Компьютерный анализ потоков стали в кристаллизаторах ручьёв 3 и 4 УНРС-2

О проекте

  • Компьютерный анализ потоков стали в кристаллизаторах ручьёв 3 и 4 УНРС-2
  • ПАО «Северсталь»
  • Горнодобывающая промышленность

Компьютерный анализ потоков стали в кристаллизаторах ручьёв 3 и 4 УНРС-2

ПАО «Северсталь» – сталелитейная и горнодобывающая компания, владеющая Череповецким металлургическим комбинатом, вторым по величине сталелитейным комбинатом России. «Северсталь» – одна из самых эффективных в мире горно-металлургических компаний, создающая вместе с клиентами и партнерами новые продукты и комплексные решения из стали.

В современной системе технологий машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) промежуточный ковш рассматривается как один из важнейших элементов, который самым непосредственным образом влияет на качество заготовки.

ромежуточный ковш выполняет различные функции. Он является буферной емкостью, так как с его помощью согласовывается дискретное поступление металла из сталеразливочного ковша в промежуточный и непрерывное поступление стали из промковша в кристаллизатор. При этом обеспечиваются усреднение поступающей порции металла и предотвращение попадания шлака в кристаллизатор. Предполагается, что конструкция промежуточного ковша должна обеспечивать минимальные потери металлом тепла в течение всего цикла литья.

В настоящей работе исследуется распределение температуры и скорости по объёму кристаллизатора и промковша. В качестве инструмента для построения геометрических моделей используется программный пакет ANSYS SpaceClaim Direct Modeler, для построения сеточных моделей –ANSYS Fluent Meshing. ANSYS Fluent позволяет получить пространственную картину течения стали внутри промковша и кристаллизатора, определить возможные причины образования дефектов в стали и определить направления деятельности по снижению рисков их образования.

Для оценки поведения потоков и введения компенсирующих мероприятий специалисты компании «МЦД» выполнили численное моделирование процессов, происходящих при разливке стали из промежуточного ковша в кристаллизаторы.

Перед ними стояли следующие задачи:

  • Определить температуры стали на входах в кристаллизаторы ручьёв 3 и 4;
  • Определить распределение температур по объему кристаллизаторов и вертикальных участков ручьев;
  • Определить распределение скоростей и направлений потоков по объему кристаллизаторов и вертикальных участков ручьев.

При расчёте течения стали в промковше последовательно моделировались два случая, каждый из которых соответствовал разной ширине сляба.

Расчёт течения стали выполнялся для четырёх вариантов исходных данных, при которых рассматривались разные значения массового расхода, температуры стали (равной температуре на выпускном отверстии чётного/нечетного ручья), а также ширины кристаллизатора.

Геометрия промковша, турбостопа, подводящих о отводящих элементов строились в соответствии с данными, переданными Заказчиком. Построение геометрии выполнялось лишь для половины конструкции, так как конструкция обладает свойством зеркальной симметрии. В случае с кристаллизатором по тем же причинам построение геометрии выполнялось для четверти конструкции.

Для более высокой точности в качестве оптимальной была выбрана сеточная модель с числом элементов 2,9 млн, так как она обеспечивала точность определения искомых параметров 0,1%.

Рисунок 1. Вид сеточной модели высокого разрешения в месте установки защитной трубы для подачи стали в промежуточный ковш.
Рисунок 1. Вид сеточной модели высокого разрешения в месте установки защитной трубы для подачи стали в промежуточный ковш.
Рисунок 2. Распределение температуры стали на границе раздела сталь-шлак в промежуточном ковше при расчёте на сеточной модели высокого разрешения.
Рисунок 2. Распределение температуры стали на границе раздела сталь-шлак в промежуточном ковше при расчёте на сеточной модели высокого разрешения.
Рисунок 3. Линии тока, исходящие из защитной трубы подачи стали. Вид на турбостоп.
Рисунок 3. Линии тока, исходящие из защитной трубы подачи стали. Вид на турбостоп.

При анализе результатов расчётов течения жидкой стали в промковше было выдвинуто предположение о том, что причиной образования дефекта в слябе может служить захват шлака из области рядом с защитной трубой с его последующей транспортировкой потоком к чётному ручью. Характерные скорости вблизи шлака не превышали значения 0,2 м/c. Однако такой скорости может быть достаточно для отделения незначительной доли шлака и его транспортировки с течением к выпускному отверстию.

Рисунок 4. Распределение угла потока на изоповерхности расположенной на 10 мм ниже границы раздела шлак-сталь.
Рисунок 4. Распределение угла потока на изоповерхности расположенной на 10 мм ниже границы раздела шлак-сталь.

Крайне важно было определить, насколько сильно меняется характер течения под воздействием гравитации. Для оценки этого влияния был произведён расчёт течения с описанием гравитационных сил и без них.

В ходе моделирования было установлено, что изменение температуры стали, затекающей через выходную границу расчётной области кристаллизатора, не оказывает существенного влияния на течение вблизи погружного стакана. Однако при увеличении температуры втекающей стали меняется характер течения в центральной части кристаллизатора, вблизи выходной границы меняется скорость вблизи стенки, а затекающий поток в центре кристаллизатора меняет своё направление. Все эти факторы указывают на важность правильного определения температуры втекающей стали на выходной границе расчётной области для определения полей скорости внутри кристаллизатора и вертикального участка ручья.

По результатам расчетов было установлено, что течение в чётных и нечётных ручьях кристаллизаторов шириной 2000 мм имеет схожий характер, различия между решениями не существенны и лежат в пределах численной погрешности расчётной схемы и принятых допущений. Существенные отличия наблюдались лишь в кристаллизаторе шириной 1720 мм, в области за кристаллизатором в зоне вторичного охлаждения и вблизи стенок кристаллизатора. В этих областях, по всей видимости, значительно сказывается влияние нестационарности потока (течение сильно зависит от времени) на результаты решения. Поэтому в стационарной постановке невозможно достоверно сравнить течения между ручьями и требуется произвести дополнительные расчёты на нестационарной постановке (расчёт распределения скоростей и температур стали в различные моменты времени).

Результаты

В результате выполненных расчетов специалистами «МЦД» были определены температуры стали на входах в кристаллизаторы третьего и четвёртого ручьёв различной конфигурации (шириной 1720 мм и 2000 мм). Также определены: температура стали на входе в кристаллизатор, распределение температур и скоростей в объёме кристаллизатора и промежуточного ковша.

В ходе моделирования произведена оценка влияния настроек моделей и сеточных моделей различного разрешения на результаты расчётов пространственного течения стали в промковше и кристаллизаторе. На основании этой оценки разработана расчётная методика, позволяющая в дальнейшем производить модернизацию используемого оборудования и производить оптимизацию как режимных параметров работы, так и геометрических параметров объектов исследования.

При моделировании течения стали в промковше, как температуры, так и скорости потока практически идентичны для выпускного отверстия чётного и нечётного ручьёв. В связи с этим, сделан вывод о том, что значения этих параметров не могут являться причиной наличия дефекта лишь на одном из ручьёв.

Так как исходные параметры для кристаллизаторов, полученные из расчёта течения в промковше, являются идентичными, различия в протекающих в них процессах также не могут являться причиной наличия дефекта лишь на одном из ручьёв.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты по теме

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00