單流中間包底吹氬氣去除夾雜物的數值模擬研究

劉淑培 周艾琳 張捷宇 王 波

(省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

單流中間包底吹氬氣去除夾雜物的數值模擬研究

劉淑培 周艾琳 張捷宇 王 波

(省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

以寶鋼特鋼提供的單流板坯連鑄機的梯形中間包為原型，在中間包結構內部加裝吹氣裝置，運用FLUENT軟件進行了氣- 液兩相流動、熱傳輸和夾雜物去除的數值模擬研究。結果表明，當吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置距離入口1 700 mm時，中間包內鋼水流動狀態得到明顯改善，鋼液流動更加合理，增加了鋼液在中間包內的停留時間，促進夾雜物的上浮去除，夾雜物的總去除率為66.9%。

中間包 夾雜物 氣幕擋墻 數值模擬

在連鑄工藝中，中間包是連接轉運鋼包和連鑄結晶器的一個中間設備，隨著連鑄技術的發展，中間包在鋼水精煉中的地位與作用日益得到重視。通過采取相應的中間包冶金技術，實現了很多重要的冶金功能，如夾雜物的上浮與分離、鋼的冶金化、過熱度控制以及溫度和成分的均勻化等。大量研究表明[1- 3]，通過設置擋墻等控流技術，對于大于50 μm的夾雜物去除有效，但對于微小夾雜物(小于50 μm)的去除效果不明顯。中間包內吹入惰性氣體，在中間包內形成一道道氣幕，改變中間包內的流場，促進鋼液的混合，有利于溫度和成分的均勻，而且產生的氣泡在上升過程中捕獲夾雜物顆粒，帶動夾雜物上浮，提高微小夾雜物去除效果，起到凈化鋼水的作用。另外，惰性氣體上浮后在中間包上部形成惰性氣氛，對中間包內的鋼水有保護作用[4- 5]。

中間包內流體流動狀態和速度分布對流體成分和溫度的均勻性、夾雜物的上浮與排除具有重要的影響[6- 7]，而中間包及其控流裝置的結構決定了中間包內流體的流動狀態與速度分布[8- 9]。因此研究中間包內控流裝置的結構對鋼液的流動狀態與分布的影響，有利于凈化中間包內鋼水，提高鑄坯質量，為生產實際提供理論指導[10]。

本文以特鋼提供的單流板坯連鑄機的梯形中間包為原型，采用Eluer- Eluer模型，研究了不同吹氣量和吹氣位置對中間包內鋼液的流動狀態及不同尺寸夾雜物去除率的影響。

1 模型的建立

1.1 研究對象

以特鋼提供的單流板坯連鑄機的梯形中間包為原型，針對該鋼廠生產過程中存在明顯卷渣，鑄坯中含有較多非金屬夾雜等現象，為了提高鋼水的潔凈度和鑄坯的質量，針對該包型采用了湍流器+擋墻+擋壩結構的控流裝置，即在中間包原型的基礎上，加裝吹氣裝置。

1.2 控制方程

流體在中間包內的流動是一個復雜的湍流流動過程，根據中間包底吹氣的流動特征，采用Euler- Euler多相流模型，描述兩相流體在中間包內流動的方程有連續性方程、動量方程 (Navier- Stokes方程)以及描述湍流的方程，具體形式參見文獻[10]。

采用歐拉- 拉格朗日隨機軌道模型描述夾雜物的運動，以瞬時流場為載體，采用隨機軌道模型對各種可能的運動軌跡進行統計，給出夾雜物的去除效率，采用BBO方程[11]描述夾雜物的運動。

1.3 基本假設和邊界條件

1.3.1 流場邊界條件

在固體墻面上，采用不滑動的邊界條件；在近壁區，采用壁面函數對速度和湍流特性參數進行修正；在自由表面，忽略渣層的影響，除垂直于表面的速度分量外，其余各變量的梯度均為零；經大包長水口的流體，其入流速度垂直于中間包液面；出口定為壓力邊界條件。

根據中間包入口流量與中間包出口流量相等，也與結晶器底部流出的流量相等，從而推算出中間包的入口速度w0，m/s：

(1)

式中:vcast- 鑄坯拉速，m/s；Sw- 中間包出口截面面積，m2；la- 鑄坯斷面寬度，m；lb- 鑄坯斷面高度。

1.3.2 夾雜物去除率邊界條件

夾雜物的初始位置在入口的橫截面上隨機取值，初始速度等于鋼液的入口速度；假設夾雜物顆粒為球形，并且初始時刻在鋼液中均勻分布，密度取3 000 kg/m3。假設夾雜物上浮至液面后被保護渣捕獲。

