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底吹氩VD钢包炉流场优化的数值模拟研究

刘崇林 宋思程 孙彦辉 安航航 周律敏 梁龙清 龙连

刘崇林, 宋思程, 孙彦辉, 安航航, 周律敏, 梁龙清, 龙连. 底吹氩VD钢包炉流场优化的数值模拟研究[J]. 钢铁钒钛, 2021, 42(4): 117-123. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.04.020
引用本文: 刘崇林, 宋思程, 孙彦辉, 安航航, 周律敏, 梁龙清, 龙连. 底吹氩VD钢包炉流场优化的数值模拟研究[J]. 钢铁钒钛, 2021, 42(4): 117-123. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.04.020
Liu Chonglin, Song Sicheng, Sun Yanhui, An Hanghang, Zhou Lvmin, Liang Longqing, Long Lian. Study on numerical simulation for flow field optimization in argon blowing VD ladle[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2021, 42(4): 117-123. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.04.020
Citation: Liu Chonglin, Song Sicheng, Sun Yanhui, An Hanghang, Zhou Lvmin, Liang Longqing, Long Lian. Study on numerical simulation for flow field optimization in argon blowing VD ladle[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2021, 42(4): 117-123. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.04.020

底吹氩VD钢包炉流场优化的数值模拟研究

doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.04.020
基金项目: 国家自然科学基金(51774030,U1860104)资助项目
详细信息
    作者简介:

    刘崇林(1983−),男,博士,主要从事连铸坯质量控制以及品种钢研发,E-mail:liuchonglin2003@163.com

    通讯作者:

    孙彦辉(1971−),男,博士,教授,主要从事品种钢开发及连铸工艺关键技术研究,E-mail:ustb420@126.com

  • 中图分类号: TF044

Study on numerical simulation for flow field optimization in argon blowing VD ladle

  • 摘要: 以某钢厂150 t VD钢包炉为研究对象,采用商业软件Ansys-Fluent,建立钢包底吹氩气模型,结合正交设计方法,模拟了不同钢液量,两个吹氩口不同吹氩量工艺条件下钢包内流场和流速变化,同时考虑了静置10 min后钢包炉内钢液流动情况。所有试验均监测钢包下部同一位置的速度大小,通过正交设计方法选择最优的生产方案。研究结果表明:钢包内钢液量和底吹氩气量在小范围内变动对钢包内钢液流场和流速影响不大,且钢液量和氩气口吹氩量对静置10 min后钢液内流场流速的影响可以忽略不计。吹氩量过大会导致渣眼开度较大引起卷渣和吸气现象,吹气量过小钢液流速较低则导致形成稳定循环流场所需时间较长。最终通过对比分析得出在钢液高度选用3590 mm,1#和2#氩气口流量均采用0.9 m3/h时钢包炉内综合流动效果较好,减少了钢水受污染程度,提高了生产效率。
  • 图  1  钢包网格

    Figure  1.  Ladle mess

    图  2  流线与氩气

    Figure  2.  Streamline and argon

    图  3  氩气口截面流速流线

    Figure  3.  Flow velocity streamline of argon port

    图  4  垂直方向分布云图

    Figure  4.  Vertically distributed clouds

    图  5  速度分布矢量

    Figure  5.  Velocity distribution vector

    图  6  钢液流线和垂直方向流速分布

    Figure  6.  Molten steel flow lines and vertical flow velocity distribution

    图  7  检测点速度总和

    Figure  7.  Sum of the speed at detection points

    图  8  氩气动能利用效率

    Figure  8.  Utilization efficiency of argon aerodynamic energy

    表  1  正交试验因素及水平

    Table  1.   Factors and level of orthogonal experiment


    水平
    A
    钢液高度/mm
    B
    1号氩气口流量/(m3·h−1)
    C
    2号氩气口流量/(m3·h−1)
    138900.60.6
    235900.90.9
    332901.21.2
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    表  2  试验计划

    Table  2.   Experimental matrix


    试样号
    A
    钢液高度
    B
    1号氩气口流量
    C
    2号氩气口流量
    D
    空白列
    1#A1B1C1D1
    2#A1B2C2D2
    3#A1B3C3D3
    4#A2B1C2D3
    5#A2B2C3D1
    6#A2B3C1D2
    7#A3B1C3D2
    8#A3B2C1D3
    9#A3B3C2D1
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    表  3  钢包实体尺寸

    Table  3.   Dimensions of solid ladle

    钢液高度/mm钢液上部直径/mm钢液底部直径/mm
    网格1389030282764
    网格2359030082764
    网格3329029872764
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    表  4  钢包底吹口布置

    Table  4.   Ladle bottom mouthpiece arrangement

    两氩气口中心到钢
    包炉中心角度/(°)
    氩气口线距
    底面中心/mm
    氩气口等
    效直径/mm
    9075040
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    表  5  数值模拟材料参数

    Table  5.   Material parameters used for numerical simulation

    材料密度/(kg·m−3)粘度/(kg·m−1·s−1)比热/(J·kg−1·K−1)导热系数/(W·m−1·K−1)参考温度/K相对原子质量
    钢液70200.0067750411 86056
    氩气1.62282.125E-055200.024230039.95
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    表  6  速度入口设置参数

    Table  6.   Ssetting parameters of inlet speed

    氩气流量/(m3·h−1)氩气口流速/(m·s−1)k/(m2·s−2)e/(m2·s−3)
    0.60.1326290.0001760.000117
    0.90.1989440.0003960.000394
    1.20.2652580.0007040.000933
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    表  7  试验结果

    Table  7.   Experimental results

    试样号A
    钢液
    高度
    B
    1#氩气
    口流量
    C
    2#氩气
    口流量
    D
    空白
    检测点x y z三个
    方向速度总和/
    (m·s−1)
    1#A1B1C1D10.0125
    2#A1B2C2D20.0277
    3#A1B3C3D30.0319
    4#A2B1C2D30.0248
    5#A2B2C3D10.0296
    6#A2B3C1D20.0291
    7#A3B1C3D20.0173
    8#A3B2C1D30.0259
    9#A3B3C2D10.0251
    0.07210.05460.06750.0672T=0.2239
    $\mu = \dfrac{T}{9} = 0.024\;9$
    0.08350.08320.07760.0741
    0.06830.08610.07880.0862
    Ⅰ/30.02400.01820.02250.0224
    Ⅱ/30.02780.02770.02590.0247
    Ⅲ/30.02280.02870.02630.0287
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    表  8  数据偏离值

    Table  8.   Data deviation values

    钢液高度A1号氩气口流量B2号氩气口流量C
    Ⅰ/3−$\mu $−0.0009−0.0067−0.0024
    Ⅱ/3−$\mu $0.00290.00280.001
    Ⅲ/3−$\mu $−0.00210.00380.0014
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  • 收稿日期:  2019-12-09
  • 刊出日期:  2021-08-10

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