CN111383718B - 一种基于Fluent软件确定中间包等离子加热较优位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Fluent软件确定中间包等离子加热较优位置的方法，本发明是采用Fluent软件进行中间包等离子加热最优位置研究，得到适合某中间包等离子加热的较优位置。对不同加热位置进行对比，得到的温度场、流迹线图的数据形象直观，能够较好的反应不同加热位置下的中间包等离子加热的效果，最优加热位置下计算得到的中间包内的整体温度场更均匀。

Description

一种基于Fluent软件确定中间包等离子加热较优位置的方法

技术领域

本发明涉及一种基于Fluent软件确定中间包等离子加热较优位置的方法，属于冶金行业连铸生产技术领域。

背景技术

在连铸过程中，钢水在中间包中会存在不同程度的热损失，特别是在浇注初期、钢包交换和浇注末期等时期，存在较大的温降，中间包内的钢液温度很难控制在目标温度值附近。在浇注初期没有温度补偿措施的条件下，中间包出钢口温度降低速率大约为0.33℃/min，呈指数下降趋势，时间越长，温降速度越快，温度过低使钢液的流动性变差，容易堵塞水口。为了实现连铸过程中恒温浇注，对中间包内的钢水采用等离子技术进行加热，是当前在开发的新技术。

中间包等离子加热能量集中，温度高，而且能够调节加热功率，实现温度的精确控制，常用的等离子气体为氮气、氩气等，在钢液面处形成一个清洁的环境，对钢液没有污染。加热系统能够单独安装在中间包上，操作性和维护性较好。

中间包等离子加热技术能够快速对钢液进行温度补偿，减少中间包温降，但是不同的中间包等离子加热位置能够影响等离子加热效率，影响中间包内钢液温度场和流场。合理的加热位置能够得到较均匀的温度场，有效减少中间包钢水温降，能够在短时间提高中间包内钢液整体温度。

综上所述，在中间包安装等离子加热前，首先需要进行模拟来确定最优加热位置。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于Fluent软件确定中间包等离子加热较优位置的方法，该技术方案解决现有中间包等离子加热装置由于加热位置不合适，导致中间包内温度分布差异大，热传递效果差，整体加热效果不明显的问题。因此基于此问题，需要在安装前确定加热位置，对不同加热位置的加热效果进行对比，提出一种基于Fluent软件的中间包等离子较优加热位置的确定方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于Fluent软件的确定中间包等离子加热最优加热位置的方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、根据中间包原型尺寸，内部控流装置位置及尺寸，等离子加热弧长，加热时间以及加热功率等实际情况设置中间包等离子加热的物理模型参数。

步骤二、采用1:1的缩放比例建立中间包等离子加热过程的物理几何模型。根据所模拟几合体结构形状，采用六面体网格划分整个流体域。为了获得中间包冶金过程中的入口、出口与等离子加热热源附近的准确信息，对这些区域的网格进行加密处理，以保证计算过程的准确性。通过软件划分模型网格的加密区域，网格单元数量在40万个左右。

采用全局网格控制，全局网格控制参数0.045，对网格整体大小进行限制，在保证计算精度的同时，控制网格数量在可计算范围内。生成网格后，对部分网格质量进行微调，提高网格整体质量与夹角，保证计算收敛性的同时，减少计算的时间，提高模拟效率。

步骤三、打开Fluent软件，导入步骤二中输出的mesh文件，检查网格质量。

步骤四、选择适合的模拟模型，选用能量模型，湍流模型中的标准k-e模型和多相流模型中的VOF模型。

步骤五、设置以上模型为瞬态求解。

步骤六、设置材料属性，包括密度、粘度、热导率、热容等参数。

步骤七、多相流的确定：钢液为液相，氩气模拟等离子体为气相。

步骤八、设置边界条件：选取入口和出口的边界条件，通过流量的计算设置边界条件的速度大小，中间包四壁采用壁面条件，将等离子加热弧作为热源考虑。

步骤九、求解方法的选择：采用瞬态模拟，压力和速度采用PISO算法耦合，压力采用PRESTO！方法进行离散，体积分数采用Geo-Reconstruct进行离散，其余变量采用一阶迎风格式离散，动量守恒以及能量守恒方程采用二阶迎风格式进行离散以保证计算精度，其余变量采用一阶迎风格式进行离散，残差除能量取10⁻⁸外，其他均为10⁻⁵以保证精确度以及收敛程度。

