61气幕挡墙中间包内夹杂物去除及其机制影响的数模研究8-21

第四届发展中国家连铸国际会议-1-气幕挡墙中包夹杂物去除及其机制影响数模研究黄奥，汪厚植，顾华志，张美杰(武汉科技大学湖北省耐火材料与高温陶瓷重点实验室，武汉，430081)摘要：根据某厂实际中间包的操作工艺参数，考虑中间包内夹杂物的碰撞长大、壁面吸附、Stokes上浮及气泡吸附作用，用拉格朗日随机轨道模型模拟计算了气幕挡墙中间包内夹杂物的运动轨迹及去除率，分析了影响夹杂物运动及去除率的因素，并进行了工业试验。研究表明：气幕挡墙中间包内夹杂物通过碰撞长大、Stokes上浮作用、耐火材料壁面吸附作用、气泡对夹杂物的粘附作用而去除，该技术较好地促进了微小夹杂物的去除。壁面吸附及夹杂物的碰撞长大对夹杂物去除率的影响不大，只占总去出率的4%左右；大颗粒夹杂物主要通过Stokes上浮作用而去除；小颗粒夹杂物主要靠气泡吸附作用而去除，占其去除率的50%以上。工业试验表明，中间包合理使用气幕挡墙技术能有效去除夹杂物，适应纯净钢冶炼需求。关键词：中间包；气幕挡墙；夹杂物；去除机制；数学模拟MathematicalSimulationofInclusionRemovalandMechanismEffectintheGasCurtainTundishHUANGAo,WANGHou-zhi,GUHua-zhi,ZhangMei-jie(WuhanUniversityofScienceandTechnology,theHubeiProvinceKeyLaboratoryofRefractoriesandCeramics,Wuhan430081,China)Abstract:Accordingtothestructureandtheoperatingparametersoftundishatsomeplant,consideringinclusionscollisionandrising,absorptionofrefractorywall,Stokesfloatingandbubbleflotation,inclusiontrajectoriesandremovalinthegascurtaintundishweresimulatedusingLagrangianrandomparticletrackingapproach.Thefactorsaffectingparticlemovingandremovalwereanalyzedandthemathematicalmodelforcalculatinginclusionremovalinthegascurtaintundishweremoreaccurate，thencommericaltestwasputintoeffect.Theresultsshowthat:Theinclusionsinthegascurtaintundishcanberemovedbymechanismsofinclusionscollisionandrising,stickingofrefractorywall,Stokesfloatingandbubbleflotation,smallerinclusionsremovalwasgreatlyimprovedbythistechnique.Inclusionscollisionandrising,stickingofrefractorywallhavelittleeffectontheremovalrateofinclusions,whichaccountforonly4%oftotalremovalrate.Thebigsize(diametermorethan50μm)inclusionsareremovalprimarilybyStokesfloating,whilethesmallsize(diameterlessthan50μm)areremovalprimarilybybubbleflotationwhichaccountmorethan50%oftotalremovalrate.Commericaltestindicatedthattundishwithgascurtaintechniquecaneffectivelyincreaseinclusionremovalrate.Keywords:tundish;gascurtain;inclusion;removalmechanism;mathematicalsimulation1前言随着对钢质量要求的提高，中间包底部吹气技术在超纯净钢精炼中的作用引起了国内外广大冶金工作者的广泛关注[1]。水模及数值模拟研究表明，在中间包底部吹入惰性气体，能在中间包内形成“气幕挡墙”,改变中间包流动特性，有效地破坏短路流结构，增强混合效果,促进中间包内夹杂物的上浮去除[2、3]。大量研究表明，中间包底部吹氩技术对夹杂物的作用主要表现在三个方面，一是通过改变钢液的流动方式，延长钢液的停留时间，促进夹杂物的上浮去除；二是通过气泡的捕捉、吸附作用，直接去除夹杂物；三是通过浮力搅拌间接促进夹杂物碰撞聚合，从而促进夹杂物上浮。收稿编号：003基金项目：国家科技攻关计划项目（2005BA325C）．作者简介：黄奥（1982-），武汉科技大学博士生．E-mail:[e-mail]第四届发展中国家连铸国际会议-2-张邦文[4]、A．RAMOS-BANDERAS等[2]在不考虑气泡对夹杂物的吸附作用下，用欧拉—拉格郎日随机轨道模型描述描述夹杂物的运动，模拟计算了夹杂物的去除效率。王立涛[5]利用欧拉浓度场模型，通过在夹杂物传输方程中加入源相的方法，研究了底吹氩钢包中气泡吸附对夹杂物去除率的影响。本文用欧拉—拉格郎日随机轨道模型描述描述夹杂物的运动，并首次考虑气泡吸附对夹杂物的影响，建立底吹中间包内夹杂物去除的数学模型，研究底吹中包不同去除机制对夹杂物去除率的影响，探讨气幕挡墙在超纯净钢冶炼中的功效，采用工业试验验证。