przepływ stali w kadzi pośredniej stosowanej do odlewania

Prace IMŻ 3 (2010)
18
Adam CWUDZIŃSKI
Politechnika Częstochowska, Katedra Ekstrakcji i Recyrkulacji Metali
PRZEPŁYW STALI W KADZI POŚREDNIEJ
STOSOWANEJ DO ODLEWANIA WLEWKÓW PŁASKICH
I KWADRATOWYCH
Artykuł przedstawia wyniki symulacji przepływu ciekłej stali w dwóch kadziach pośrednich typu klinowego stosowanych do odlewania wlewków ciągłych płaskich i kwadratowych. Symulacja numeryczna przepływu stali została
wykonana przy pomocy komercyjnego programu komputerowego Fluent®. W obu kadziach pośrednich w strefie zalewania zainstalowano urządzenie sterujące przepływem. Do modyfikacji przepływu stali w kadzi zaprojektowano
podstrumieniowy regulator turbulencji. W wyniku obliczeń numerycznych otrzymano pola przepływu oraz krzywe
czasu przebywania typu (E). Na podstawie krzywych RTD (E) wyliczono udziały procentowe przepływu stagnacyjnego,
tłokowego i idealnego mieszania. Symulacje komputerowe umożliwiły ocenę zaprojektowanego podstrumieniowego
regulatora turbulencji i jego wpływ na pracę kadzi pośrednich.
Słowa kluczowe: kadź pośrednia, podstrumieniowy regulator turbulencji, symulacja numeryczna, przepływ stali,
krzywa RTD
LIQUID STEEL FLOW THROUGH THE TUNDISH USING
TO CONTINUOUS CASTING SLABS AND BLOOMS
The paper presents results of liquid steel flow simulation through two wedge-type tundishes. The tundishes are used
to continuous casting slabs and blooms. Commercial computer program Fluent® was used to numerical simulation
of steel flow. In the both tundishes in pouring zone flow control device was installed. To modification of liquid steel
flow in the tundish subflux turbulence controller was designed. As a results of numerical calculation fields of steel
flow and curve of residence time type of (E) has been obtained. On the basis of RTD type (E) percentage contribution
of stagnant, plug and ideal mixing flow has been calculated. Computer simulations make possible estimation of new
subflux turbulence controller and its influence on tundishes work.
Key words: tundish, subflux turbulence controller, numerical modeling, steel flow, RTD curve
1. WSTĘP
Proces ciągłego odlewania stali jest najczęściej stosowaną technologią otrzymywania półwyrobu stalowego
w większości stalowni na świecie. Stąd badania związane z optymalizacją procesu COS stanowią przedmiot
doświadczeń wielu ośrodków naukowych. W rezultacie
otrzymuje się wymierne korzyści w postaci poprawy
jakości odlewanych wlewków ciągłych, wzrostu uzysku stali i zmniejszenia kosztów związanych z produkcją. Odlewanie stali sposobem ciągłym odbywa
się przez doprowadzenie ciekłej stali za pomocą kadzi pośredniej do jednego lub kilku krystalizatorów
urządzenia COS i chłodzeniu ciekłej stali do momentu uzyskania w pełni zakrzepniętego i uformowanego
wlewka stalowego. Przepływ ciekłej stali w objętości
roboczej kadzi pośredniej powinien być regulowany.
