在某鋼廠已改造成功的離心中間包結構和操作工藝參數(shù),采用CFX商業(yè)軟件對離心中間包內(nèi)的流3面上,速度、壓力采用無滑移邊界條件,在近壁區(qū),采用壁面函數(shù)確定速度和湍流特性參數(shù)。出口處,速度分量和除壓力外的其它標量的梯度均設為0。3.4數(shù)值求解本研究采用ANSYSCFX軟件進行所有控制方程的離散、求解,電磁力包含在動量方程
8、體積力源項中。為保證迭代收斂和較高的求解精度,采用六面體結構化網(wǎng)格進行整個計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)目大約60萬。計算的收斂標準是各變量的計算殘差均在1105以下。4計算結果及討論4.1壩的位置對流場的影響在相同的磁感應強度(B0=0.07T)下研究了擋壩的位置對流場的影響。為了方便敘述,將壩與旋轉室出口之間的距離定義為壩距L。圖2為壩距L=0.4m時中間包不同高度截面內(nèi)的流場分布。從圖中可以看出,在離心力作用下,旋轉室內(nèi)的鋼液產(chǎn)生了水
9、平旋轉運動,旋流的產(chǎn)生促進了夾雜物的聚集及碰撞聚合。在旋轉室出口處,由于慣性力的作用,鋼液以切向方向沿著連接通道的后部壁面流入分配室。由于切向出流股進入分配室后偏向一側,因而將其稱之為偏流(如圖2(a)所示)。偏流造成了壩前方鋼液流動的非對稱性,即靠近前側包壁區(qū)域的鋼液流動較強,而靠近后側包壁區(qū)域的鋼液流動則相對較弱。這種流動非對稱性因素對分配室內(nèi)的流場結構有著重要的影響。(a)通過旋轉室出口;(b)中間包高度一半;(c)靠近自由液面圖
10、2離心中間包不同橫截面內(nèi)的流場分布Fig.2Predictedvelocityfieldinthetundishatdifferentcrosssections圖3(a)為該壩距下中間包內(nèi)的三維流線分布。從圖中可以看出,偏流股碰撞壩壁之后,在壩前方將產(chǎn)生沿著壩壁向上并朝著分配室左側包壁翻卷的回流股。由于此時的壩距相對較小,所以左側包壁對回流股有較強的限制作用?;亓鞴膳龅阶髠劝诤螅谧髠缺谇岸朔磸?。從圖2(b)中靠近液面的橫截面流場分布
11、可更為清楚地看到,反彈流股向著后側包壁流動,而后在各方包壁的約束作用下形成了較大的水平環(huán)流。由于慣性力的作用,環(huán)流層層推進,一直延續(xù)到中間包底,如三維流線分布所示。從環(huán)流的流速分布看,其速度較低,不會出現(xiàn)卷渣的情況。在常規(guī)中間包內(nèi),壩后方的鋼液流動緩慢,最容易形成死區(qū)。而上述環(huán)流的形成使得分配室內(nèi)的鋼液存在橫向截面內(nèi)的混合,在壩后的死區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了一定程度的鋼液流動,從而減小了死區(qū)體積,鋼水混合更為均勻。另外,這種環(huán)流流動方式延長了鋼液的停
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