钢包下渣数值模拟研究

钢包下渣过程的数值模拟研究

蒋大伟1，胡永才1，陈义胜2，庞赟佶2，3

（1.东北特钢集团，辽宁大连116105；2.内蒙古科技大学，内蒙古包头014010；

3.大连理工大学，辽宁大连116024）

摘要：

根据流体力学中的VOF 法及ε−k 湍流模型的基本理论，实现了对110t 钢包内不同渣层厚度浇注过程的模拟计算。重点描述了钢水浇注过程中钢包内的流动及流场的分布状况，得出了不同渣层厚度时的浇注过程所需的下渣高度及最佳渣厚。

关键词：VOF 法；钢包下渣；渣层厚度；最佳渣厚

中图分类号：TF769.2文献标识码：A

Ladle Slag Process Numerical Simulation Research

JIANG Dawei 1，HU Yongcai 1，CHEN Yisheng 2，PANG Yunji 2，，

3（1.DongBei Special Steel Group ，Dalian 116105，China ；2.

2.Inner Inner Mongolia U niversity of S cience and T echnology ，Baotou 014010，China ；

3.3.Dalian

Dalian University of Technology ，Dalian 116024，China ）Abstract：According to the VOF method and ε−k turbulence model of the basic theory in the fluid

mechanics ，realize different slag layer thickness of the 110t ladle casting process simulation.The article mainly describes flow field distribution condition of the steel in the process of pouring ,it is concluded that the different slag layer thickness of casting process the slag height and best slag thickness.

Key words:VOF method;Laddle slag;Slag layer thickness,Best slag thickness

钢液由钢包流入连铸中间包或模铸中注管内，钢液液面降低至一定高度时，钢液与钢渣就会混出，流股的巨大冲击作用会大大降低钢水的纯净度，势必对钢锭或铸坯的质量产生影响。目前很多企业都采用了浇注过程的下渣检测技术，使钢锭或铸坯内部质量有了很大改善，但下渣检测准确程度有待提高。这里运用流体力学中VOF 法及ε−k 模型描述了大型材分公司110t 钢包内不同渣层厚度对钢液流动形态的影响。

1模型建立

1.1基本假设

钢包顶部钢液为自由表面；不考虑钢液温降对钢包内流动的影响；钢包壁面为固体壁面；空气、钢渣和钢水均为不可压缩流体。由于钢包锥度较小，忽略钢包壁面对包内流动形态的影响[1]

。1.2数学模型连续性方程()0=∂∂i

i x u ρ；传输方程()

i i j eff i j i eff i i i

j i g x u x x u x x p x u u ρµµρ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+∂∂−=∂∂；

ε−k 方程：()ρεσµµ−+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡∂∂⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+∂∂=∂∂G x k x x k u i k t i i ()k c G k c x x x u i t j i i 2

21ερεεσµµερε−+⎦⎤⎢⎣⎡∂∂⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝

⎛+∂∂=∂∂其中⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=i j j i j i t x u x u x u G µ、ερµµµµ2k c D t eff +=+=式中eff µ为有效粘度，钢包内的流动过程为湍流流动，采用由Launder 和Spalding 提出的ε−k 双方程模型，

式中出现的经验常数采用Launder 和Spalding 的推荐值[2，

3]，如下:44.11=c ，92.12=C ，09.0=µc ，0.1=k σ，3

.1=εσ渣-空气、钢-渣液面流动形态采用多相流模型中的VOF 方法进行计算。

1.3边界条件

针对东北特钢大型材分公司110t 钢包模型进行的模拟计算，相关参数见如表1。主要模拟钢包下渣过程，为加快计算速度，计算区域高度取1500mm 。空气入口取压力入口、出钢口取压力出口，重力是钢液流动驱动力取g=9.81m/s 2。网格划分采用结构化网格，共划分10665个单元；求解过程采用PISO 方法，时间步长为0.04s ，迭代过程中认为残差小于0.001时收敛。分别计算了渣层厚度为0mm 、50mm 、100mm 、150mm 、200mm 、250mm 、300mm 、350mm 和400mm 九种情况下的下渣临界高度。

表1钢包、钢液及渣相关参数

钢包参数(mm)

工况参数钢包内径

2.83×103钢液密度/(Kg/m 3)7.00×103钢包高度

4.96×103钢液粘度/(Pa·s) 6.30×10-3液面高度

3.40×103钢渣密度/(Kg/m 3) 3.00×103出钢口直径 6.00×101钢渣粘度/(Pa·s) 3.50×10-1

2计算结果

2.1钢包内钢渣液面的流动过程

钢包内钢液依靠重力作用，由出钢口流入中间包或中注管内。随着浇注过程的进行，包内钢水量越来越少，钢液面的高度逐渐下降，钢渣始终附着在钢液面上。共模拟了钢包内九种渣层厚度的流动形态，上述流动形态大致相同，故此只取钢渣厚度为100mm 的情况进行简要描述。图1为100mm 渣厚不同时刻流动形态图；浇注开始时，钢液面位置较高；随着浇注过程的进行钢液面逐渐下降，在远离出钢口上方钢渣逐渐稀薄，流向出钢口上方并聚集，出钢口处渣层越来越厚。当钢液面降低到一定程度时，出钢口上方产生漩涡，发生卷渣、钢渣混