连铸中间包钢液流场的数值模拟

杨诗朦;房兴华

【摘 要】以天津荣程联合钢铁集团唐山特种钢有限公司炼钢厂小方坯连铸机的T型中间包为研究对象,通过AN-SYS软件对原方案的中间包以及优化方案的中间包的流场、温度场及湍动能分布情况3方面进行数值模拟.对比分析数值模拟结果表明,优化后的中间包钢液流动更加活跃,湍动更加强烈,有利于钢液成分的混合以及中上部夹杂物的上浮,顶部温差更小. 【期刊名称】《天津冶金》 【年(卷),期】2017(000)002 【总页数】5页(P4-7,33)

【关键词】数值模拟;中间包;流场;湍动能;温度场 【作 者】杨诗朦;房兴华

【作者单位】天津荣程联合钢铁集团有限公司,天津300352;天津荣程联合钢铁集团有限公司,天津300352 【正文语种】中 文

天津荣程联合钢铁集团唐山特种钢有限公司现用的小方坯连铸机导流隔墙的导流孔开孔角度不合理[1]，导致各出口温度有明显温差、中间包内有卷渣现象发生，中间包内钢液混合不充分，钢液中夹杂物上浮效果不明显等问题发生。

利用ANSYS软件旗下的Fluent软件对天津荣程联合钢铁集团唐山特种钢有限公司炼钢厂小方坯连铸机的中间包原有导流隔墙与优化后的导流隔墙两种方案的钢液

流动及传热行为进行数值模拟，综合分析钢液在两种方案中的流动及传热过程，得到最佳导流隔墙的设计方案。

为了得到钢液在中间包内流动和传热的数学模型，首先提出如下假设: （1）忽略中间包内表面波动及表面渣对钢液流动的影响。

（2）中间包内钢液流动视为不可压缩性稳态流动，流体由纯液相的初始速度来驱动。

（3）中间包包壁的传热和表面渣的热辐射视为稳态。 （4）中间包内钢液运动属于高雷诺数的湍流流动。 2.1 描述控制方程

中间包内钢液流动遵守物理守恒定律，因此可以用连续性方程、N-S动量方程和能量方程这3个方程作为描述中包钢液流动的控制方程，采用K-E双方程模型描述中包钢液湍流流动： 连续性方程： N-S动量方程： 式中

湍动能（k）方程： 湍动能耗散率（ε）方程： 其中：

式中，μt，Pa·s为湍流粘度系数；μj，Pa·s为层流粘度系数；C1，C2，Cμ，σk，σε为经验常数，采用Launder和Spalding的推荐值[2]：C1=1.43，C2=1.93，Cμ=0.09，σk= 1.0，σε=1.3。 2.2 边界条件设置

鉴于天津荣程集团唐山特种钢有限公司六流小方坯中间包结构的对称性，计算时只选取其1/2来建模分析。

边界条件设置如下：

长水口注流入口处采用速度入口边界条件，入口速度垂直向下，注流速度为2.3 m/s，设置拉坯速度为 2.0 m/min。长水口注流入口处钢液温度为1825.0 K。 在中间包出口水口截面上采用压力出口边界条件，相对静压力为零，各物理量沿该截面的法线方向导数为零，即

本文采用壁面函数法对壁面附近的流体进行处理，固体壁面看作无滑移边界。其中，X=0面为对称面，其余各壁面散热量见表1。 其他模型参数见表2。 2.3 数值模拟实验方案

天津荣程联合钢铁集团唐山特种钢有限公司小方坯连铸机中间包为六流中间包，结构为：3#水口距外侧壁 250 mm，1#水口距对称面600 mm，2#水口位于1#水口与3#水口之间，水口之间间距均为1200 mm。模型图如图1所示。

原方案中间包导流隔墙为“V”型挡墙，挡墙上有3个导流孔，其中2个主导流孔上扬30°，小孔上扬45°。

优化方案中间包导流隔墙为“V”型挡墙，挡墙上有3个导流孔挡墙上辅助导流孔上扬28°；主导流孔上扬15°、副导流孔上扬23°。 2.4 中间包流场的模拟 2.4.1 整体模拟情况

