连铸中间包非稳态浇注过程的数值模拟;冶金与资源学院;

安徽工业大学毕业设计（论文）说明书I———————————————装—————————订—————————线———————————————连铸中间包非稳态浇注过程的数值模拟冶金工程专业赵国磊（079014138）指导老师：岳强讲师摘要对钢液的连续浇铸过程来说，中间包内控流装置的优化设计，对钢液的流动模式、停留时间及夹杂物去除等有重要影响。研究中间包内控流装置的结构对中间包内流体流动状态与分布的影响，以及对钢液面波动的影响，有利于改善中间包内钢水流动，提高铸坯质量，为生产实际提供合理的参考。在总结了近年来国内外中间包冶金技术的发展，尤其是在中间包数值模拟方面的研究成果的基础上，本文以某钢厂的单流中间包为研究对象，采用有限体积法建立了中间包流体流动以及液面波动的数学模型，分析了不同挡墙位置和不同浇注速度下中间包内的流场，同时采用VOF方法中的几何重构技术模拟了中间包非稳态浇注过程中自由表面的波动情况。在中间包内设置挡墙、挡坝对钢液的流动影响很大，钢液从钢包流入中间包后，迅速到达中间包底部并向四周铺开，流向侧墙的钢液受到侧墙的阻挡转而向上流动，形成循环流。流向水口方向的钢液一部分受到挡墙的影响在挡墙的左侧形成回流；另一部分越过挡坝流向中间包液面，流过一段距离后部分钢液缓缓下降流向水口。挡墙与水口入口注流处距离改变对挡坝右侧的钢液流动影响不大，只是使最大速度出现的位置向水口出口方向发生平移，主要是影响挡墙左侧钢液的回流。中间包非稳态浇注过程中的液面波动问题是中间包数值模拟的难点，本课题的研究可以为进一步研究中间包充包以及空包过程中钢渣的界面行为奠定一定的基础。关键词：中间包；充包；数值模拟；运动界面安徽工业大学毕业设计（论文）说明书II———————————————装—————————订—————————线———————————————AbstractIntheprocessofcontinuouscastingofliquidsteel,theoptimizationdesignofflowcontroldevicesintundishhasanimportantimpactontheflowpatternofmoltensteel,residencetimeandinclusionsremoval.Theresearchontheinfluenceofthestructureofflowcontroldevicesonthestateandthedistributionoffluidflowintundish,andtheinfluenceonsteellevelfluctuation,arehelpfultoimprovetheflowofmoltensteelintundish,toimproveslabqualityandtoprovideareasonablereferencefortheactualproduction.Onthebasisofsummarizingtechnologicaldevelopmentoftundishmetallurgyathomeandabroadinrecentyears,especiallytheresearchresultsoftundishnumericalsimulation,thepapermakesresearchonone-strandtundishofonesteelplant,andusestheFiniteVolumeMethodtoestablishthemathematicalmodeloftundishfluidflowandlevelfluctuation.Thepaperalsoanalyzestheflowfieldintundishindifferentretainingwalllocationanddifferentcastingspeed,whileusingthegeometricreconstructionschemeofVOFtosimulatethefreesurfacefluctuationsinthetundish’sunsteadypouringprocess.Settingretainingwallandretainingdaminthetundishhasagreatimpactontheflowofliquidsteel.Aftermoltensteelflowsintothetundishfromtheladel,itrapidlyreachesthebottomofthetundishandspreadsaround.Andthemoltensteelflowingtothesidewallwouldbeblockedbythesidewall,andturntoflowup,formingcycleflow.Partofmoltensteelflowingtothenozzlewouldinfluencedbytheretainingwallandformbackflowintheleftoftheretainingwall.Theotherwouldflowacrosstheretainingdamtothetundishsurface,andthenpartofliquidsteelflowsdowntonozzleslowlyafterflowingsomedistance.Thechangeofthedistancebetweentheretainingwallandthenoteflowatthenozzleinlethaslittleeffectontheflowofmoltensteelattherightoftheretainingdam,onlymakesmaximumspeedappearstothepositionofthenozzleoutlet,andmainlyaffectsthebackflowofmoltensteelontheleftoftheretainingwall.Thesteellevelfluctuationprobleminthetundish’sunsteaycastingprocessisthedifficultyofthetundish’snumericalsimulation,andthistopicresearchcanlayasolidfoundationforthefurtherstudyabouttheinterfacebehaviorofthesteelslagintheprocess安徽工业大学毕业设计（论文）说明书III———————————————装—————————订—————————线———————————————oftundishfillingandempty.Keywords:tundish;filling;numericalsimulation;movinginterface安徽工业大学毕业设计（论文）说明书1———————————————装—————————订—————————线———————————————第1章文献综述1.1连铸与中间包技术自18世纪50年代以来，随着贝赛麦转炉和平炉的出现以及大规模的钢铁制造业的兴起，人类社会的文明进步明显加快。尤其是20世纪以来，钢铁行业的蓬勃发展，成为全球经济和社会文明进步的重要物质基础。在可以预见的时间范围内，钢铁仍然是世界上非常重要的材料，钢铁材料的综合优异性能使其在主要基础工业和基础设施中仍是不可替代的材料。钢铁以其成本的竞争力和原料的高储备量、易开采、易加工以及良好的再生利用性，仍将作为全球性的主要基础原材料。在钢铁工业的发展进程中，其基本原理并没有出现根本性的变化，但钢铁生产工艺流程中各工序的技术形成以及工程的组成内涵则发生了巨大的变化，从而使钢厂结构模式及制造流程发生了深刻变化。20世纪50年代，作为钢铁工业革命标志的连铸技术发展起来，其特点是过程速度快，投资集中，技术日趋完善。1970年全世界连铸比仅为5.6%，而到1990年全世界连铸比已达到62.4%，一些工业发达国家的连铸比超过了95%。近年来世界上许多炼钢厂相继以全连铸生产取代了模铸生产，到1994年实现全连铸的国家已达24个[1]。与通传统的模铸相比，连铸具有提高金属收得率和降低能量消耗的优越性，而减少金属资源和能量的消耗是符合可持续发展要求的。全连铸的实现使炼钢生产工序简化，流程缩短，生产效率显著提高。中间包(如图1.1)是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作用是不可忽视的。通常认为中间包起以下作用[1]：1、分流作用。对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。2、连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起到衔接的作用。3、减压作用。盛钢桶内液面高度有5~6m，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。4、保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。5、清除杂质作用。中间包作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响，应该尽可能使钢中非金属夹杂物的颗粒在处于态时排除掉。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书2———————————————装—————————订—————————线———————————————图1.1二流中间包：(a)钢包所在位置(b)连铸开始[6]随着用户对钢材质量要求的进一步提高，中间包的精炼功能也越来越受到人们的关注。作为设置在钢包和结晶器之间的冶金反应器，中间包除了实施钢水分配、稳定注流和保证连浇的基本功能外，还可以作为钢水的精炼容器（如图1.2）。通过中间包冶金，可以防止钢水二次氧化和吸气、改善钢水流动状态、防止卷渣和促进夹杂物上浮、微调钢水成分、控制夹杂物形态和精确控制钢水过热度。中间包冶金对提高连铸机作业率和优化作业、顺利多炉连浇、扩大连铸品种、改善铸坯质量等均起到重要作用[2]。近年来，国内外关于中间包冶金展开了大量的学术研究，很多研究成果已转化为生产实际中应用的技术措施，如：中间包结构设计、流动控制技术、抑制二次氧化、耐火材料和覆盖渣控制、更换钢包操作时温度和成分控制、过滤、加热钢液等。这说明冶金界已经接受了中间包冶金概念，并且成为实际操作中的工艺技术[3]。随着炼钢技术的不断发展，对钢液清洁度的要求不断提高，应该尽可能使钢中非金属夹杂物的颗粒在钢处于液体状态时排除掉，并尽可能防止钢液吸收空气以及耐火材料的氧，避免二次氧化，才能满足纯净钢的品质要求。中间包内的冶金过程尽管十分复杂，但从根本上来说，其过程主要受中间包内钢液的速度场和温度场的影响。因此，中间包的结构和工艺过程的优化是基于各种条件下中间包内钢液流动的速度场和温度场的分布和变化[3]。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书3———————————————装—————————订—————————线———————————————图1.2中间包是连接大包和结晶器的连续反应器1.2中间包物理模拟研究1.2.1物理模拟研究的理论基础物理模拟(PhysicsModeling)是通过物理模型和借助必要的测试手段对物理过程进行实验的研究方法。物理模拟有两种类型：第一类是精确的物理模型或称完全模拟，它严格按照相似原理构造模型，实验结果也可以直接进行比例放大；第二类是半精确模型或称部分模拟，用来研究过程中的关键现象，中间包内钢液流动现象的研究一般采用部分模拟。在中间包速度场的物理模拟[4]过程中，多用有机玻璃模型模拟中间包，用水模拟钢液，用铝粉、空心玻璃球颗粒等固体颗粒模拟钢液中夹杂物颗粒。为了准确地记录和测量速度场和