营钢板坯连铸中间包内流体流场的模拟与优化

杨福新， 代景鑫， 白学飞， 李 伟， 张友健， 郑 伟

（营口京华钢铁有限公司， 辽宁 营口 115000）

连铸中间包具有均匀钢液温度、促进夹杂物上浮等功能，中间包内部流场的稳定性与合理性直接影响着连铸工序的生产效率与产品质量。由于连铸内部流场情况无法实际测量与观测，现阶段主要应用数值模拟与水模拟两种方式对连铸中间包内部流场进行模拟研究。本文以营口京华钢铁有限公司（全文简称营钢）实际应用的中间包为研究对象，应用数值模拟的方法对中间包内部钢液流场情况进行了模拟与分析。

1 数学模型的建立

1.1 基本假设

根据实际情况对钢液在中间包内部流动的过程进行合理假设[1]，忽略对计算结果影响不大的因素以减小计算成本与计算误差，本文针对中间包内钢液流动过程提出假设条件如下：

1）中间包液面为自由表面，不考虑中间包覆盖渣和液面波动的影响。

2）中间包内流体流动为三维不可压缩稳态湍流流动，忽略中间包温度场对钢液流动的影响。

3）夹杂物的体积分数很小，忽略其对流场的影响。

1.2 数学模型的建立

连续性方程[2]：

动量方程：k-ε 双方程模型：

k方程：

ε 方程：

式中：

2 模拟与优化

2.1 几何建模与网格划分

本文应用Solidworks、ICEM 软件，以营钢四号板坯连铸机为研究对象，建立了1∶1 几何模型，划分了运算网格。由于连铸机中间包内部结构相对简单，故选取六面体结构网格对其进行划分。由于入水口附近与出水口附近钢液流速较大，划分网格时对钢液进水口与出水口附近区域的网格进行了合理加密。

2.2 边界条件与基本参数

根据营钢实际情况与相关文献设定中间包流场模拟的基本参数如表1 所示。

表1 中间包流场模拟边界条件与基本参数

2.3 流场模拟

应用fluent 软件对建立的中间包内部流场模型进行求解计算，经计算得出的流场矢量分布图如下页图1 所示。分析图1 可得，钢液在流过挡渣坝后出现分流。其中一股钢液形成回流延长钢液在中间包内部行走时间，促进成分混匀与夹杂物上浮。另一股钢液直接流入出水口，弱化了中间包应有的混匀钢液温度，促进夹杂物上浮等冶炼功能。因此应对中间包内部结构进行重新优化设计，以获得更加合理稳定的流场。

图1 优化前中间包流场矢量图

2.4 流场优化

作者基于上述分析对中间包内部结构进行了重新设计，模拟实验后发现，适当缩短挡渣墙与挡渣坝的距离，可优化中间包内部流场分布，模拟流场矢量图如图2 所示。由图2 可得缩短挡渣墙与挡渣坝距离后，流体经过挡渣坝后上升流动明显，在挡渣坝后大片区域内形成回流，明显增加了钢液在中间包内的混匀时间。优化后中间包内钢液流场分布更为合理，钢液混匀及夹杂物上浮时间更加充分。

图2 优化后中间包流场矢量图

3 结论

1）建立了中间包传质数学模型并求解，对中间包内的流场分布情况进行了可视化数值模拟。

2）根据中间包内部流场数值模拟实验的实验结果，得到了合理的中间包内部结构设计方案。