連鑄中間包內鋼液流場的數值模擬

在連鑄生產過程中，中心包起了重要作用，如降壓、降壓、將鋼水均勻分配給不同的晶器，實現多爐連續供水，排除雜質和清潔鋼水。進行中間包內鋼液流動狀態的優化研究，對提高連鑄坯的質量有重要意義。1鋼水在中間包內流動的數學模型連鑄中間包中鋼水的流動是一個復雜的湍流流動過程，從動力學特征來講，假設高溫鋼液粘度恒定時，其特性與水的湍流流動在物理上是相似的，所以高溫鋼水可視為不可壓縮的牛頓流體。鋼水在中間包內的湍流流動過程主要特征是不規則性、三維性、擴散性和耗散性。描述這一過程的方程有連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、質量守恒方程以及描述湍流流動的K-ε雙方程模型。(1）連續性方程假設鋼水在中間包內的流動是穩態流動，視鋼水為不可壓縮流，密度為常數，則：(2）動量傳輸方程鋼水在中間包內的流動是一個紊流狀態，當流動為穩態流動時，式中：第1項是對流項；第2項是壓力梯度的影響；第3項是擴散項；第4項是體積力，這里只考慮重力作用;μeff為有效粘度系數。(3）湍流模型文中采用雙方程模型（k-ε雙方程模型）。描述湍動能的k方程：描述湍動能耗散的ε方程：采用Launder和Spalding提出的單層壁面函數，既要考慮層流層和湍流層的劃分，并假設粘性層以外的區域無量綱速度服從對數定律。(4)能量方程式中：ST為源項，無內熱源時為零；Γeff為有效擴散系數，可表示為：其中：Pr和Prt分別為層流和湍流的普朗特數，分別取1和0.9。在計算溫度場時，考慮到溫度對流場的影響，流體的密度：密度ρ=-0.883T+8612.5粘度ν=-1.2084×10-1-1.5167×10-4×T+6.7221×10-8×T2-10.229×T32表面散熱量的計算模型采用某鋼廠六機六流中間包，取中間包1/2區域，計算無擋墻和有擋墻2種情況下的流場和溫度場，幾何模型如圖1。邊界條件：(1）入口(2）在中間包出口截面上，設流體在出口處充分發展為壓力出口。(3）中間包壁面，所有壁面速度設置為0，壁面函數采用Launder和Spalding提出的單層壁面函數。壁面傳熱條件采用第二類邊界條件，即。在澆注過程中，中間包壁傳熱和表面頂渣熱輻射視為恒定值，通過包壁和表面渣層的熱通量采用Chakraborty和Shhai的推薦值,橫向包壁散熱量3.2kJ/(m2·s)；縱向包壁3.8kJ/(m2·s)；底面1.4kJ/(m2·s)；表面渣層15kJ/(m2·s)。3計算結果和分析3.1中間包內鋼水流動規律圖2,3是中間包在無擋墻和有擋墻2種情況下典型位置截面的流場，計算結果表明：加擋墻后，液面處的速度有所增加（2種情況下最大速度分別為0.189,0.139m/s），加擋墻改變了流動的狀態，流股在接近液面處的波動要大。從圖2看出，擋墻明顯改變了鋼水的流動路徑，鋼水在長水口澆進中間包后，碰到擋墻的阻隔，形成一個大的自下而上的漩渦，帶動鋼水從擋墻上方通過，通過擋墻后一部分鋼水水平流動，另一部分又形成漩渦不斷向前滾動。由計算可知擋墻把整個中間包分為兩部分：靠近中間包底部的湍流區，接近液面處的近似于平穩的層流區。下部的局部強湍流有利于鋼水溫度與成份均勻化、夾雜物聚合長大，防止其自由擴散，從而有利于大型夾雜物上浮；平穩的層流區域有利于小尺度夾雜物的上浮。對于不加擋墻的情況，從圖3(a）看出，鋼水的水平流占主導，液面很平穩，但中間包的溝流明顯較大，對中間包末端鋼水作用強度小，末端容易形成死區。圖4直觀地揭示鋼水在中間包中的流動軌跡和對夾雜物去除效果的影響。比較圖4(a),(b)可以看出，空包內鋼水流線較短，鋼水貼近液面的時間很短，夾雜物的去除不利。加設擋墻的中間包，鋼水的流線增長，鋼水的停留時間延長，絕大部分鋼水能流經液面，并且具有很大的表面水平流路徑，增大了夾雜物上浮的機會。3.2中間包內的溫度場圖5是有無擋墻的中間包溫度對比。通過計算得知：大包長水口處鋼水注入溫度為1530℃（1803K），中間包內鋼水最低溫度約為1503.6℃（1776.4K），鋼水最低溫度的位置在中間包出口上方左端附近的鋼水頂面（中間包鋼水頂面的散熱量最大，速度相對較小）。如圖6所示，無擋墻中間包內的溫度場與中間包內設擋墻時的溫度場完全不同。無擋墻時，中間包各鋼水截面的等溫線以平推形式向前推進，這與中間包的“少回流”、“多短路流”的流場是一致的，這時中間包內鋼水的溫度整體偏低，而且不均勻，其中一個很明顯的特征是在長時間澆鑄時，鋼水會出現分層，即出現高、低溫層。結合計算結果得知，無控流裝置中間包的各流出口鋼水溫度差最大達到3℃，改進后的中間包，即加擋墻的中間包各流出口鋼水溫度差減少到1.8℃。圖7是中間包縱向各個截面的溫度分布，在兩種情況下，中間包的最低溫度都出現在靠近包壁側出口上方的液面處，無擋墻時最低溫度為1503.4℃（1776.4K），而加擋墻的最低溫度為1509.3℃（1782.3K）。擋墻改變了流場，使得鋼水的流動補充熱量效果明顯。在中間包的中上部溫度相對最高，在最上部散熱大，液面處溫度低，溫度的不均勻造成鋼水密度不一致，中間包內存在自然對流，使得包底的溫度偏低，在中間包的中上部溫度相對最高。4中間包內鋼水的熱損失的計算(1）沒有流動控制的中間包，包內鋼水的流動狀態不利于夾雜物上浮和排出；加擋墻后，中間包內鋼水流動狀態顯著改變，利于鋼坯質量的改善。(2）中間包的下部和側墻的散熱遠比中間包上部鋼水自由表面的小，即中間包內鋼水的熱損失主要在中間包上部的自由表面處，計算得知在空包液面最低溫度是1503.4℃，有擋墻的是1509.3℃。中間包內溫差的存在導致鋼液產生自然對流，在中間包底