2数学模型（1）中间包内钢液看作不可压缩性流体三维稳态湍流流动；（2）气体在透气砖中的流动看作在多孔介质中的三维稳态湍流流动，忽略气泡的聚合及气泡间的相互作用；（3）中间包内的气液两相流动用欧拉两流体模型进行描述；（4）假设钢液中的夹杂物颗粒是球形的。由于夹杂物总体积很小，忽略其对总体积及各项体积分率的影响；（5）液及气体对夹杂物运动产生影响，而夹杂物对钢液及气体运动的影响被忽略；（6）夹杂物的运动采用随机轨道模型进行描述。（7）钢液中的夹杂物主要通过三种碰撞机制碰撞聚合：布朗运动碰撞、湍流碰撞、Stokes碰撞。采用文献[6]碰撞长大模型计算。3去除机制底吹中间包内的夹杂物主要通过三种方式被去除，一是被耐火材料壁面吸附，二是斯托克斯上浮到顶渣被捕获，三是粘附于气泡表面并与之一起上浮到渣面。3.1壁面吸附夹杂物穿过边界层到达壁面后，未必完全吸附，吸附的稳定性与VanderWaals力、壁面剪力、颗粒大小及壁面粗糙度等有关，其吸附概率根据下式进行计算。)/287.0exp(2wwap（1）式中，Pwa为壁面吸附概率；τw为壁面剪切力，pa；τ2为使夹杂物在壁面滚动的临界壁面剪切力，根据由下式求出：PlpaRhA22/3212/12128846.66（2）式中，A12为Hamaker数，A12=2.3×10-20J；ρp为夹杂物颗粒的密度，kg/m3；μl为钢液粘度，Pa·s；RP：夹杂物的半径，m；ha为夹杂物颗粒与壁面吸附的稳定间距，根据文献[7]，取4nm；3.2斯托克斯上浮气幕挡墙中间包内采用湍流控制器并控制合适的吹气量，液面上钢液的流速一般小于0.1m/s，根据文献[8，9]不会发生卷渣现象，因此上浮至液面的夹杂物均能够被捕获并去除。又由于中间包内钢液流动的雷诺数Re≥1000，应用修整了的Stokes-Newton公式计算夹杂物上浮速度[10]：2/1)(06.6lppplpRgw（3）式中，wp为夹杂物上浮速度，m/s；ρl为钢液密度，kg/m3。3.3气泡吸附钢液中的非金属夹杂物如Al2O3、SiO2，不被钢液浸润，可以通过气泡捕获而随气泡上浮至钢液-渣交界面。当夹杂物与气泡碰撞后，在气泡表面滑动。只有气泡的滑动时间大于气泡与夹杂物之间液膜破裂时间时，夹杂物才能被气泡捕获。夹杂物与气泡碰撞并被捕获的概率根据下式进行计算：P=PC·PA（1-PD）（4）式中，PD为夹杂物脱离气泡的概率；PC为气泡与夹杂物碰撞的概率；PA为气泡吸附夹杂物的概率。对于微小颗粒夹杂物，可认为夹杂物脱离气泡的概率PD=0，气泡与夹杂物碰撞的概率PC及气泡吸附夹杂物的概率PA的计算见文献[11]。4边界条件（1）计算流场的边界条件见文献[1]。（2）夹杂物的初始位置在入口的横截面上随机取值，初始速度等于钢液的入口速度；第四届发展中国家连铸国际会议-3-（3）假设夹杂物颗粒为球形，密度取2700kg/m3。由于中间包内大于100μm的夹杂物很容易上浮，夹杂物半径区间取10~100μm，总氧含量0.005。（4）在壁面上，夹杂物不能全部被吸附，其吸附率根据式（2）式进行计算；（5）夹杂物与气泡碰撞并被气泡捕获的概率根据式（4）式进行计算；（6）钢液-渣交界面设置为渣捕获界面。5计算条件以某厂二流板坯中间包为实际模型，其几何尺寸与结构如图1所示。长水口插入液面下200mm。铸坯尺寸为1500mm×250mm，拉坯速度为1.2m/min。中间包内的控流装置考虑湍流控制器及气幕挡墙，气幕挡墙的位置距离入口中心2000mm，吹气量1.70m3/h。图1中间包结构示意图Fig.1Geometricdimensionsoftundish6网格划分与求解采用正交直角坐标系统，在整个区域内划分六面体网格。为了保证计算精度并节约计算时间，在入口区域、出口区域、气幕挡墙砖区域及靠近壁面区域采用较密的网格划分格式，其它区域采用相对稀疏的网格划分格式。总的网格数114000个单元。首先计算得到流场，然后采用拉格郎日随即轨道模型及Monte-Carlo法模拟夹杂物的运动轨迹及去除率，具体方法见文献[11]。7结果与讨论由于该中间包结构对称，取其1/2轴对称截面进行分析。7.1气幕挡墙中包夹杂物去除中间包内夹杂物的运动与钢液的运动特性有关[11]，图2表示气幕挡墙对中间包内夹杂物运动轨迹的影响，夹杂物的去除率如表1所示。（a）无气幕挡墙（b）采用气幕挡墙图2中间包内夹杂物的运动轨迹Fig.2Pathlinesofinclusionparticleswithdifferentsizesinthetundish表1气幕挡墙对夹杂物去除率的影响（%）Table1Removalratesofinclusions(%)夹杂物尺寸/μm102030405060708090100Total无气幕挡墙技术55.28.712.930.451.566.78396.599.946.0气幕挡墙技术46.551.258.16369.97277.488.19999.972.5由图1（a）及表1可知，在只有湍流控制器的中间包内，大颗粒夹杂物（直径大于90μm），随着钢液的流动，绝大多数能上浮到液面被保护渣吸附而去除，去除率大于90%。尺寸为60~80μm的夹第四届发展中国家连铸国际会议-4-杂物颗粒在中间包内运动的过程中，大部分也能够上浮到液面，去除率大于50%。对于小于50μm的小颗粒夹杂物，仅靠stokes上浮作用去除效果不明显，其去除率不到15%，大部分由出口流出。由图1（b）及表1可知，当采用气幕挡墙技术后，10～100μm的夹杂物的总去除率由46.0%增加到72.5%。大颗粒夹杂物的去除率增加了不到10%，而小颗粒夹杂物的去除率增加显著，对于尺寸为10～40μm的夹杂物其去除率增加了40%以上。因此气幕挡墙技术主要是促进了微小夹杂物的去除。7.2夹杂物去除机制的影响不同夹杂物去除机制的影响如表2所示。表