基于CFD的板坯連鑄機蒸汽排出裝置的設計計算

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二冷噴水冷卻鑄坯所產生的大量水蒸氣排出廠房之外，為連鑄車間提供安全、環保、干凈的工作環境。

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設備及連鑄機周邊的鋼結構會造成嚴重腐蝕，所以蒸排風機合理選型以及蒸排管道的優化設計對整臺連鑄機的良好運行起著至關重要的作用。

1 蒸汽排出系統的設備組成

蒸汽排出裝置主要由出風管道、風機、進風管道、膨脹節、風量調節門、安全網和支吊架組成，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的總氣量為2800 m3／min，二冷密封室內氣體的平均溫度為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，能夠對蒸排系統進行流場模擬，得到蒸排系統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構比較復雜，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壓力損失影響很小的特征，蒸汽密封室抽風口的安全網應用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，蒸汽質量分數42%，空氣質量分數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，同時廠房屋頂的排氣口與外界環境直接相通，所以抽風口和屋頂排風口的氣壓均為環境壓力，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，在flow simulation中可以使用多孔板特征對安全網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（建模為無限薄）的整體模型。多孔板可以應用到已有指定邊界條件（環境壓力或風扇）的平面或彎曲模型面。該多孔板的參數設置如表1所示。

表1 多孔板設置

3.3 蒸汽排出裝置風機的設置

根據初選結果，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仿真結果

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

圖6為蒸汽排出裝置穩態下的流動跡線圖，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

傳統的蒸排管道在每一個抽風口都需要配置一個風量調節門，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連鑄機二冷水蒸氣的分布情況調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節門，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晶器足輥、SEG0產生的蒸汽，還負責SEG1、2、3、4產生的蒸汽。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個扇形段所產生蒸汽的抽排。

圖9 抽風口與扇形段位置圖

根據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生的蒸汽量。表3中可以看到蒸排抽風量和扇形段產氣量比例相近，二冷所產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 抽風量與產氣量比例對照

5 結論

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投入生產一年半時間，成功經受了河北遷安地區冬季最低溫度－22℃的考驗，蒸排裝置運行穩定，蒸汽排出效果干凈徹底，用戶非常滿意。

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