高 琦，韋耀東，蔣 軍，路海波，周士凱，史學亮

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.海南海協(xié)鍍錫原板有限責任公司，海南 澄邁 571924)

0 前言

中間包是連鑄生產(chǎn)過程中位于大包和結(jié)晶器之間的過渡裝置，它對夾雜物的上浮去除，成分、溫度均勻等具有重要的作用［1］。

中間包的冶金作用主要是依靠鋼液在中間包內(nèi)的合理流動來實現(xiàn)的［2］。中間包內(nèi)鋼液的流動狀況，直接影響鋼水中夾雜物的上浮，從而關系著鑄坯質(zhì)量的好壞，如鑄坯純凈度，鑄坯表面夾渣等，中間包內(nèi)死區(qū)應盡可能小，活塞流區(qū)應較大，且能避免短路流，這樣的中間包流場才合理。中間包內(nèi)壩、堰、多孔擋墻及湍流抑制器等控流裝置都是為了改善中間包內(nèi)流動特性，其最終目標是通過中間包內(nèi)合理的流場分布特征，使鋼液經(jīng)過中間包盡可能多的去除夾雜物，平穩(wěn)的分配鋼液，從而澆注出純潔的鋼［3，4］。因此，深入了解和控制鋼液在中間包內(nèi)的流動行為是保證中間包冶金效果、提高鋼液質(zhì)量的關鍵。

目前，國內(nèi)外一般采用水模和數(shù)模結(jié)合的方式對中間包流場進行分析，模擬不同生產(chǎn)狀態(tài)下容器內(nèi)的鋼水流動狀態(tài)［5－8］。對中間包采用合理布置擋墻、擋壩和流動控制裝置達到消除死區(qū)，實現(xiàn)中間包內(nèi)成份和溫度均勻，保證最佳的中間包內(nèi)鋼水停留時間。

本文應用ANSYS 商業(yè)軟件對某廠矩形坯連鑄機的中間包鋼水流動的數(shù)值模擬，利用中國重型機械研究院建立的中間包水模擬測試平臺對縮小的中間包水模型進行流動速度測試，以優(yōu)化鋼水的流動狀態(tài)及影響鋼水流動狀態(tài)的因素，為提高鑄坯潔凈度提供理論參考和技術支持。

圖1 中間包整體及控流裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure block of flow control device and tundish

1 數(shù)值模擬

1.1 測試對象

以某鋼廠方坯五流中間包為研究對象，該中間包容量37 t，長水口內(nèi)徑60 mm，插入深度300 mm，出水口內(nèi)徑30 mm，中間包穩(wěn)定操作液面高度800 mm，鑄坯斷面尺寸為240 mm ×300 mm，正常拉坯速度為0.8 m/min，中間包結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 基本假設

連鑄中間包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)復雜，在建立數(shù)學模型時，做如下基本假設:

(1)中間包內(nèi)鋼水的流動為穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮;(2)中間包內(nèi)的流動為高雷諾數(shù)湍流流動;(3)忽略表面渣層的影響，中間包鋼液液面穩(wěn)定。

1.3 控制方程

中間包流場的數(shù)值模擬是通過建立數(shù)學模型，用計算機求解流體運動方程組(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量方程和組分守恒方程)來對中間包內(nèi)的鋼液流動進行數(shù)值模擬。

式中，ρ為鋼液密度，kg/m3;Ui為流場時均速度，m/s;xi為以張量表示的方向;Uj為流場時均速度，m/s;xj為以張量表示的方向;P為壓力，Pa;μeff為有效黏度系數(shù);β為體膨脹系數(shù)，1/℃;ΔT為過熱度，℃;g為重力加速度，m/s2;t為時間，s;H為焓，kJ;κeff為有效傳熱系數(shù)，W/m2·K;T為鋼液溫度，℃;

由于中間包內(nèi)為湍流流動，現(xiàn)在應用較多的由Launder 和Spalding 提出的κ-ε 方程，本模擬也采用該方程，其控制方程如下:

式中，κ為流體湍動能，m2/s2;G為湍動能產(chǎn)生率，m2/s3;ε為流體的湍動能耗散率，m2/s3;μ為動力學黏度，N·s/m2;μt為湍流黏度系數(shù)，N·s/m2;C1，C2，Cd，σκ，σε均為經(jīng)驗常數(shù)。

在標準κ=ε 模型中，根據(jù)Launder 等的推薦值及后來的實驗驗證，經(jīng)驗常數(shù)的取值為:C1=1.43;C2=1.93;Cd=0.09;σκ=1.00;σε=1.30。

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1.4 網(wǎng)格劃分

由于中間包結(jié)構(gòu)比較復雜，所以對模型網(wǎng)格采用分體劃分，使用六面體及四面體混合網(wǎng)格，并測試網(wǎng)格的劃分對影響計算的最終結(jié)果。本次模擬采用的網(wǎng)格數(shù)為200～300 萬，同時對內(nèi)部速度梯度較大地方進行網(wǎng)格局部加密。

1.5 邊界條件

求解控制方程，必須給出相應的邊界條件，結(jié)合其不同的特點，模型邊界條件如下:

(1)水口邊界條件

鋼液從大包經(jīng)過長水口流入中間包，入口的速度通過拉速和鑄坯尺寸由質(zhì)量守恒定律確定，入口的湍流動能及湍流動能耗散率根據(jù)經(jīng)驗公式取值。

式中，Dinlet為入口的直徑，m。

(2)出口邊界條件

中間包的出口邊界為自由出流邊界。

(3)壁面邊界條件

各個壁面上，對速度、壓力、濃度使用無滑移邊界條件。

(4)溫度場邊界條件

鋼液入口溫度為1530 ℃，通過中間包上表面及中間包壁面的熱流為常數(shù)，表面渣層散熱:15.0 kW/m2，底 面 1.4 kW/m2;包 壁 3.8 kW/m2。

