朱正海，徐其言，周 俐，常立忠，仇圣桃,2

(1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國家工程研究中心，北京100081)

隨著國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能的過剩，市場競爭愈加激烈，鋼鐵企業(yè)不斷加大投入研發(fā)高附加值產(chǎn)品，如純凈鋼，以提升產(chǎn)品的競爭力[1-2]。連鑄中間包是鋼水凝固前的最后一個(gè)容器，在現(xiàn)代煉鋼過程中起著非常關(guān)鍵的作用，研究表明，連鑄坯中大型夾雜物來源于中間包[3]。因此，純凈鋼的生產(chǎn)要求連鑄中間包能夠有效去除大型夾雜，避免其進(jìn)入結(jié)晶器中。由于中間包內(nèi)的鋼水溫度較高，難以直接進(jìn)行研究。為獲得大量有用的信息，指導(dǎo)中間包設(shè)計(jì)和實(shí)際操作，強(qiáng)化中間包的冶金功能，目前，對(duì)中間包內(nèi)鋼水特性通常采用物理模擬或數(shù)值模擬的方法間接進(jìn)行研究，如：樂可襄等[4]采用物理模擬研究了板坯中間包的控流裝置；岳強(qiáng)等[5]采用數(shù)值模擬研究了板坯中間包內(nèi)鋼液的流場和濃度場。以上文獻(xiàn)表明，數(shù)學(xué)模擬方法通過建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型能夠更加系統(tǒng)全面地對(duì)鋼水的流場、溫度場及夾雜物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

筆者以某廠CSP中間包為研究對(duì)象，在水模實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[6]，基于CFX計(jì)算平臺(tái)，建立中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)模型、傳熱模型和夾雜物傳輸模型，研究中間包內(nèi)鋼水溫度分布狀態(tài)、鋼液流動(dòng)形式、停留時(shí)間分布和夾雜物傳輸行為，分析并比較不同中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為現(xiàn)場中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

根據(jù)CSP中間包尺寸，按一定比例建立三維中間包內(nèi)腔的幾何模型，取計(jì)算區(qū)域?yàn)橹虚g

包入口、出口及包底到液面的區(qū)域，即鋼液存在的區(qū)域。由于計(jì)算區(qū)域的對(duì)稱性，幾何造體及網(wǎng)格劃分時(shí)采用中間包內(nèi)腔的1/2。為了提高模型的準(zhǔn)確性，采用四面體網(wǎng)格，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行加密，各方案的網(wǎng)格總數(shù)控制在8萬左右。

文中數(shù)值模擬的研究對(duì)象為前期水模擬研究[6]獲得的5個(gè)幾何模型，分別對(duì)應(yīng)表1中的為第2，5，16，17，18號(hào)方案，5種方案的幾何模型尺寸如表1。其中方案2，5，16為水模擬研究得到的優(yōu)化方案，方案17為中間包現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，方案18為無控流裝置的方案。中間包幾何模型的位置如圖1。圖中：L1為長水口中心線與擋墻的距離；L2為擋墻與左擋壩的距離；L3右擋壩與浸入式水口中心線的距離；H1為左擋壩的高度；H2為右擋壩的高度。

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬研究使用了流動(dòng)模型、傳熱模型和夾雜物傳輸模型，其中流動(dòng)模型包括連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程以及K-ε雙方程模型[7-8]。

表1 不同方案下的模型尺寸(mm)Tab.1 Size of mathematical model under different scheme(mm)

圖1 中間包模型的位置說明Fig.1 Position description of tundish model

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流場

2.1.1 流動(dòng)分析 圖2為5種方案的中間包鋼水速度矢量分布。圖2(a)中，在空包內(nèi)注入的鋼水首先達(dá)到中間包底部，然后沿包底向四周散開，其中：部分鋼水到達(dá)中間包的前后壁后，再沿著包壁流動(dòng)，流向中間包水口，最后再受注入流的卷吸作用順著注入流的方向流動(dòng)，在注入流兩側(cè)同時(shí)形成回流；另有部分鋼水到達(dá)側(cè)壁后沿壁向上，在注入流卷吸作用下形成了一個(gè)回流區(qū)；但是，很大一部分鋼水是直接沿底部流向中間包水口，很快便離開了中間包。三處回流區(qū)易將部分中間包保護(hù)渣卷入鋼液，嚴(yán)重影響鑄坯的質(zhì)量。圖2(b)～(e)表明，安裝墻壩裝置后，中包流場明顯改善。但是墻壩所處位置直接影響鋼液的流動(dòng)，導(dǎo)致去除夾雜物的能力各不相同。

圖2 5種方案的速度矢量圖Fig.2 Velocity vector diagram of five schemes

在方案17即中間包原內(nèi)型結(jié)構(gòu)中，鋼液在注流區(qū)附近1對(duì)擋墻和擋壩的作用下，從中間包的底部流向中間包的表面，再沿表面流向中間包的另一端，在中間包另一端包壁和另一個(gè)擋壩的作用下，一部分鋼液從出口流走，還有一部分鋼液回流到中間包中部，形成了旋渦。這樣的流動(dòng)軌跡使鋼液在中間包中的停留時(shí)間延長，夾雜物上浮條件被改善。但是還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