步骤十、设置加热位置，初始化边界条件并设置迭代参数，进行计算。

步骤十一、计算结束提取结果，利用Tecplot软件处理计算结果，得到温度云图，流迹线图，并对其进行分析。

步骤十二、改变加热位置，重复步骤第十和十一。

步骤十三、在完成所有加热位置的模拟后，比较各种加热位置对应的中间包出钢口温度，以温度高的为好；比较各种加热位置的温度云图，以温度分布较均匀的为好；比较各种加热位置的流迹线图，以没有短路流为好。综合比较后，得到中间包等离子较优加热位置。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，本发明是采用Fluent软件进行中间包等离子加热最优位置研究，得到适合某中间包等离子加热的较优位置。对不同加热位置进行对比，得到的温度场、流迹线图的数据形象直观，能够较好的反应不同加热位置下的中间包等离子加热的效果，最优加热位置下计算得到的中间包内的整体温度场更均匀。该方法与现场实验法相比而言，科学可靠，简单方便，可操作性强，节约前期实验成本。否则，如果直接在现场安装的加热位置不合适，将导致能源效率降低，运行的经济性低下；如果再改造，将产生巨大的改造费用。

附图说明

图1为本发明设计的模拟方法的流程图；

图2为本发明设计的中间包等离子加热模型(a为加热位置在挡墙内模型，b为加热位置在挡墙外模型)；

图3 中间包尺寸示意图；

图4为本发明涉及的网格划分示意图；

图5为本发明涉及的加热位置在挡墙内侧的温度场分布示意图；

图6为本发明涉及的加热位置在挡墙外侧的温度场分布示意图；

图7为本发明涉及的加热位置在挡墙内侧的流迹线图；

图8为本发明涉及的加热位置在挡墙外侧的流迹线图；

图9为无等离子加热、挡墙内外侧加热出钢口温度随浇注时间的变化曲线。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1-图9,本实施例是基于Fluent软件确定中间包等离子加热较优位置，本实施例采用一种带有挡墙的连铸中间包，所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际工况，建立中间包等离子加热几何模型，加热弧长设置为440mm，如图2（a）、（b）所示；确定内部控流装置的位置，如图3所示。

步骤二：对步骤一所建立的几何模型进行网格划分，如图4所示，网格数量在40万左右，输出网格文件。

步骤三：将步骤二建立的网格文件导入Fluent，检查网格质量，网格整体质量在0.65以上，整体质量较好，确认负网格出现。

步骤四：选择合适的模拟模型：选用多相流模型中的VOF模型，选用能量模型、湍流模型中的标准k-e模型。

步骤五：设置以上模型为瞬态求解。

步骤六：设置材料属性：设置钢液与氩气的具体材料物性参数。钢液的密度设置为8523-0.8358T(kg·m^-3)，黏度为0.0061(kg·m^-1·s^-1)，热导率为41(kg·m^-1·k^-1)，比热750(J∙kg^-1∙k^-1)；氩气的密度为1.6228(kg·m^-3)，黏度为0.0000212(kg·m^-1·s^-1)，热导率为0.0158(kg·m^-1·k^-1)，比热为520.64(J∙kg^-1∙k^-1)。

步骤七：多相流的确定，将氩气设置为气相，钢液设置为液相。

步骤八：边界条件的设置，边界条件设定为：中包入水口设为速度入口，速度大小根据中间包流量进行计算，总出水口流量范围是0.2352-0.705(m³/min)设置入口钢液速度为0.6161m/s。 为保持钢液面稳定以及中间包内物质的守恒，中间包出水口采用同样的出口条件，保证两出水口与入水口两者之间的流量一致，出口钢液速度为0.4436m/s。中包四周壁面散热采用由经验公式得来的第二类边界条件，其中中包上部直接与大气接触，热损较大，设置为-15000w/m²，其余壁面皆有耐火材料进行保温，底面热损-1800 w/m²，窄面热损失为-4000 w/m²，宽面热损失-4600 w/m²。等离子弧加热取500kw功率，加热效率取60%，弧柱处热流密度取2894678 w/m²。钢水初始温度1833K。入水口直径90mm，出水口直径75mm。

步骤九：求解方法的选择：采用瞬态模拟，压力和速度采用PISO算法耦合，压力采用PRESTO！方法进行离散，体积分数采用Geo-Reconstruct进行离散，其余变量采用一阶迎风格式离散。

步骤十：首先将加热位置设置在控流挡墙的内侧，初始化边界条件并设置迭代参数，加热时间设置为10min，进行计算。

步骤十一：计算结束，进行后处理导出计算结果，得到温度场分布，如图5所示；流动迹线，如图7所示。

步骤十二：改变加热位置，将加热位置设置在控流挡墙的外侧。再次初始化边界条件并设置迭代参数，进行计算。计算结束，进行后处理导出计算结果，得到温度场分布，如图6所示；流动迹线，如图8所示。