W tym celu stosowane są urządzenia sterujące przepływem (USP). Dobór zabudowy kadzi pośredniej urządzeniami sterującymi przepływem powinien być poprzedzony badaniami wykonanymi przy zastosowaniu
modeli fizycznych lub matematycznych [1]. Taka analiza stanu kadzi zarówno przed jak i po modernizacji
przestrzeni roboczej umożliwia wybór najlepszego rozwiązania dla rozpatrywanego obiektu. Najczęściej typ,
rozmiar i miejsce montażu USP dobierane jest indywidualnie do danej kadzi pośredniej. Jest to podyktowane
tym, że w procesie COS stosuje się różne typy kadzi
pośrednich cechujące się indywidualną geometrią, tonażem oraz ilością otworów wylewowych [2–4]. Wszystkie te cechy mają istotny wpływ na kształtowanie się
warunków hydrodynamicznych przekładając się na
indywidualny dla każdego typu kadzi pośredniej obraz
pola przepływu, rozkładu temperatury i zachowania
się wtrąceń niemetalicznych [2–4]. Na warunki hydrodynamiczne występujące w przestrzeni roboczej kadzi
ma wpływ także ilość stali przebywającej w objętości
kadzi [5, 6] i prędkość odlewania wlewków ciągłych [7,
8]. W pracy [7] autorzy wykazali, że zmniejszenie prędkości odlewania powoduje wzrost udziału procentowego
przepływu stagnacyjnego. Natomiast w pracach [8] opisano wpływ prędkości odlewania na kształtowanie się
pól przepływu, temperatury stali i bezwymiarowej liczby wyporu, której wartość jest ściśle powiązana z prędkością przepływu stali i gradientami temperatury. Na
rynku materiałów ogniotrwałych dostępnych jest szereg USP, dlatego niezwykle ważne jest, aby modernizacja przestrzeni kadzi pośredniej była oparta na wstępnych badaniach modelowych. Należy także pamiętać,
że nie tylko wybór samego urządzenia, ale także dobór
Prace IMŻ 3 (2010)
Przepływ stali w kadzi pośredniej...
miejsca montażu USP będzie mieć wpływ na warunki hydrodynamiczne w kadzi pośredniej. Najlepszym
rozwiązaniem byłoby zaprojektowanie i wykonanie
takiego USP, które można by stosować alternatywnie
w różnego typu kadziach pośrednich. Niniejsza praca
pokazuje wyniki symulacji numerycznej przepływu
stali w dwóch kadziach pośrednich, w których zastosowano to samo USP. Badania symulacyjne wykonano
przy pomocy programu komputerowego Fluent®.
19
Do przebudowy kadzi pośrednich zastosowano USP
typu podstrumieniowy regulator turbulencji. W tym
celu zaprojektowano regulator o wymiarach zewnętrznych 500 × 500 × 200 mm przedstawiony na rysunku 2.
2. BADANY OBIEKT I METODYKA BADAŃ
Badanymi obiektami były kadzie pośrednie, które
szczegółowo opisano w pracach [9, 10]. Obie kadzie
można stosować alternatywnie w zależności od rodzaju
odlewanych wlewków ciągłych w urządzeniu do ciągłego odlewania stali typu kombi. Kadzie pośrednie mają
tę samą geometrię i tonaż. Różnica dotyczy ilości otworów wylewowych, bowiem w kadzi przeznaczonej do
procesu odlewania wlewków płaskich jest jeden otwór
wylewowy a nad nim zamontowany jest zatyczkowy
system regulacji dopływu stali do krystalizatora, natomiast w kadzi pośredniej przeznaczonej do procesu
odlewania wlewków kwadratowych wykonane są trzy
otwory wylewowe wyposażone w suwakowy system
regulacji dopływu stali do krystalizatorów. W obu kadziach instalowana jest przegroda przy czym w kadzi
pośredniej jednowylewowej dodatkowo przegroda jest
wyposażona w dwa okna przelewowe [9, 10]. Stal wpływa do kadzi pośrednich przez ceramiczną rurę osłonową. Przestrzenne szkice analizowanych kadzi pośrednich przedstawiono na rysunku 1. Kadzie pośrednie
przedstawione na rysunku 1 zostały poddane modyfikacji poprzez umieszczenie w ich przestrzeni roboczej
USP.
a)
b)
Rys. 1. Kadź pośrednia typu klinowego: a) kadź pośrednia
przeznaczona do odlewania wlewków płaskich, b) kadź
pośrednia przeznaczona do odlewania wlewków kwadratowych
Fig. 1. Wedge-type tundish: a) tundish using to continuous casting slabs, b) tundish using to continuous casting
blooms
Rys. 2. Urządzenie sterujące przepływem typu podstrumieniowy regulator turbulencji
Fig. 2. Flow control device type of subflux turbulence controller
Podstrumieniowy regulator turbulencji jest urządzeniem, którego zadaniem jest tłumienie burzliwości
przepływu stali w strefie zalewania kadzi pośredniej
oraz uspokojenie przepływu w objętości roboczej kadzi.
