單流板坯連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬

丁寅 郭鵬 卜志勝 吳軍

摘 要：針對(duì)二煉鋼板坯連鑄機(jī)澆鑄DC04和SPHC系列鋼種時(shí)存在中包水口非金屬夾雜物結(jié)瘤頻繁的問(wèn)題，探討通過(guò)優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)提高夾雜物去除率，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)優(yōu)化前后的中間包做了鋼水流場(chǎng)的模擬及夾雜物去除率的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原中間包中存在短路流，優(yōu)化后的中間包改善了鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，縮短了非金屬夾雜物上浮的距離，顯著提高了夾雜物的上浮率，特別是粒徑為100μm的夾雜物，去除率提高了5.23%。

關(guān)鍵詞：中間包；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；非金屬夾雜物；數(shù)值模擬；流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TF777 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）12-0019-03

Abstract： In order to solve the problem of frequent non-metallic inclusion nodule in ladle nozzle when casting DC04 and SPHC series of steel in the second steel-making slab continuous caster， it is discussed how to improve the inclusion removal rate by optimizing the tundish structure. Numerical simulation method was used to simulate the flow field of the tundish before and after optimization and calculate the removal rate of inclusions. The experimental results show that there is a short-circuit flow in the original tundish， and the optimized tundish improves the flow state of molten steel， shortens the floating distance of non-metallic inclusions， and remarkably increases the floating rate of inclusions， especially the inclusions with a particle size of 100 μm， with the removal rate increased by 5.23%.

Keywords： tundish； structural optimization； nonmetallic inclusion； numerical simulation； flow field

鑄坯中高熔點(diǎn)非金屬夾雜物會(huì)破壞鋼的連續(xù)性和致密性，嚴(yán)重影響了鋼材的質(zhì)量，減少鑄坯中夾雜物的方法除了盡量減少外來(lái)夾雜物對(duì)鋼水的污染之外，還有設(shè)法促使存在于鋼水中的夾雜物排出[1]。合理的中間包結(jié)構(gòu)有利于鋼水中非金屬夾雜物的上浮和吸附[2]。國(guó)內(nèi)外許多冶金工作者通過(guò)優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)提高鋼水中非金屬夾雜物的去除取得了良好的效果[3-8]。

本文針對(duì)二煉鋼板坯連鑄機(jī)澆鑄DC04和SPHC系列鋼種時(shí)存在中包水口高熔點(diǎn)非金屬夾雜物結(jié)瘤頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)死停機(jī)，嚴(yán)重影響連鑄機(jī)生產(chǎn)能力和鑄坯質(zhì)量的問(wèn)題，優(yōu)化了中間包結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)優(yōu)化前后的中間包各做了鋼水流場(chǎng)的模擬及夾雜物去除率的計(jì)算，具有指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的價(jià)值。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 基本假設(shè)

中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)是非常復(fù)雜的，為了方便模擬計(jì)算且符合鋼水流動(dòng)的實(shí)際狀態(tài)，本文假設(shè)如下：

（1）鋼液在中間包中的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)不可壓縮的三維牛頓流體的流動(dòng)。

（2）夾雜物顆粒的形狀為球形，通過(guò)液面渣層的吸附而去除，忽略了其被中包壁面的吸附。

1.1.2 控制方程

為了分析中間包中鋼水的流場(chǎng)，計(jì)算不同粒徑夾雜物的上浮率，本文將數(shù)值模擬過(guò)程分為兩步：

第一步：計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。該過(guò)程選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，其常數(shù)值由Launder和Spalding推薦[9]，控制方程有：

連續(xù)性方程：

（1）

動(dòng)量守恒方程：

（2）

湍動(dòng)能方程：

（3）

湍動(dòng)能耗散率方程：

第二步：計(jì)算不同粒徑夾雜物的去除率。在收斂穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，選用離散相模型，假設(shè)球形非金屬夾雜物在中間包內(nèi)的上浮速度遵守Stokes方程，中間包鋼液中夾雜物的傳輸方程如下：