1.4 模擬方案

以特鋼單流板坯中間包為計算模型，在該中間包現有控流裝置(如圖1所示)基礎上，根據其實際操作工藝參數，在中間包結構內部加裝吹氣裝置，運用FLUENT軟件，采用Euler- Eluer 多相流模型進行氣- 液兩相流的流動、傳熱耦合和夾雜物去除的數值模擬研究。中間包設計參數及模擬工藝條件如表 1所示。

圖1 中間包的結構示意圖

表1 中間包設計參數及模擬工藝條件

Table 1 Designed parameters of tundish and simulated operating parameters

項目參數鑄坯截面尺寸/mm×mm200×1300大包水口直徑/mm105中間包出口直徑/mm65拉速/(m·min-1)0．7示蹤劑在鋼液中的擴散系數/(m2·s-1)1．1×10-8吹氣位置距入口中心距/mm1950、1700、1450吹氣量/(m3·h-1)1．5、0．9、0．3、0

2 計算結果與分析

2.1 無吹氣流場計算結果

首先對原型中間包即無吹氣裝置的中間包進行數值模擬研究，無吹氣條件下(即吹氣量為0 m3/h)中間包中心截面的流場圖如圖2所示。

從圖2可以看出，大包注入的鋼水以較大的速度沖到中間包底部，在中間包壩、堰的作用下，鋼液向上翻，從壩的上部流過，可以消除短路流，導流孔使鋼液根據需要的方向流過孔洞，延長鋼液的停留時間，促進夾雜物的上浮。但是在中間包出口上方，鋼液的速度小，易形成死區。

圖2 無吹氣中間包中心截面的流場圖

2.2 不同吹氣量流場計算結果

在壩堰位置、高度固定，且不改變吹氣位置的情況下，改變氬氣的流量分別為1.5、0.9、0.3 m3/h，研究吹氣量對鋼液流動狀態的影響。

圖3為吹氣位置距入口中心距1 700 mm、不同吹氣量時中間包中心截面的流場圖。由圖可知，當吹氣量較大時，氣幕墻兩側形成的漩渦區比較強烈，在產生氣幕墻的截面上，鋼液向上流動的速度比較大， 在靠近液面處產生的漩渦引起鋼液的翻騰，易引起金屬- 渣界面卷渣現象，嚴重時還會沖開表面保護渣而嚴重污染鋼水。當吹氣量控制在0.3 m3/h左右時，氣幕帶著鋼液向上流動，增加了夾雜物與渣層的接觸機會，且中間包表面沒有大的翻動，有利于夾雜物的去除。

圖3 不同吹氣量時中間包中心截面的流場圖

2.3 不同吹氣位置流場計算結果

在吹氣量一定(0.3 m3/h)的情況下，吹氣位置距入口中心距分別為1 950、1 700、1 450 mm，研究吹氣位置對鋼液流動狀態的影響，結果如圖4所示。

圖4 氣幕擋墻在不同位置時中間包縱向中心垂直截面XZ(Y=0)的流場圖

從圖4中可以看出，鋼液以較大的速度從鋼包沖擊到湍流控制裝置中，高速流動的鋼液在湍流控制器內充分混合，有利于夾雜物的碰撞長大。鋼液與湍流控制器碰撞，產生較大的能量損失，使澆注區鋼液湍動能降低，流動較平穩。鋼液流到液面后沿著液面向四周擴展，碰到擋渣堰后沿著堰的壁面向下流動，并在入口引流的作用下向入口方向流動，在靠近中間包底部堰和注入流之間形成小的回流區，擋渣堰的存在使得較大的湍流流動控制在注入區內，增強鋼液之間的混合，有利于夾雜物的碰撞長大。

當氣幕擋墻靠近出口時，氣幕擋墻右側靠近出口處形成較強的回流區，鋼液在澆注區的速度增加，不利于夾雜物與鋼液的分層脫離；當氣幕擋墻靠近長水口區域(湍流區)時，鋼水從湍流控制器流出后與氣泡作用，在氣泡的攪拌作用下湍流狀況加劇，氣泡團在尚未到達鋼渣界面時又被鋼水卷入流向中間包底部，而在氣幕擋墻的另一側(水口區域),雖形成了一個鋼水回流區，氣泡吸附了部分夾雜物上浮，鋼水在到達頂部后緩慢流向水口部位，但同時有一部分鋼水形成短路流直接流向水口，水口區域也存在較大的死區，不利于鋼水的凈化。

2.4 平均停留時間計算結果

中間包底吹氬氣可以顯著改變流體的運動軌跡，合適的吹氣量和吹氣位置，可以有效減少死區體積，增加平均停留時間[12]，以此為依據選用冶金效果好的方案，可以對鋼廠的中間包進行優化。

