单流板坯连铸中间包结构优化的数值模拟

丁寅 郭鹏 卜志胜 吴军

摘 要：针对二炼钢板坯连铸机浇铸DC04和SPHC系列钢种时存在中包水口非金属夹杂物结瘤频繁的问题，探讨通过优化中间包结构提高夹杂物去除率，并采用数值模拟的方法对优化前后的中间包做了钢水流场的模拟及夹杂物去除率的计算。实验结果表明，原中间包中存在短路流，优化后的中间包改善了钢液的流动状态，缩短了非金属夹杂物上浮的距离，显著提高了夹杂物的上浮率，特别是粒径为100μm的夹杂物，去除率提高了5.23%。

关键词：中间包；结构优化；非金属夹杂物；数值模拟；流场

中图分类号：TF777 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）12-0019-03

Abstract： In order to solve the problem of frequent non-metallic inclusion nodule in ladle nozzle when casting DC04 and SPHC series of steel in the second steel-making slab continuous caster， it is discussed how to improve the inclusion removal rate by optimizing the tundish structure. Numerical simulation method was used to simulate the flow field of the tundish before and after optimization and calculate the removal rate of inclusions. The experimental results show that there is a short-circuit flow in the original tundish， and the optimized tundish improves the flow state of molten steel， shortens the floating distance of non-metallic inclusions， and remarkably increases the floating rate of inclusions， especially the inclusions with a particle size of 100 μm， with the removal rate increased by 5.23%.

Keywords： tundish； structural optimization； nonmetallic inclusion； numerical simulation； flow field

铸坯中高熔点非金属夹杂物会破坏钢的连续性和致密性，严重影响了钢材的质量，减少铸坯中夹杂物的方法除了盡量减少外来夹杂物对钢水的污染之外，还有设法促使存在于钢水中的夹杂物排出[1]。合理的中间包结构有利于钢水中非金属夹杂物的上浮和吸附[2]。国内外许多冶金工作者通过优化中间包结构提高钢水中非金属夹杂物的去除取得了良好的效果[3-8]。

本文针对二炼钢板坯连铸机浇铸DC04和SPHC系列钢种时存在中包水口高熔点非金属夹杂物结瘤频繁，经常导致结死停机，严重影响连铸机生产能力和铸坯质量的问题，优化了中间包结构，并采用数值模拟的方法对优化前后的中间包各做了钢水流场的模拟及夹杂物去除率的计算，具有指导实际生产的价值。

1 数值模拟

1.1 数学模型

1.1.1 基本假设

中间包内钢水的流动是非常复杂的，为了方便模拟计算且符合钢水流动的实际状态，本文假设如下：

（1）钢液在中间包中的流动为稳态不可压缩的三维牛顿流体的流动。

（2）夹杂物颗粒的形状为球形，通过液面渣层的吸附而去除，忽略了其被中包壁面的吸附。

1.1.2 控制方程

为了分析中间包中钢水的流场，计算不同粒径夹杂物的上浮率，本文将数值模拟过程分为两步：

第一步：计算稳态流场。该过程选用标准k-ε双方程湍流模型，其常数值由Launder和Spalding推荐[9]，控制方程有：

连续性方程：

（1）

动量守恒方程：

（2）

湍动能方程：

（3）

湍动能耗散率方程：

第二步：计算不同粒径夹杂物的去除率。在收敛稳态流场的基础上，选用离散相模型，假设球形非金属夹杂物在中间包内的上浮速度遵守Stokes方程，中间包钢液中夹杂物的传输方程如下：

（5）

假设上浮到顶面的夹杂物全部被渣层吸收，则渣层捕获夹杂物的公式可表示为：

qjz=Cjzwjz（6）

1.2 边界条件

（1）中间包入水口：在该处钢液流的速度方向垂直于自由表面，中间包入口流量、出口流量与结晶器出口流量相同，即根据中间包中钢液的质量守恒，由结晶器出口截面尺寸、拉速和大包水口尺寸计算得中间包入口速度为1.258m/s。

（2）中间包固体壁面：在该处采用无滑移边界条件，用壁面函数来处理固体壁面边界层。

（3）钢液面：忽略该液面的波动，将其视为自由表面，在该面采用滑移边界条件，并且设所有变量的法向梯度为零。

（4）中间包出水口：在该处钢液流的速度方向垂直于自由表面。

1.3几何模型

原中间包和优化中间包的结构示意图如图1、图2所示。

（a）原中间包的主剖视图

（b）原中间包的俯视图

（a）优化中间包的主剖视图

（b）优化中间包的俯视图

1.4 数值求解

本文使用商业软件Fluent进行模拟计算，采用SMPLE压力-速度耦合算法求解离散后的模型非线性方程，动量方程选用一阶迎风格式，设置收敛条件为小于10-5，中间包数值模拟的基本物性参数见表1。

2 结果与分析

2.1 中间包钢液流场

原中间包对称面流场图如图3所示，从图中可以看出在注流两侧各形成了一个环流，注流左侧是逆时针的环流，右侧是顺时针的环流，钢水流过挡墙底部，一部分在挡坝的作用下流向中间包顶部，并在挡坝右侧形成了一个顺时针的环流，一部分流经挡坝上的水平孔，再沿中间包底面直接流向出口，形成了短路流，这部分钢水中的夹杂物没机会上浮，随钢液一起进入了结晶器或聚集在中包水口上，严重影响了铸坯质量和连铸机的生产能力。

优化中间包对称面流场图如图4所示，钢水在挡墙左侧的流动轨迹跟原中间包的相似，但钢水流过挡墙底部后，流经挡坝斜向上孔的钢水和其他钢水一起流向了中间包顶部，缩短了夹杂物上浮的距离，并在挡坝右侧形成了一个顺时针的大环流，延长了钢水在中间包的停留时间，为夹杂物的上浮提供了更多的机会，从而提高了中间包钢水中非金属夹杂物的去除率。

2.2 夹杂物去除率

原中间包和优化中间包中不同粒径夹杂物的去除率如图5所示，优化中间包中各粒径夹杂物的去除率明显高于原中间包中相同粒径夹杂物的去除率，特别是粒径为100μm的夹杂物，优化中间包中的去除率要高于原中间包5.23%。这主要是因为挡坝上的孔由水平方向变为斜向上之后，消除了原中间包底部的短路流，使流经挡坝上斜孔的钢水流向中间包顶部，缩短了夹杂物上浮的距离。

3 结束语

（1）原中间包中一部分钢水流经挡坝上的水平孔，再沿中间包底面直接流向出口，形成了短路流，这部分钢水中的夹杂物没有机会上浮，随钢水一起进入了结晶器或聚集在中包水口上。

（2）结构优化后的中间包改善了钢液的流动状态，一部分钢水流经挡坝斜向上孔后和其他钢水一起流向了中间包顶部，缩短了夹杂物上浮的距离。

（3）优化中间包中各粒径夹杂物的去除率明显高于原中间包中相同粒径夹杂物的去除率，特别是粒径为100μm的夹杂物，优化中间包中的去除率要高于原中间包5.23%。

参考文献：

[1]《中国冶金报》社.连续铸钢500问[M].北京：冶金工业出版社，1994：119.

[2]朱苗勇，萧泽强.连铸中间包内三维流动的数值模拟[J].东北大学学报（自然科学版），1995，16（4）：352-355.

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[8]冯捷，唐德池，包燕平，等.控流装置对板坯中间包流场优化的影响[J].特殊钢，2010，31（2）：17-20.

[9]B. E. Launder and D. B. Spalding： Comput. Methods Appl. Mech. Eng.， 3（1974），269.