（5）

假設(shè)上浮到頂面的夾雜物全部被渣層吸收，則渣層捕獲夾雜物的公式可表示為：

qjz=Cjzwjz（6）

1.2 邊界條件

（1）中間包入水口：在該處鋼液流的速度方向垂直于自由表面，中間包入口流量、出口流量與結(jié)晶器出口流量相同，即根據(jù)中間包中鋼液的質(zhì)量守恒，由結(jié)晶器出口截面尺寸、拉速和大包水口尺寸計(jì)算得中間包入口速度為1.258m/s。

（2）中間包固體壁面：在該處采用無(wú)滑移邊界條件，用壁面函數(shù)來(lái)處理固體壁面邊界層。

（3）鋼液面：忽略該液面的波動(dòng)，將其視為自由表面，在該面采用滑移邊界條件，并且設(shè)所有變量的法向梯度為零。

（4）中間包出水口：在該處鋼液流的速度方向垂直于自由表面。

1.3幾何模型

原中間包和優(yōu)化中間包的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。

（a）原中間包的主剖視圖

（b）原中間包的俯視圖

（a）優(yōu)化中間包的主剖視圖

（b）優(yōu)化中間包的俯視圖

1.4 數(shù)值求解

本文使用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算，采用SMPLE壓力-速度耦合算法求解離散后的模型非線性方程，動(dòng)量方程選用一階迎風(fēng)格式，設(shè)置收斂條件為小于10-5，中間包數(shù)值模擬的基本物性參數(shù)見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 中間包鋼液流場(chǎng)

原中間包對(duì)稱面流場(chǎng)圖如圖3所示，從圖中可以看出在注流兩側(cè)各形成了一個(gè)環(huán)流，注流左側(cè)是逆時(shí)針的環(huán)流，右側(cè)是順時(shí)針的環(huán)流，鋼水流過(guò)擋墻底部，一部分在擋壩的作用下流向中間包頂部，并在擋壩右側(cè)形成了一個(gè)順時(shí)針的環(huán)流，一部分流經(jīng)擋壩上的水平孔，再沿中間包底面直接流向出口，形成了短路流，這部分鋼水中的夾雜物沒(méi)機(jī)會(huì)上浮，隨鋼液一起進(jìn)入了結(jié)晶器或聚集在中包水口上，嚴(yán)重影響了鑄坯質(zhì)量和連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力。

優(yōu)化中間包對(duì)稱面流場(chǎng)圖如圖4所示，鋼水在擋墻左側(cè)的流動(dòng)軌跡跟原中間包的相似，但鋼水流過(guò)擋墻底部后，流經(jīng)擋壩斜向上孔的鋼水和其他鋼水一起流向了中間包頂部，縮短了夾雜物上浮的距離，并在擋壩右側(cè)形成了一個(gè)順時(shí)針的大環(huán)流，延長(zhǎng)了鋼水在中間包的停留時(shí)間，為夾雜物的上浮提供了更多的機(jī)會(huì)，從而提高了中間包鋼水中非金屬夾雜物的去除率。

2.2 夾雜物去除率

原中間包和優(yōu)化中間包中不同粒徑夾雜物的去除率如圖5所示，優(yōu)化中間包中各粒徑夾雜物的去除率明顯高于原中間包中相同粒徑夾雜物的去除率，特別是粒徑為100μm的夾雜物，優(yōu)化中間包中的去除率要高于原中間包5.23%。這主要是因?yàn)閾鯄紊系目子伤椒较蜃優(yōu)樾毕蛏现螅嗽虚g包底部的短路流，使流經(jīng)擋壩上斜孔的鋼水流向中間包頂部，縮短了夾雜物上浮的距離。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）原中間包中一部分鋼水流經(jīng)擋壩上的水平孔，再沿中間包底面直接流向出口，形成了短路流，這部分鋼水中的夾雜物沒(méi)有機(jī)會(huì)上浮，隨鋼水一起進(jìn)入了結(jié)晶器或聚集在中包水口上。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的中間包改善了鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，一部分鋼水流經(jīng)擋壩斜向上孔后和其他鋼水一起流向了中間包頂部，縮短了夾雜物上浮的距離。

（3）優(yōu)化中間包中各粒徑夾雜物的去除率明顯高于原中間包中相同粒徑夾雜物的去除率，特別是粒徑為100μm的夾雜物，優(yōu)化中間包中的去除率要高于原中間包5.23%。

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