在方案2的中間包模型中，由于注流區(qū)附近的擋墻和擋壩距離較近，使鋼液在這里急劇地改變方向，向上運(yùn)動(dòng)的角度非常大，擋墻右側(cè)的死區(qū)非常小，鋼液上升到液面后，沿液面運(yùn)動(dòng)，在中間包另一端包壁和所有墻壩的作用下，形成了1個(gè)較大的旋渦。與方案17相比，最方案2中顯著的是鋼液向液面流動(dòng)的趨勢(shì)更強(qiáng)，到達(dá)液面的速度更快，鋼液在液面的停留時(shí)間更長，能使夾雜物上浮的條件更好。

在方案16的中間包模型中，相對(duì)方案17，由于注流區(qū)附近的擋墻和擋壩距離較遠(yuǎn)，致使鋼液從包底上升到液面的角度較為平緩，鋼液上升的速度相應(yīng)較慢，鋼液對(duì)液面的沖擊相對(duì)較小，鋼液卷渣的可能性被降低。在中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的作用下，由于鋼液在液面運(yùn)動(dòng)的速度較慢，中間包中部形成的旋渦范圍也較小。

在方案5的中間包模型中，相對(duì)方案17，由于擋墻和擋壩的位置左移了一段距離，鋼液運(yùn)動(dòng)劇烈的注流區(qū)空間減小，相應(yīng)的擋墻右側(cè)鋼液運(yùn)動(dòng)較緩的區(qū)域增大。由于注流區(qū)附近的擋墻和擋壩之間的距離相對(duì)于方案2較寬，相對(duì)于方案16又較窄，而且在擋壩的高度上也有調(diào)整，所以注入的鋼液在受到擋墻和擋壩的作用后，從包底向液面流動(dòng)時(shí)，其方向改變的角度和向上流動(dòng)的速度在方案2和方案16之間，鋼液上升到液面時(shí)，鋼液對(duì)液面的沖擊也較小，最后鋼液在中間包中部形成的旋渦區(qū)域大小也在方案2和方案16形成的旋渦大小之間。

2.1.2 混合特性分析 在流體流動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)之上，通過進(jìn)一步的數(shù)學(xué)模擬獲得5種方案下示蹤劑停留時(shí)間分布，結(jié)果如圖3。

圖3 5種方案的示蹤劑停留時(shí)間分布Fig.3 Tracer residence time distribution of five schemes

從圖3可以看到：方案18的停留時(shí)間曲線突升突降，并且峰值較高，具有短路流的特征，而且相對(duì)于其它4種方案，其響應(yīng)時(shí)間最短；方案17的停留時(shí)間曲線相對(duì)來說，峰值明顯降低，曲線向下的趨勢(shì)明顯變緩，說明流體的混合得到加強(qiáng)，改善了短路流，延長了響應(yīng)時(shí)間，但是其響應(yīng)時(shí)間相對(duì)于另外3種優(yōu)化的方案，還是較短。優(yōu)化的3種方案，從響應(yīng)時(shí)間上看，方案5比方案2延長一些，方案16又比方案5延長些，但是差別不是特別明顯；從峰值上觀察，方案16的峰值最高，方案5的峰值最低，但出現(xiàn)了2個(gè)峰值，而方案2的峰值介于這兩者之間；從曲線的下降趨勢(shì)，方案2和方案16比較相似，差別不大，方案5相對(duì)方案2和方案16來看，較為平緩。從示蹤劑計(jì)算分析看，總體上方案5的混合特性在5個(gè)方案中是最好的。

2.2 溫度場

圖4為5種方案的溫度分布。

圖4 5種方案的溫度分布Fig.4 Temperature distribution nephogram of five schemes

從圖4可以看出，中間包內(nèi)部溫度分布不均勻，各部分的溫度差別較大，高溫區(qū)集中在注流區(qū)，而遠(yuǎn)離注流區(qū)的一側(cè)，鋼液溫度有下降的梯度。由于中間包表面的散熱強(qiáng)度大，中間包上部溫度比較低，特別是與中間包入水口距離越遠(yuǎn)，溫度越低，而中間包的下部溫度較高。中間包的這種溫度分布與鋼水的流動(dòng)狀態(tài)是一致的。方案18的中間包上部低溫區(qū)域較大，上部和下部的溫差較大，中間包出口與入口的溫差為9℃；方案2在中間包出口上部的低溫區(qū)域較大，且此區(qū)域的液面溫度也較低，中間包出口與入口的溫差為9.5℃；方案16在遠(yuǎn)離中間包水口的另一端，有明顯的低溫區(qū)域，中間包出口與入口的溫差為8℃；方案17沒有明顯的低溫死區(qū)區(qū)域，但中間包出口與入口的溫差也達(dá)9℃；方案5在溫度分布上優(yōu)于其它4個(gè)方案，首先是沒有出現(xiàn)明顯的低溫死區(qū)區(qū)域，最重要的是中間包出口與入口的溫度差只有5℃。因此方案5是最優(yōu)方案，可以很好的滿足生產(chǎn)需要。

