南钢13吨中间包流场模拟研究

金爱军 翟卫江

1.前言

中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是炼钢—连铸过程中连续操作的衔接点。连铸中间包是接受和钢水再分配的冶金反应容器，具有改善钢液流动条件、均匀钢液温度、促进夹杂物上浮等功能。随着对特钢质量与性能要求的不断提高，中间包的冶金效果越来越受到重视[1]。本文通过数值模拟研究，对南钢13吨中间包经行模拟研究。分析不同拉速下中包内的流场流动状态及去夹杂能力。

2.数值模拟

2.1 模拟方案

针对南钢13吨四流中间包进行模拟，考虑到中间包的几何尺寸的对称性，采用面对称模拟方式，且不考虑渣层的影响。方案如下：

方案一：拉速2m/s 加入夹杂物颗粒粒径分别为10 μm、20μm、70μm；

方案二：拉速1.8m/s 加入夹杂物颗粒粒径分别为10μm、20μm、70μm；

方案三：拉速1.6m/s 加入夹杂物颗粒粒径分别为10μm、20μm、70μm。

2.2 模型建立

为验证中间包是否能够达到设计标准，研究利用Fluent模拟软件对不同拉速情况的中包流场的影响进行模拟，采用标准k-ε湍流模型、无滑移壁面和标准壁面函数。计算过程中，压力和速度采用PISO算法耦合，进行稳态计算。压力采用Body force weighted方法进行差分，体积分数采用Ger-Reconstruct进行差分，其余变量采用一阶迎风格式差分[2]。

采用三维几何模型。使用Gambit 2.2.30软件建立几何模型并划分网格，采用六面体网格形式，最小网格尺寸位于气体入口处，计算域中最大网格尺寸为18mm，网格数约为22万，网格质量0.4以上。中包网格形式见图1。

根据实验情况给定边界条件，入口边界为钢液质量入口，出口边界为压力出口，其他壁面为绝热面。

2.3 计算结果分析

不同拉速下的速度云图，如图2所示。中包内的平均速度在1.6m/s、1.8m/s、2.0m/s时，分别为0.043m/s、0.048 m/s和0.053 m/s。由此可见熔池平均速度随拉速的增大而增大。

图3为钢水通过长水口不断进入中包，围墙内形成明显的循环流动，在流动过程中夹杂物部分上浮到渣层，部分由炉衬捕捉。通过围墙的夹杂物随包内不规则旋流移动，并持续被渣层及炉衬捕捉，此过程中少部分夹杂物被钢流经由水口被带出中包。

由表1可知，夹杂物粒径为10μm、20μm、70μ m时，平均去除率为51.6%、54.9%和57.1%；拉速分别为2.0m/s、1.8m/s、1.6m/s时，夹杂物平均去除率为51.3%、55.0%、55.4%，且夹杂物去除率随拉速增大而降低。

表1 不同拉速下不同粒径夹杂物去除率

3.结论

以炼钢厂13吨四流中间包为研究对象，通过数值模拟研究中间包内流场流动规律及对夹杂物去除能力的影响，得出如下结论：

（1）当拉速为2.0m/s时，熔池内平均速度为0.053m/s，粒径分别为10μm、20μm、70μm的夹杂物去除率为50.4%、53.2%、55.8%；

（2）当拉速为1.8m/s时，熔池内平均速度为0.048m/s，粒径分别为10μm、20μm、70μm的夹杂物去除率为52.1%、55.5%、57.4%；

（3）当拉速为1.6m/s时，熔池内平均速度为0.043m/s，粒径分别为10μm、20μm、70μm的夹杂物去除率为52.3%、55.9%、58.0%；

（4) 中间包内拉速对夹杂物的排除率有影响。降低中间包拉速高度，能够增加夹杂物的排除率。

[1]殷瑞钮.关于21世纪连续铸钢的若干认识.连铸.2001(l):l-3

[2]李鹏飞 徐敏义 王飞飞等著.精通CFD工程仿真与案例实战.北京：人民邮电出版社，2011