1.6 數(shù)值模擬結(jié)果

經(jīng)過一系列迭代，獲得了五流中間包流場的數(shù)值解。圖2為五流中間包內(nèi)流動速度矢量圖，可以看出，在中間包的注流區(qū)，從長水口注入的鋼液在中間包內(nèi)部形成典型的沖擊射流，湍流抑制器起緩沖注流和抑制對包底的沖刷作用。在注流區(qū)，由于壩堰的控流裝置，形成了類似活塞流的流動狀態(tài)。在整個中間包內(nèi)部速度較為均一，流動緩慢。

圖2 中間包速度矢量圖Fig.2 Vector diagram of tundish velocity

圖3為整個中間包流動的流線圖，可以明顯看出，注流區(qū)的鋼液通過多孔擋墻噴射出去，由于多孔擋墻有一定的角度，鋼液有上拋的流動，這種流動狀態(tài)有利于鋼液和中間包覆蓋劑充分接觸，有利于夾雜物的去除。

圖3 五流中間包流線圖Fig.3 Streamlined diagram of five strand billet tundish

圖4為中間包內(nèi)鋼液的溫度分布圖，可以看出，從中間包的注流區(qū)到澆注區(qū)，鋼液的溫度在降低，中間包長水口與出口的溫差為13 ℃，這個數(shù)據(jù)是在實際生產(chǎn)過程中中間包溫降范圍內(nèi)的。

2 中間包內(nèi)流場測試

2.1 測試過程的建立

圖4 中間包溫度云圖Fig.4 Temperature distribution of tundish

圖5 所示為中國重型機械研究院建立的連鑄中間包結(jié)晶器水模擬測試平臺，整個試驗系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，充分體現(xiàn)公共平臺的功能，對未來不同類型的中間包和結(jié)晶器及相關技術細節(jié)實現(xiàn)持續(xù)不斷的創(chuàng)新模擬。整體物理模擬實驗裝置由五大模塊組成:公共基礎框架結(jié)構(gòu)，實驗裝置主體(含中間包模型和結(jié)晶器模型)，水路控制循環(huán)系統(tǒng)，可移動的攝像系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理和圖像分析顯示系統(tǒng)。

圖5 連鑄中間包及結(jié)晶器水模型系統(tǒng)圖Fig.5 Water model of tundish and mold

對于五流中間包流場測試，基于幾何相似及弗魯?shù)聹蕯?shù)相等，根據(jù)水源及空間條件，為了和原型保持更好的一致性，取模型與原型的幾何相似型比按照1:2 的比例。為了精確獲得中間包內(nèi)部流動情況，使用激光粒子測速法，在中間包模型周圍建立一個大的三維坐標架，通過標定位置，移動流場圖形采集相機，可以獲取中間包在不同高度、縱橫界面的速度場。

2.2 測試過程

本測試過程是將粒子成像技術與基于PXI 總線的虛擬儀器測試平臺結(jié)合而產(chǎn)生的，是數(shù)碼技術、測試技術和通訊技術高度結(jié)合的現(xiàn)代化測試技術，通過平面的粒子由連續(xù)拍攝形成的粒子軌跡圖像來判斷方向及速度。系統(tǒng)采用模塊化設備組合、LABVIEW 圖像處理軟件系統(tǒng)使整套系統(tǒng)具有高度的準確性、靈活性、可擴展性。圖6為為五流中間包的第二流和第一流(邊流)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的中間包內(nèi)含有示蹤粒子的灰度圖像。獲取上述一定時間間隔的圖像，經(jīng)過軟件處理，就能夠得到中間包內(nèi)的速度場。

圖6 中間包不同水口的測試圖像Fig.6 Testing image under different tundish nozzle

2.3 中間包內(nèi)速度場測試結(jié)果

圖7為通過軟件處理后獲得中間包內(nèi)速度矢量圖，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬過程由于選擇了湍流模型，將流動的瞬態(tài)做了時均處理，同時由于網(wǎng)格密度的原因，不能顯示流動的細節(jié)。對于水模擬實驗，可以看出，中間包內(nèi)流動是一個湍流脈動，局部呈現(xiàn)很大的混亂，但是總體上呈現(xiàn)一定流動趨勢的運動。而這些湍流渦能夠提供夾雜物碰撞的動能，加強夾雜物的湍流梯度碰撞，有利于夾雜物的去除。

圖7 中間包內(nèi)速度矢量圖Fig.7 Vector diagram in tundish

由圖7 可以看出，五流中間包在澆注區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)幾個大的循環(huán)流動，特別是在邊流，其和第二流之間形成了一個大的循環(huán)流動。流動較為均勻，流動速度均一化速度為0.03～0.05 m/s，在中間包的表面速度較為均一，都為指向邊流的流動。

3 結(jié)論

(1)通過中國重型機械研究院建立的中間包流動測試平臺，獲取了某五流中間包內(nèi)速度場，測試表明，中間包內(nèi)速度場呈現(xiàn)湍流脈動的速度特征，中間包內(nèi)部有大的循環(huán)渦流運動，整體速度較為均一，速度值在0.03～0.05 m/s 之間。

(2)通過數(shù)值模擬獲得了中間包內(nèi)時均化的速度場，相對水模擬測速，不能夠很好呈現(xiàn)中間包流動的細節(jié)。通過數(shù)值計算獲得中間包鋼液溫降為13 ℃，和實際連鑄生產(chǎn)的數(shù)據(jù)較為吻合。

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