圖5及表2為不同吹氣量和不同吹氣位置時中間包內鋼液的RTD(residence time distribution)曲線圖及其分析結果。當吹氣位置距入口1 700 mm，吹氣量為0.3 m3/h時，中間包內鋼液的最短停留時間、峰值時間最長，死區體積最小，活塞流體積最大。吹氣量太大或太小均不利于鋼液停留時間的延長及死區體積的降低，不利于夾雜物的上浮。當吹氣量為0.3 m3/h時，改變吹氣位置可以看出，當氣幕擋墻距入口較近時，鋼液在中間包內的停留時間較長，死區體積較小。但結合圖2可以看出，當氣幕擋墻靠近入口時，從湍流控制器流出的鋼液與氣泡相互作用，使該區域的湍流增強，被氣幕隔墻帶動流向液體表面的流體在尚未到達中間包端部時就開始下降。顯然當吹氣位置距入口1 450 mm時，流場分布不合理，不利于夾雜物的去除，且在中間包出口上部形成渦流，不利于夾雜物與鋼液的分層脫離。

圖5 不同吹氣量和不同吹氣位置時中間包內鋼液的RTD曲線圖

Fig.5 RTD curves of the molten steel in tundish with different gas blowing rates and blowing positions

表2 不同吹氣位置和不同吹氣量時RTD曲線分析

2.5 夾雜物去除率

采用歐拉- 拉格朗日隨機軌道模型描述夾雜物的運動，并借助數學模型研究中間包底吹氬氣條件下不同尺寸夾雜物的去除率。

不同吹氣量和吹氣位置下中間包夾雜物的去除率如表3、表4和圖6所示。由表3可以看出，隨著吹氣量的增大，由于鋼液的攪動，不利于夾雜物的上浮，夾雜物的去除率降低。氣幕擋墻增強了壩堰之間鋼水的流動，吹氣位置對中間包內夾雜物的去除影響較大，由表4可見，氣幕擋墻的吹氣位置距流口太近或太遠，均不利于夾雜物的去除。不同吹氣量和吹氣位置下，100 μm夾雜物的去除率在84%左右，均未達到100%。這可能是由于氣體的攪動在中間包內形成小的渦流，導致夾雜物不能上浮去除。綜合以上分析，當吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置距入口1 700 mm時，可以有效地去除鋼中的夾雜物，夾雜物的總去除率為66.9%。

表3 吹氣位置距入口1700 mm時不同尺寸夾雜物的去除率

表4 吹氣量為0.3 m3/h時不同尺寸夾雜物的去除率

圖6 不同吹氣量和吹氣位置下夾雜物的去除率

3 結論

(1)設置中間包氣幕擋墻可以明顯改善中間包內流體的流動軌跡，當吹氣量為1.5 m3/h時，鋼中的夾雜物數量明顯增加，這是因為吹氣量太大，中間包表面鋼液的湍動能增大，引起鋼液的翻騰，導致上浮夾雜物及覆蓋劑的再次卷入，使鋼水二次污染。

(2)當吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置不同時，中間包內的流動狀態有了明顯的改變，當吹氣位置為1 700 mm時，延長了鋼液在中間包內的平均停留時間，減少了短路流，使其流場更加合理。

(3)從中間包底吹氣的流場來看，氣體對鋼液流的攪動，增加了中間包內小顆粒的碰撞機會，有利于其聚集長大，吹氣位置不同，夾雜物的去除率也不相同，當吹氣量為0.3 m3/h，吹氣位置為1 700 mm時，夾雜物的總去除率最大為66.9%。

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收修改稿日期：2016- 04- 18

Numerical Simulation of Removing Inclusion from Single Tundish with Argon Bubbling

Liu Shupei Zhou Ailin Zhang Jieyu Wang Bo

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Gas blowing device was added according to the structure of continuous casting single- tundish of Testeel. Numerical simulation of gas-liquid flow, heat transport and inclusion removal by using the FLUENT software in the single- tundish was investigated. The results showed that when argon flow rate was 0.3 m3/h and the gas blowing position was 1 700 mm from inlet axis, the flowing state of molten steel in tundish was improved significantly, the flow field was more reasonable, which prolonged the fluid residence time and improved the removal of inclusions. The total removal rate of inclusions was 66.9%.

tundish，inclusions，bubble curtain，numerical simulation

國家自然科學基金(No.51474143)

劉淑培，女，主要從事單流中間包底吹氬氣的數值模擬研究,Email: shupeiliu420@126.com

張捷宇,教授，Email：zjy6162@staff.shu.edu.cn