底吹中间包两相流体流动及夹杂物传输行为的模拟研究

　　1　前言

　　为提高铸坯质量、实现连铸过程中恒温浇注,80年代以来在连铸生产中开始采用中间包加热技术,用于控制钢水温度。加热方式有感应加热和等离子体加热两种。在等离子体加热中,钢液内部的换热成为制约加热效率的关键。为促进钢液内部热量传递,中间包冶金开始采用底吹氩气技术,利用气体的搅拌作用,带动钢液运动,促进对流换热。为此人们已做了大量研究。另一方面,钢中非金属夹杂物也是影响钢的质量和性能的重要因素之一。底部吹气过程改变了中间包流场的分布,使中间包内的流动传输过程更为复杂,同时影响了夹杂物在中间包内的运动传输行为。喷气过程控制不当可能造成钢液清洁度恶化,从而影响铸坯质量。关于中间包底部吹气过程对夹杂物传输行为的影响尚少见报道。本文根据计算流体力学原理,采用数值模拟手段,并结合中间包水模型实验,对中间包底吹过程中两相流体流动及夹杂物的运动传输行为进行研究。

　　2　数学模型

　　本文采用三维、定常的湍流流动方程、夹杂物浓度扩散方程结合气相扩散方程对中间包内两相流动传输过程进行预测。

　　2.1　基本方程

　　描述中间包底吹过程的三维、不可压缩、时均湍流流动的运动方程可参见文献[1]。在连铸中间包内,水口入流区域及吹气搅动区表现为较强烈的湍流流动,其它区域的湍流强度较弱,因此计算湍流粘性系数时本文采用Jones和Launder修正的低Reynolds数湍流模型[2]来确定有效粘度和有效扩散系数,该模型能同时适应高与低Reynolds数下的湍流问题。

　　2.2　两相区处理

　　气泡的浮力是驱动流体向上运动的动力,因此两相区的气相体积分率在数值模拟中是一个很重要的参数。本文采用气相扩散模型计算两相区的气相分率分布[3]。

式中:Q为流体当地混合密度;A为气相体积分率;uj为流体流速;ug为气泡在静止液体中的上浮速度。按实验估算,气泡平均直径约为2 mm,其上浮速度取为ug=0.3 m/s;Db为气泡当量扩散系数,与流体的有效粘性系数相等[3]。

　　2.3　夹杂物浓度场的控制方程

　　为研究夹杂物颗粒在中间包内的传输过程,做如下假定:

　　(1)研究对象为钢液中球状非金属夹杂物,其密度取为Q=2 700 kg/m3,该夹杂物随钢液运动的同时,由于浮力作用上浮,上浮速度uinc遵守Stokes上浮规则。

　　(2)夹杂物在中间包内运动状态为稳态,入口处夹杂物浓度设为1。

　　(3)忽略壁面对夹杂物颗粒的吸附及小颗粒夹杂物的碰撞、聚合、长大过程。

　　(4)忽略夹杂物在流体流动过程中所受形阻力的影响。