營(yíng)鋼板坯連鑄中間包內(nèi)流體流場(chǎng)的模擬與優(yōu)化

楊福新， 代景鑫， 白學(xué)飛， 李 偉， 張友健， 鄭 偉

（營(yíng)口京華鋼鐵有限公司， 遼寧 營(yíng)口 115000）

連鑄中間包具有均勻鋼液溫度、促進(jìn)夾雜物上浮等功能，中間包內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性與合理性直接影響著連鑄工序的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。由于連鑄內(nèi)部流場(chǎng)情況無(wú)法實(shí)際測(cè)量與觀測(cè)，現(xiàn)階段主要應(yīng)用數(shù)值模擬與水模擬兩種方式對(duì)連鑄中間包內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究。本文以營(yíng)口京華鋼鐵有限公司（全文簡(jiǎn)稱營(yíng)鋼）實(shí)際應(yīng)用的中間包為研究對(duì)象，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)中間包內(nèi)部鋼液流場(chǎng)情況進(jìn)行了模擬與分析。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 基本假設(shè)

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)鋼液在中間包內(nèi)部流動(dòng)的過程進(jìn)行合理假設(shè)[1]，忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的因素以減小計(jì)算成本與計(jì)算誤差，本文針對(duì)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)過程提出假設(shè)條件如下：

1）中間包液面為自由表面，不考慮中間包覆蓋渣和液面波動(dòng)的影響。

2）中間包內(nèi)流體流動(dòng)為三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，忽略中間包溫度場(chǎng)對(duì)鋼液流動(dòng)的影響。

3）夾雜物的體積分?jǐn)?shù)很小，忽略其對(duì)流場(chǎng)的影響。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

連續(xù)性方程[2]：

動(dòng)量方程：k-ε 雙方程模型：

k方程：

ε 方程：

式中：

2 模擬與優(yōu)化

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

本文應(yīng)用Solidworks、ICEM 軟件，以營(yíng)鋼四號(hào)板坯連鑄機(jī)為研究對(duì)象，建立了1∶1 幾何模型，劃分了運(yùn)算網(wǎng)格。由于連鑄機(jī)中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故選取六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分。由于入水口附近與出水口附近鋼液流速較大，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)鋼液進(jìn)水口與出水口附近區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了合理加密。

2.2 邊界條件與基本參數(shù)

根據(jù)營(yíng)鋼實(shí)際情況與相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)定中間包流場(chǎng)模擬的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 中間包流場(chǎng)模擬邊界條件與基本參數(shù)

2.3 流場(chǎng)模擬

應(yīng)用fluent 軟件對(duì)建立的中間包內(nèi)部流場(chǎng)模型進(jìn)行求解計(jì)算，經(jīng)計(jì)算得出的流場(chǎng)矢量分布圖如下頁(yè)圖1 所示。分析圖1 可得，鋼液在流過擋渣壩后出現(xiàn)分流。其中一股鋼液形成回流延長(zhǎng)鋼液在中間包內(nèi)部行走時(shí)間，促進(jìn)成分混勻與夾雜物上浮。另一股鋼液直接流入出水口，弱化了中間包應(yīng)有的混勻鋼液溫度，促進(jìn)夾雜物上浮等冶煉功能。因此應(yīng)對(duì)中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得更加合理穩(wěn)定的流場(chǎng)。

圖1 優(yōu)化前中間包流場(chǎng)矢量圖

2.4 流場(chǎng)優(yōu)化

作者基于上述分析對(duì)中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，模擬實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)縮短擋渣墻與擋渣壩的距離，可優(yōu)化中間包內(nèi)部流場(chǎng)分布，模擬流場(chǎng)矢量圖如圖2 所示。由圖2 可得縮短擋渣墻與擋渣壩距離后，流體經(jīng)過擋渣壩后上升流動(dòng)明顯，在擋渣壩后大片區(qū)域內(nèi)形成回流，明顯增加了鋼液在中間包內(nèi)的混勻時(shí)間。優(yōu)化后中間包內(nèi)鋼液流場(chǎng)分布更為合理，鋼液混勻及夾雜物上浮時(shí)間更加充分。

圖2 優(yōu)化后中間包流場(chǎng)矢量圖

3 結(jié)論

1）建立了中間包傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型并求解，對(duì)中間包內(nèi)的流場(chǎng)分布情況進(jìn)行了可視化數(shù)值模擬。

2）根據(jù)中間包內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了合理的中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。