Regulator wpływa także korzystnie na homogenizację
chemiczną i termiczną ciekłej stali. Urządzenie typu
regulator turbulencji jest zawsze montowane w strefie
zalewania kadzi pośredniej w osi strumienia zasilającego wypływającego z kadzi stalowniczej.
Modele wirtualne kadzi pośrednich z nowo zaprojektowanym wyposażeniem wykonano w programie Gambit a obliczenia komputerowe zrealizowano przy pomocy
komercyjnego programu Ansys-Fluent 6.3®. Wirtualne
modele kadzi pośredniej zbudowano z elementów czworościennych. Ogół elementów tworzących model liczył
390000 i 430000 komórek odpowiednio dla kadzi trójwylewowej i jednowylewowej. Maksymalny kąt skośności pomiędzy poszczególnymi komórkami wyniósł 0,87,
co świadczy o prawidłowym doborze siatki obliczeniowej
dla rozpatrywanego obiektu metalurgicznego. Model
matematyczny i warunki brzegowe zastosowane do obliczeń komputerowych szczegółowo opisano w pracy [11].
Warunki początkowe odzwierciedlające rzeczywisty
proces odlewania stali zaimplementowane do wirtualnych modeli rozpatrywanych kadzi pośrednich opisano
w pracach [9, 10]. W przypadku kadzi pośredniej jednowylewowej symulowano odlewanie wlewka płaskiego prostokątnego o wymiarach 1500 × 225 mm
z prędkością 0,9 m/min, natomiast symulacja dla kadzi
trójwylewowej dotyczyła odlewania trzech wlewków
kwadratowych o wymiarach 280 × 280 mm odlewanych z prędkością 0,75 m/min. Symulacje numeryczne
wykonano solwerem sekwencyjnym drugiego rzędu,
który rozwiązuje oddzielnie równania matematyczne
tworzące model numeryczny. Poziom residuów zbieżności rozwiązania poszczególnych równań modelu był
na poziomie przynajmniej 10-3 i dla prezentowanych
wyników zawierał się w przedziale od 10-3 do 10-8. Do
oceny hydrodynamiki przepływu badanego obiektu
użyto krzywej RTD opisującej w sposób makroskopowy
charakter przepływu w objętości roboczej kadzi pośred-
Adam Cwudziński
20
niej. Wyróżnia się trzy rodzaje przepływów: przepływ
stagnacyjny, w którym ruch kapeli jest znikomy, przepływ tłokowy, gdzie metal porusza się w sposób ustabilizowany i przepływ intensywnego mieszania, podczas którego przepływ jest często burzliwy i następuje
całkowite wymieszanie się płynu. Dla ilościowej oceny
poszczególnych charakterystyk, a w szczególności dla
określenia wielkości udziałów poszczególnych typów
przepływu w badanych wariantach kadzi skorzystano
ze wzorów (1)–(5) [12]:
Qa
i
Q c
(1)
imax + imin
2
(2)
Vstagnacyjny = 1 Vtlokowy =
Vmieszania = 1 - Vstagnacyjny - Vtlokowy
Prace IMŻ 3 (2010)
a)
b)
(3)
gdzie:
Vstagnacyjny
Vtłokowy
Vmieszania
Q
– objętość przepływu stagnacyjnego,
– objętość przepływu tłokowego,
– objętość przepływu mieszania,
– natężenie objętościowe przepływu stali
przez kadź,
Qa – natężenie objętościowe przepływu stali
przez obszar aktywny w kadzi
2
Qa
Ci Di
=
Q
i=0
/
(4)
ic – bezwymiarowy średni czas przebywania
do θ = 2,
2
/C i
i i
ic =
i=0
2
Rys. 3. Linie prądu charakteryzujące główne kierunki przepływu stali: a) kadź pośrednia jednowylewowa, b) kadź pośrednia trójwylewowa
Fig. 3. Path lines characterize main directions of steel flow:
a) one-outlet tundish, b) three-outlets tundish
a)
(5)
/C
i
i=0
imax, imin – odpowiadają wartościom czasu bezwymiarowego przy pojawieniu się minimalnego stężenia znacznika oraz przy osiągnięciu szczytowej wartości stężenia na
krzywej RTD,
Ci – stężenie bezwymiarowe
b)
3. WYNIKI OBLICZEŃ
W wyniku przeprowadzonych obliczeń numerycznych dla rozpatrywanych kadzi pośrednich uzyskano
pola prędkości przepływu stali i krzywe RTD (E). Na
rysunku 3 zaprezentowano linie przepływu stali w zmodernizowanych kadziach pośrednich. W obu kadziach
pośrednich zamontowano podstrumieniowy regulator
turbulencji, który spowodował skierowanie strumienia
zasilającego kadź w kierunku powierzchni swobodnej
stali i do strefy opróżniania kadzi pośredniej.
