多流连铸中间包内涡流特性的数理模拟

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连铸中间包注余残钢量直接影响金属收得率和生产成本。随着市场对钢铁产品多样化需求的日益增加,多品种小批量定制化生产已成为合金钢生产的重要趋势,中间包注余引发的成本问题将更加突出。为此,抑制中间包浇注末期汇流旋涡形成,降低残钢量,研究多流连铸中间包汇流旋涡形成规律,开发汇流旋涡抑制技术已引起广泛关注,研究成果对连铸生产特别是高附加值合金钢连铸具有重要意义。论文结合某厂三流大方坯中间包,建立相似比为1:4的物理模型,通过物理模拟和数值模拟相结合的方法,在研究中间包内流体涡流特性的基础上,开发出适合此中间包的最佳抑旋装置。研究结果表明:(1)中间包内部结构导致汇流至出水口处的流体做旋转运动,并不断向上发展。在浇注末期位于中间包端部的1、3流水口先发生旋涡吸气现象,且1流水口上方旋涡的旋转方向为顺时针。(2)随拉速增大,出口处钢液的能量增加,从而在液面更容易产生汇流旋涡。中间包模型内无控流装置条件下,拉速由0.65m/min减小到0.48m/min,旋涡发展和贯通高度由34、30mm降到20、17mm,分别降低了 41%和43%。(3)塞棒的加入可以破坏液面的流场,提高液面稳定性,使湍动能大幅降低,旋涡形成难度加大。拉速为0.48m/min条件下,在中间包模型内加入至包底距离为20mm的塞棒,旋涡产生高度降幅最大,由30mm降至20mm,降低了 33%。减小塞棒至包底距离对旋涡的抑制效果加强,当塞棒至包底距离低于旋涡发展高度后抑旋效果显著提升。同时,塞棒棒头形状对旋涡形成有一定影响,椭圆形棒头抑旋效果最好。(4)对比加入工字形和方形抑旋板,研究结果表明两种抑旋板均可起到改变包底水口处流场,推迟旋涡产生的作用。但安放工字形抑旋板后,流经抑旋板的液体均沿径向流入水口,可以大幅削减水口附近的切向速度和涡量,其降低旋涡发展和贯通高度的效果优于方形抑旋板。(5)采用工字形抑旋板时,当抑旋板模型尺寸L1与L2分别为30mm和15mm,高度为25mm条件下,抑旋板至水口距离为20mm,按角度1布置时对旋涡抑制最显著。与无抑旋装置方案相比,旋涡产生高度降低36%,旋涡发展高度降低60%,旋涡贯通高度降低59%。(6)塞棒和工字形抑旋板协同作用对旋涡的抑制效果最佳。拉速为0.48m/min情况下,旋涡产生高度降低47%,旋涡发展高度降低60%,旋涡贯通高度降低71%,使中间包内浇注末期残钢大幅降低,金属收得率明显提高。
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