770 mm液面高度，2 m/min拉速的情况下，对两种方案的中间包流动情况进行数值模拟，模拟情况如图2、图3所示。由矢量图以及流场迹线图可以看出，两种方案主副导流孔的射流钢液均无干扰。导流隔墙将钢液限制在注流区，延长钢水在中包内停留时间，有利于夹杂物充分上浮。 2.4.2 纵向垂直截面流场

截取对称面（X=0），1#水口纵向垂直截面（X= 600），2#水口纵向垂直截面

（X=1800）以及3#水口纵向垂直截面（X=3000）进行速度云图分析，如图4所示。

从入口垂直截面和出口垂直截面的速度云图可以看出：原方案所示速度云图显示大部分流体从中间包底部流至出口，短路流现象比较明显；优化方案所示速度云图显示钢液流动活跃，从上部形成循环流，有利于钢液成分混合及夹杂物上浮。 2.4.3 横向垂直截面流场

截取横向水口中心线的垂直截面进行速度云图分析，效果如图5所示。

由横向垂直截面流场速度云图可以看出，由于原方案导流隔墙上导流孔开孔角度不合理，使射流钢液对熔池液面造成较大扰动，易造成卷渣现象，使钢液受到二次污染。而优化方案由于降低了主副导流孔的角度，射流钢液对熔池液面扰动较小，增加中间包内钢液循环流动，不易造成卷渣及钢水二次氧化问题。 2.4.4 中间包内湍动能

由于在水平截面处速度矢量图对流场的分析不够理想，因此这里通过湍动能图来描绘流体流场情况。图6分别显示了两种方案在三个不同水平截面上的湍动能等值线分布图。截面分别为自由截面（Z=500），半高处水平截面（Z=300）及中间包的底面（Z=10）。

由图6可以看出高速钢液注流在流向包底的过程中不断散开的情况。 从湍动能等值线分布情况来看：

原方案所示的湍动能云图显示中间包中上部湍动比较激烈，底部湍动比较平稳，湍流区域除了中间包冲击区内部外，在1#水口到2#水口的底部的区域、中部区域和顶部区域湍流均较为强烈，在水平方向上分布也不够均匀，不利于流体稳定流动；不适合浇铸顺利进行。

优化方案所示湍动能云图显示湍流区域除中间包冲击区内部外，1#、2#、3#水口间的湍动比较强烈，但水平方向湍动分布比较均匀，有利于钢液成分的混合以及中

上部夹杂物的上浮。 2.4.5 中间包温度场

通过对中间包熔池液面以及水口中心垂直截面进行温度场分析，效果如图7所示。 由熔池液面及中心垂直截面的温度场分布可以看出，两种方案钢液温度分布都比较均匀。原方案熔池液面温度分布最大温差为4 K，温度最低点位于侧壁液面顶角；优化方案熔池液面温度最大温差为2 K。优化方案的中间包钢液温度分布更均匀。 对比天津荣程集团唐山特种钢有限公司小方坯连铸机中间包导流隔墙的两种方案的流场温度场的数值模拟结果，得到以下结论：从入口和出口速度云图来看，优化方案比原方案的中间包钢液流动更加活跃，有利于钢液成分混合及夹杂物上浮；从垂直截面速度云图来看，原方案中间包挡墙结构易造成卷渣现象，而优化方案避免了这一问题；从迹线图可以看出，原方案挡墙结构及优化方案挡墙结构的主副导流孔均不易造成混流。从湍动能云图来看，优化方案比较原方案中间包湍动更强烈，但水平方向湍动分布比较均匀，更有利于钢液成分的混合以及中上部夹杂物的上浮。从出口温度来看，优化方案顶部温差更小。

【相关文献】

[1]孙海秩，李成斌，李丽影，等．近年来中间包技术的发展[J]．材料与冶金学报，2002，l（l）：36-40．

[2] Launder B，Spalding D.The numerical computation of turbulent flows[J].Comp Meth Appl Mech Eng，1974，3（2）：269-289．