Na rysunku 4 przedstawiono pole prędkości stali na
płaszczyźnie przebiegającej przez wlew i wylew kadzi
pośredniej. Podstrumieniowy regulator turbulencji powoduje wyhamowanie strumienia zasilającego i spadek
intensywności przepływu stali w przestrzeni roboczej
kadzi pośredniej. W przypadku odlewania wlewków
kwadratowych, które są odlewane z mniejszą prędkością niż wlewki płaskie widać, że w obszarze roboczym
kadzi pośredniej trójwylewowej (rys. 4b) prędkość przepływu stali jest zdecydowanie mniejsza niż, w kadzi pośredniej jednowylewowej (rys. 4a).
Rys. 4. Pole przepływu stali na płaszczyźnie wzdłużnej
przecinającej strefę zalewania stali do kadzi i wypływania
stali z kadzi: a) kadź pośrednia jednowylewowa, b) kadź
pośrednia trójwylewowa
Fig. 4. Field of steel flow on the longitudinal plane cross by
pouring zone of tundish and steel outflow zone of tundish:
a) one-outlet tundish, b) three-outlets tundish
W obu kadziach pośrednich w strefie zalewania podstrumieniowy regulator wpływa podobnie na charakter przepływu stali (rys. 5). Jest to związane z tym, że
w tej strefie strumień cechuje się znaczną intensywnością przepływu, a o kierunku przepływu stali decydują
siły konwekcji wymuszonej i zamontowane urządzenie
sterujące przepływem. Wypływający z PRT strumień
stali w kierunku przestrzeni roboczej kadzi pośredniej
jest zdecydowanie wytłumiony odznaczając się mniejszymi wartościami prędkości przepływu, co zmniejsza
ryzyko wypłukiwania wyłożenia ogniotrwałego w kadzi
pośredniej.
Prace IMŻ 3 (2010)
Przepływ stali w kadzi pośredniej...
a)
b)
21
które powodują, że wpływ sił naturalnej konwekcji na
strukturę ruchu stali jest silniejszy, co dodatkowo modyfikuje ruch stali.
Na rysunku 7 pokazano krzywe RTD (E) dla analizowanych obiektów. W kadzi pośredniej jednowylewowej
(rys.7a) pik krzywej jest bardziej odsunięty od osi rzędnych niż w kadzi pośredniej trójwylewowej (rys. 7b),
co świadczy o większym udziale przepływu tłokowego
w kadzi stosowanej do odlewania wlewków płaskich.