以上为示例的两个加热位置，还可以继续任意设置其它可能的加热位置。

根据上述步骤，将计算结果导出到Tecplot软件中，得到挡墙内外两种加热位置的中间包温度场分布。温度场分布图能够体现不同加热位置时中间包内各处钢液温度的变化，通过各处的温度变化也能反应出中间包整体钢液温度场的均匀性。处理得到的温度云图要求温度整体均匀以及有明显的上升。从图5和图6的比较可见，当在中间包挡墙内侧进行等离子加热时，中间包内钢液整体温度上升，温度分布更均匀，传热效果更好，对钢液的加热效果更明显。当在中间包挡墙外侧进行等离子加热时，挡墙内外两侧温差较大，热量容易聚集在等离子加热处，热量未能有效传递，造成中包内整体温度不均，加热效果较差。

比较两种加热位置的流迹线图，图7和图8，通过箭头的走向，可以看出，当在挡墙内加热时，钢液经过挡坝没有直接流向出口，而是在经过挡墙之后，钢液流向钢液面附近，然后再沿壁面流向出口。这样的流动轨迹使挡墙内等离子加热产生的热量，能够有效的传递给挡墙外的钢液，流场的作用能够加快钢液之间的对流传热，有利于提高中间包内钢液的温度以及温度的整体均匀性。当在挡墙外加热时，由于被加热后的钢水密度变小，挡墙内的钢液越过挡坝向上运动的驱动力相对较小，在图中也可以看到钢液越过挡坝并没有明显流向钢液面的趋势，这样会造成挡墙内外钢液之间的对流传热效果较差，挡墙外部的热量不能有效传热，造成热量浪费，导致等离子加热效果差。

就以上两个加热位置，以及不加热的工况，可以通过后处理进一步导出中间包出水口温度随时间变化的曲线，如图9所示。可以看出，等离子中间包加热能够有效提高出口钢水温度，而且挡墙内侧加热时，与无等离子加热以及在挡墙外侧加热相比，相同时刻温度上升幅度最大并能在短时间能够保持较高的温度。

通过以上结果分析，可以得到中间包等离子较优加热位置，为挡墙内部加热。

根据以上步骤，得到中间包等离子加热模型较优结果，设计出中间包等离子加热较优加热位置。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于Fluent软件确定中间包等离子加热较优位置的方法，其特征在于，

步骤一、根据中间包原型尺寸，内部控流装置位置及尺寸，等离子加热弧长，加热时间以及加热功率等实际情况设置中间包等离子加热的物理模型参数；

步骤二、采用1:1的缩放比例建立中间包等离子加热过程的物理几何模型；

步骤三、打开Fluent软件，导入步骤二中输出的mesh文件，检查网格质量；

步骤四、选择适合的模拟模型，选用能量模型，湍流模型中的标准k-e模型和多相流模型中的VOF模型；

步骤五、设置以上模型为瞬态求解；

步骤六、设置材料属性，包括密度、粘度、热导率、热容的参数；

步骤七、多相流的确定：钢液为液相，氩气模拟等离子体为气相；

步骤八、设置边界条件：

步骤九、求解方法的选择：

步骤十、设置加热位置，初始化边界条件并设置迭代参数，进行计算；

步骤十一、计算结束提取结果，

步骤十二、改变加热位置，重复步骤第十和十一；

步骤十三、在完成所有加热位置的模拟后，比较各种加热位置对应的中间包出钢口温度，以温度高的为好；比较各种加热位置的温度云图，以温度分布较均匀的为好；比较各种加热位置的流迹线图，以没有短路流为好，综合比较后，得到中间包等离子较优加热位置，所述步骤二、采用1:1的缩放比例建立中间包等离子加热过程的物理几何模型；根据所模拟几合体结构形状，采用六面体网格划分整个流体域，为了获得中间包冶金过程中的入口、出口与等离子加热热源附近的准确信息，对这些区域的网格进行加密处理，以保证计算过程的准确性，通过软件划分模型网格的加密区域，网格单元数量在40万个左右；

采用全局网格控制，全局网格控制参数0.045，对网格整体大小进行限制，在保证计算精度的同时，控制网格数量在可计算范围内，生成网格后，对部分网格质量进行微调，提高网格整体质量与夹角，保证计算收敛性的同时，减少计算的时间，提高模拟效率，步骤八、设置边界条件：选取入口和出口的边界条件，通过流量的计算设置边界条件的速度大小，中间包四壁采用壁面条件，将等离子加热弧作为热源考虑，步骤九、求解方法的选择：采用瞬态模拟，压力和速度采用PISO算法耦合，压力采用PRESTO！方法进行离散，体积分数采用Geo-Reconstruct进行离散，其余变量采用一阶迎风格式离散，动量守恒以及能量守恒方程采用二阶迎风格式进行离散以保证计算精度，其余变量采用一阶迎风格式进行离散，残差除能量取10^-8外，其他均为10^-5以保证精确度以及收敛程度，步骤十一、计算结束提取结果，利用Tecplot软件处理计算结果，得到温度云图，流迹线图，并对其进行分析。