五流大方坯中間包流場優(yōu)化及換包非穩(wěn)態(tài)流體行為的模擬研究.pdf

1、某廠5流大方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)過程中,鑄坯因夾雜原因的探傷不合格率偏高,并且第3流探傷不合格率明顯高于其它4流,同時(shí)非穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)發(fā)現(xiàn)鑄坯質(zhì)量缺陷明顯高于穩(wěn)定澆注等問題。本文以該廠5流大方坯中間包為研究對(duì)象,建立數(shù)學(xué)模型研究穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)控流裝置結(jié)構(gòu)對(duì)中間包流場、溫度場以及夾雜物去除的影響,并采用水力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬的流場結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,優(yōu)化中間包控流裝置;此外采用VOF多相流模型對(duì)鋼包更換非穩(wěn)態(tài)澆注過程中間包內(nèi)鋼-渣-氣三相流動(dòng)行為進(jìn)行數(shù)值模擬研究

2、,重點(diǎn)考察充包過程鋼-渣-氣三相界面行為的變化。研究結(jié)果表明:
　　 (1)原型中間包流場不合理,流動(dòng)一致性差,各流響應(yīng)時(shí)間、平均停留時(shí)間差別大,并且第3流附近有短路流形成,第5流上方有較大死區(qū)存在。
　　 (2)中間包擋墻優(yōu)化后,中間包流場明顯改善,第3流鋼液響應(yīng)時(shí)間和平均停留時(shí)間顯著延長,短路流消除,鋼液分配較為合理,各流流動(dòng)特性的一致性明顯提高;圓形加檐的湍流控制器可以顯著降低中間包沖擊區(qū)的湍流程度和液面流動(dòng)速度。

3、
　　 (3)確定方案B4為中間包流場優(yōu)化的最佳方案。優(yōu)化后中間包的總體停留時(shí)間達(dá)到595.0s,活塞區(qū)體積增加4.8％、死區(qū)體積下降0.2%,第3流響應(yīng)時(shí)間、平均停留時(shí)間分別增加了42.5s、264.6s,同時(shí)各流濃度的總體平均標(biāo)準(zhǔn)差-SN僅為0.0057,下降了近75%,各流一致性顯著提高;同時(shí)溫度場明顯改善,中間包最大溫降22.8K,減小了20.3%,各流之間最大溫差從原型3.7K縮至1.4K:中間包內(nèi)夾雜物去除率也明顯提

4、高,粒徑為10～100μm的夾雜物去除率相應(yīng)的提高了0.9%～8.3%,其中粒徑100μm時(shí)去除率高達(dá)94.4%。
　　 (4)鋼包更換過程空包結(jié)束時(shí)中間包液面下降至最低位置,除出水口附近外其他區(qū)域鋼液流動(dòng)較弱,中間包中鋼-渣-氣三相界面清晰平穩(wěn),未出現(xiàn)相互卷混現(xiàn)象;充包過程沖擊區(qū)內(nèi)鋼液攪動(dòng)強(qiáng)勁、鋼液面波動(dòng)明顯,并在長水口前后形成兩個(gè)波峰,同時(shí)出現(xiàn)鋼/氣卷混、鋼/渣卷混以及鋼液裸露現(xiàn)象,其中充包4.0s時(shí)裸露面積最大值252cm

5、2,隨后逐漸減小。
　　 (5)充包過程中,沖擊區(qū)鋼液裸露面積隨水口注入流量增加而增大,而注入流量為1.5Qsteady則可完全避免鋼液裸露出現(xiàn);長水口插入深度增加沖擊區(qū)液面波動(dòng)幅度緩慢減小,插入深度310mm時(shí)鋼液裸露面積相對(duì)最小;采用方案B2控流裝置優(yōu)化后,沖擊區(qū)中鋼液面的兩個(gè)波峰消失,波動(dòng)幅度明顯減弱,同時(shí)未出現(xiàn)鋼液裸露;隨換包時(shí)間增加沖擊區(qū)內(nèi)裸露面積逐漸增加,其中2min增加到3min時(shí)增加不明顯,而當(dāng)換包時(shí)間增加到4m