Zauważona różnica w rejonie otworów wylewowych
(rys. 6b) w strukturze przepływu stali dla skrajnych
otworów wylewowych ma swoje potwierdzenie w przebiegu krzywych RTD dla wylewów numer 1 i 3. Przebieg krzywej RTD dla otworu wylewowego numer 1
(czarna linia ciągła, rys. 7b) jest inny niż krzywej RTD
dla otworu wylewowego numer 3 (jasno-szara linia ciągła, rys. 7b), bowiem pik krzywej RTD dla wylewu nr 1
jest położony wyżej na osi rzędnych a sam przebieg tej
krzywej jest bardziej łagodny.
a)
Rys. 5. Pole przepływu stali w strefie zalewania kadzi pośredniej: a) kadź pośrednia jednowylewowa, b) kadź pośrednia trójwylewowa
Fig. 5. Field of steel flow on the pouring zone of tundish:
a) one-outlet tundish, b) three-outlets tundish
W strefie opróżniania kadzi pośredniej stal opada
w kierunku strefy systemu zatyczkowego (rys. 6a)
i otworów wylewowych (rys. 6b). W kadzi pośredniej
jednowylewowej w strefie systemu zatyczkowego stal
rozpływa się symetrycznie względem otworu wylewowego. Natomiast w strefie wylewów w kadzi pośredniej
trójwylewowej przepływ stali jest zróżnicowany, bowiem można zauważyć odmienny charakter przepływu
stali w rejonie skrajnych otworów wylewowych. Jest
to związane głównie z mniejszą prędkością przepływu
stali i gradientami temperatury w kadzi trójwylewowej
b)
a)
Rys. 7. Krzywe czasu przebywania stali dla rozpatrywanych kadzi pośrednich: a) kadź pośrednia jednowylewowa,
b) kadź pośrednia trójwylewowa
b)
Rys. 6. Pole przepływu stali w strefie wylewów kadzi pośredniej: a) kadź pośrednia jednowylewowa, b) kadź pośrednia trójwylewowa
Fig. 6. Field of steel flow on the tundish outlets: a) oneoutlet tundish, b) three-outlets tundish
Fig. 7.Residence time distribution of steel for the consider
tundishes: a) one-outlet tundish, b) three-outlets tundish
Dla szczegółowego oszacowania struktury przepływu stali w obu kadziach pośrednich wyliczono udziały
procentowe przepływu stagnacyjnego, tłokowego i idealnego mieszania. Wyposażenie kadzi jednowylewowej
w podstrumieniowy regulator turbulencji spowodowało poprawę warunków hydrodynamicznych, bowiem
uzyskano wzrost udziału procentowego przepływu
tłokowego o ponad 5%. Natomiast w przypadku kadzi
pośredniej trójwylewowej uzyskano niewielki wzrost
udziału procentowego przepływu tłokowego i zdecydo-
Prace IMŻ 3 (2010)
Adam Cwudziński
22
Tablica 1. Charakterystyki przepływu stali dla rozpatrywanych kadzi pośrednich
Table 1. Steel flow characteristics for the consider tundishes
Udział %
Typ kadzi pośredniej
jednowylewowa
trójwylewowa
Numer wylewu
Przepływ stagnacyjny
Przepływ tłokowy
Przepływ
idealnego mieszania
1
33,4
13,8
52,8
1
41,9
9,47
48,6
2
39,6
10,06
50,3
3
40,3
9,5
50,2
wany wzrost udziału procentowego przepływu stagnacyjnego o 6%, co wiąże się z pogorszeniem warunków
hydrodynamicznych w tej kadzi. Przeprowadzona analiza ilościowa dotycząca struktury przepływu dla kadzi
trójwylewowej pokazuje, że zauważona na rysunku 6b
niejednorodność w strukturze przepływu stali zwłaszcza w rejonie skrajnych otworów wylewowych jest na
tyle mała, że nie powinna wpływać na jakość odlewanych wlewków ciągłych na poszczególnych żyłach urządzenia COS.
4. PODSUMOWANIE
Wykonanie badań modelowych opartych na modelach matematycznych rozwiązywanych metodami numerycznymi pozwala na opracowanie szczegółowych
charakterystyk pracy urządzenia typu kadź pośrednia.
Przeprowadzone badania symulacyjne pokazały, że
zaprojektowany USP wpływa odmiennie na struktu-
rę przepływu w analizowanych kadziach pośrednich.
