六流T型中間包夾雜物去除行為的數(shù)值模擬
祝航航1，王敏1,2，姚騁1，包燕平1
(1. 北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室， 北京 100083；2. 北京科技大學金屬冶煉重大事故防控技術支撐基地， 北京 100083)
摘要：以41 t圓坯連鑄中間包為研究對象，運用ANSYS軟件，結合流動模型、拉格朗日離散相模型模擬鋼液流動和夾雜物行為。通過用戶自定義函數(shù)為中間包鋼渣界面的邊界條件設置了一種新的判定標準，即根據(jù)夾雜物的受力情況判定夾雜物上浮去除或進入鋼液。通過數(shù)值模擬計算中間包出口處夾雜物數(shù)密度，并與工業(yè)試驗結果對比，發(fā)現(xiàn)新的判定標準較傳統(tǒng)的捕捉(trap)邊界條件具有更高的計算精度?；谏鲜瞿Ｐ陀嬎懔朔€(wěn)態(tài)澆鑄過程中間包內(nèi)不同粒徑氧化鋁夾雜物的上浮時間、上浮位置及去除率。上述結果為更好地研究中間包內(nèi)夾雜物行為提供了支撐。
關鍵詞：氧化鋁夾雜物；拉格朗日離散相模型；中間包；夾雜物上??；去除率
1 引言
鋼中非金屬夾雜物主要來源于熔煉過程中物理化學反應形成的內(nèi)生夾雜物以及鋼液與外界物質(zhì)接觸產(chǎn)生的外來夾雜物。中間包是鋼鐵生產(chǎn)過程中最后一個耐火材料容器，若夾雜物在中間包內(nèi)得不到有效去除，則會直接影響鑄坯質(zhì)量。中間包是高溫黑箱，夾雜物在中間包內(nèi)的運動行為及分布狀態(tài)不能直接觀察到，因此物理模擬和數(shù)值模擬是探索中間包內(nèi)夾雜物行為的重要手段。
中間包內(nèi)型結構的優(yōu)化是非金屬夾雜物去除的有效措施，如擋墻擋壩、湍流抑制器、氣幕擋墻、旋轉磁場、吹氬等措施的采用可以顯著改善中間包內(nèi)鋼液的流動特性，從而促進夾雜物的上浮去除。劉志遠等通過改變鋼包長水口結構使鋼液旋轉進入中間包內(nèi)，從而提高了夾雜物去除率，改善了鋼液潔凈度；盧金霖等在沖擊區(qū)內(nèi)設置旋流室，使鋼液從旋流室底部流入中間包時旋轉動能增加，夾雜物在旋流室內(nèi)旋轉流動，更容易碰撞聚集長大；梁震江等在中間包內(nèi)采用多孔過濾控流裝置后，10 μm的小夾雜物去除率提升了10%以上。LING Hai-tao等建立數(shù)學模型預測兩流中間包中夾雜物瞬態(tài)濃度和尺寸分布；YANG Bin等將夾雜物質(zhì)量、數(shù)量守恒模型和流體質(zhì)量、動量、能量守恒模型耦合起來，研究中間包中夾雜物體積濃度和夾雜物尺寸的空間分布；Ni P Y等采用拉格朗日粒子追蹤方法，研究非金屬夾雜物在旋流浸入式水口中的運動軌跡。
在中間包夾雜物數(shù)值模擬的研究中，一個難點問題是夾雜物的捕獲判據(jù)以及驗證?，F(xiàn)有研究主要將鋼/渣界面的邊界條件設置為捕捉(trap)，認為夾雜物與渣層接觸之后立即被吸附；實際上，夾雜物在鋼/渣界面處的受力行為非常復雜，存在被吸附或進入鋼液2種情況。本文嘗試采用拉格朗日離散相(DPM)模型，考慮夾雜物在鋼/渣界面吸附和未吸附的條件，建立中間包夾雜物上浮去除模型，結合工業(yè)試驗對比驗證，分析了穩(wěn)態(tài)澆鑄過程6流中間包中不同粒徑Al2O3夾雜物的上浮時間、上浮位置及去除率。
2 精選圖表
3 結論
(1)由于不能直接觀察中間包實體中夾雜物的運動及分布狀況，因此通過工業(yè)試驗在中間包入口和第1流出口處取樣分析，以實測數(shù)據(jù)為參數(shù)，結合拉格朗日離散相模型建立中間包夾雜物上浮去除數(shù)值模型，計算第1流出口處夾雜物數(shù)密度，試驗值與計算值比值的標準差為1.4，驗證了模型的準確性。
(2)中間包中夾雜物有3種典型的運動軌跡：沖擊區(qū)上浮、澆鑄區(qū)上浮、進入結晶器。Al2O3夾雜物在0~575 s內(nèi)上浮效率較高(不小于0.035 s-1)，575~3 360 s內(nèi)上浮效率逐漸降低。這與鋼液的湍動能大小相關，湍動能大則鋼液攪拌強烈，有利于夾雜物上浮去除。
(3)Al2O3夾雜物在沖擊區(qū)的上浮去除率顯著高于澆鑄區(qū)，其中1.0~15.6 μm、21.2~53.0 μm粒徑夾雜物在沖擊區(qū)的去除率比澆鑄區(qū)分別高6%和2%左右，沖擊區(qū)形成了強烈的湍流漩渦區(qū)，因此適當擴大沖擊區(qū)有利于夾雜物去除。澆鑄區(qū)內(nèi)第2流附近區(qū)域夾雜物去除比例為21.0%左右，明顯高于第1、3流，得益于第2流區(qū)域內(nèi)的環(huán)流和“準活塞流”。