圖5 5種方案的去除夾雜物效果Fig.5 Removing inclusion chart of five schemes

2.3 去夾雜物能力

在忽略夾雜物碰撞長大的條件下，對(duì)不同尺寸大小的夾雜物在中間包內(nèi)的傳輸行為進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。數(shù)值計(jì)算時(shí)模擬的鋼液流量為18.6 m3/h(相當(dāng)于拉坯速度3.5 m/min)，夾雜物的密度為3 700 t/m3。圖5為不同大小夾雜物的去除率。由圖5可見，夾雜物的去除率隨夾雜物尺寸的增大而逐漸增大，安裝控流裝置的(方案2，5，16，17)比不加控流裝置(方案18)的中間包去除夾雜物的效果明顯，優(yōu)化的2，5，16方案較原方案(方案17)的去除效果顯著提高。100 μm以上的夾雜物顆?；究梢栽谥虚g包中去除，而10 μm以下的夾雜物顆粒去除率小于10%，較難去除。去除效果最好的是方案5，對(duì)50 μm的夾雜物能夠去除98.4%，對(duì)40 μm的夾雜物去除率達(dá)到92.3%。

圖6顯示的是40 μm的夾雜物在方案5中間包內(nèi)的運(yùn)行軌跡。由圖6可見，夾雜物在注流區(qū)運(yùn)動(dòng)劇烈，有一部分夾雜物運(yùn)動(dòng)到液面后，被中間包保護(hù)渣吸附去除，有一小部分被包壁吸收；在鋼液通過擋墻和擋壩時(shí)，鋼液受到擋墻和擋壩的作用向上流動(dòng)，夾雜物受鋼液的托拽力和自身的浮力也向液面運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到液面的夾雜物被吸附到保護(hù)渣上去除，沒有運(yùn)動(dòng)到液面的夾雜物顆粒繼續(xù)隨鋼液流動(dòng)，當(dāng)在中間包內(nèi)停留時(shí)間足夠其上浮到液面時(shí)，將被保護(hù)渣吸附，只有小部分的夾雜物顆粒由于停留時(shí)間太短會(huì)隨鋼液從中間包水口流出。

圖6 40 μm夾雜物在方案5中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Movement trajectory of 40 μm inclusion in No.5 tundish

3 結(jié) 論

1)針對(duì)CSP中間包內(nèi)冶金過程，建立了中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)的流場、溫度場、夾雜物運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

2)流場研究表明，方案5(長水口中心線與擋墻的距離為25 mm，擋墻與左擋壩的距離為5 mm，右擋壩與浸入式水口中心線的距離為30 mm，左擋壩和右擋壩的高度為10 mm)效果最佳，中間包結(jié)構(gòu)合理，鋼液停留時(shí)間有效延長，有利于夾雜物的上浮。

3)溫度場研究表明，5個(gè)方案的差別明顯，其中方案5沒有明顯的低溫區(qū)域(即死區(qū))，且中間包出口與入口的溫差為5℃，因此方案5是最優(yōu)方案。

4)夾雜物模擬研究表明，方案5的去除效果最佳，對(duì)50 μm的夾雜物能夠去除98.4%，對(duì)40 μm的夾雜物去除率能達(dá)到92.3%。

[1]沈岸明,郭翔宇,黃莉娟,等.低成本純凈鋼冶煉工藝的開發(fā)和應(yīng)用[C]//2012年全國煉鋼—連鑄生產(chǎn)技術(shù)會(huì)論文集.重慶,2012:451-455.

[2]康建國,張炯明,徐國棟.寶鋼連鑄中間包過濾器對(duì)夾雜物去除效果的研究[C]//第七屆中國鋼鐵年會(huì)論文集.北京,2009:734-737.

[3]王建軍,包燕平,曲英.中間包冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1999:94-95.

[4]樂可襄,于國慶.板坯中間包控流裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的水模研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,29(2):102-106.

[5]岳強(qiáng),楊緒琴.板坯連鑄中間包內(nèi)鋼液流場和濃度場的數(shù)值模擬[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,29(3):202-206.

[6]朱正海.薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)電工鋼中間包去夾雜的研究[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2006:39-43.

[7]干勇,仇圣桃,蕭澤強(qiáng).連續(xù)鑄鋼過程數(shù)學(xué)物理模擬[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2001:151-153.

[8]王建軍,周俐,王雪松.中間包夾雜物運(yùn)動(dòng)行為的數(shù)模研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2001,18(2):97-100.