Bowiem w przypadku kadzi pośredniej trójwylewowej
stosowanej do odlewania wlewków kwadratowych zaprojektowany PRT pogorszył warunki przepływowe
wskutek wzrostu zakresu strefy przepływu stagnacyjnego. Wzrost zakresu strefy przepływu stagnacyjnego
w kadzi pośredniej trójwylewowej, wskazuje że USP
typu podstrumieniowy regulator turbulencji nie jest
odpowiednim urządzeniem do modyfikacji przepływu
stali w tej kadzi lub powinien być dodatkowo wsparty
przez inne USP np. przegrodę. Przeprowadzone badania dowodzą, że na oddziaływanie USP na ruch przepływającej przez kadź stali ma wpływ nie tylko miejsce
montażu USP i jego geometria, ale także prędkość odlewania wlewków ciągłych. Tak więc podczas doboru
USP do danego typu kadzi pośredniej należy brać pod
uwagę także parametry technologiczne procesu COS,
które zależą od wymiaru i kształtu odlewanego wlewka
ciągłego oraz rodzaju odlewanego gatunku stali.
LITERATURA
1. Merder T., Pieprzyca J., Kudliński Z., Bulkowski L., Galisz U.,
Kania H.: Modelowanie przepływu stali w kadzi pośredniej
urządzenia COS w stalowni Baildon Gonar-Bis sp. z o.o., Hutnik – Wiadomości Hutnicze, 2009, t. 76, nr 3, s. 178-184.
2. Joo S., Guthrie R.I.L.: Inclusion Behavior and Heat-Transfer Phenomena in Steelmaking Tundish Operations: Part
I. Aqueous Modeling, Metall. Mater. Trans. B, 1993, t. 24,
s. 755-765.
3. Joo S., Han J.W., Guthrie R.I.L.: Inclusion Behavior and HeatTransfer Phenomena in Steelmaking Tundish Operations:
Part II. Mathematical Model for Liquid Steel in Tundish, Metall. Mater. Trans. B, 1993, t. 24, s. 767-777.
4. Joo S., Han J.W., Guthrie R.I.L.: Inclusion Behavior and HeatTransfer Phenomena in Steelmaking Tundish Operations:
Part III. Applications – Computational Approach to Tundish
Design, Metall. Mater. Trans. B, 1993, t. 24, s. 779-788.
5. Palafox-Ramos J., Barreto J. de J., Lopez-Ramirtez S., Morales R.D.: Melt flow optimization using turbulence inhibitors in large volume tundishes, Ironmaking and Steelmaking,
2001, t. 28, nr 2, s. 101-109.
6. Solorio-Diaz G., Ramos-Banderas A., Barreto J. de J., Morales
R.D.: Water Modeling of fluid Dynamics of Votex Formation
in a Tundish During Steady and Unsteady State Operations,
AISTech 2006 Proceedings, 2006, t. I, s. 977-984.
7. Lopez-Ramirez S., Palafox-Ramos J., Morales R.D., BarronMeza M.A., Velazquez-Toledo M.: Effect of tundish size,
tundish design and casting flow rate on fluid flow phenomena
of liquid steel, Steel Res., 1998, t. 69, nr 10-11, s. 423-428.
8. Morales R. D., Barreto J. de J., Lopez-Ramirez S., PalafoxRamos J., Diaz-Cruz M.: Mathematical simulation of the influence of buoyancy forces on molten steel flow in a continuous
casting tundish, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 2000, t. 8,
s. 781-801.
9. Cwudziński A.: Regulacja przepływu stali w kadzi pośredniej
do odlewania wlewków płaskich, Praca doktorska, Politechnika Częstochowska, Częstochowa, 2008.
10. Cwudziński A., Jowsa J.: Numerical simulation steel flow and
behaviour of non-metallic inclusions in the tundish with three
outlets, XVIII International Scientific Conference Iron and
Steelmaking, 2008, t. II, s. 160-163.
11. Cwudziński A., Jowsa J.: Numerical Analysis of Steel Flow
in the Six-strand Tundish with Sublux Controller of Turbulence, Archives of Metallurgy and Materials, 2008, t. 53, nr 3,
s. 749-760.
12. Sahai Y., Emi T.: Tundish technology for clean steel production, World Scientific, 2008.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Jan Buzek