The analysis of the conditions of steel flow in the tundish performed by a numerical method

• Autorzy: Merder T. , Jowsa J. , Bogusławski A.

Warianty tytułu

PL

Analiza warunków przepływu stali w kadzi posredniej przeprowadzona metodą numeryczną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An important continuous steel casting (CSC) device is the tundish, in which a stabilized steel flow has a crucial effect on the quality and efficiency conditions of the CSC process. Steel at an appropriate temperature is poured from the main ladle to the tundish at a preset rate (speed) and then flows over this vessel and fills it up to a specified height. Next, the steel flows out through the openings in the tundish bottom to CSC mould. The aim of the study was to diagnose the current state of flow in a multi-opening tundish used in the domestic metallurgical industry for casting medium-size products. In this connection, actions were undertaken aimed at the determination of the detailed characteristics of operation of the facility. The investigation involved the numerical simulation of mass, momentum and energy transfer processes. In the considered case, the mathematical model for the flow of liquid steel includes differential equations of the continuity of flow and the conservation of momentum and energy, and equations describing the turbulence of liquid steel flow in the tundish. For modelling turbulence, the k- ε semi-empirical two-equation model with standard set of empirical model constants proposed by Jones and Launder was used. This model is commonly used in the analysis of engineering problems. The facility under consideration is a six-strand trough-type tundish of a liquid metal capacity of 22 Mg, designed for casting ingot. The tundish is symmetrical relative to the lateral plane passing through the gate; for this reason, the calculations were performed for half of the facility. In numerical calculations, two tundishes — one without a dam, and the other with two dams positioned between the gate and two middle strand openings — were taken into consideration. The calculations were carried out using FLUENT, a commercial computer program. The calculation (3D) area was discretized with a non-structural grid thickened at the tundish gate and nozzles. In the presented calculations, adaptation of the calculation grid was made using the dimensionless parameter y+. The calculations were performed either in stationary and non-stationary conditions. As a result of calculations, distributions of the fields of velocities, temperature and turbulence energy were obtained. The obtained results have provided a significant knowledge of steel casting conditions. To verify whether the tundish condition is suitable for non-metallic inclusion removal and agitation processes during the sequential casting of different steel grades, or not, residence time distribution (RTD) curves were plotted. On their basis, individual flow shares for the investigated tundish were estimated.

PL

Ważnym urządzeniem procesu ciągłego odlewania stali (COS) jest kadź pośrednia, w której ustabilizowany przepływ ma bardzo duży wpływ na warunki jakościowe i wydajnościowe tego procesu. Stal o odpowiedniej temperaturze wylewana jest z kadzi głównej do kadzi pośredniej o zadanej wydajności (prędkości), a następnie rozpływa się w tym naczyniu i wypełnia je do określonej wysokości. Po czym wylewa się otworami znajdującymi się w dnie kadzi do krystalizatorów urządzenia COS. Celem badań było zdiagnozowanie aktualnego stanu przepływu w wielootworowej kadzi pośredniej, stosowanej w hutnictwie krajowym do odlewania wyrobów średnich. W związku z tym podjęto działania zmierzające do określenia szczegółowych charakterystyk pracy obiektu. Badania polegały na numerycznej symulacji procesów transportu masy, pędu i energii. W rozważanym przypadku model matematyczny dla przepływu ciekłej stali zawiera równania różniczkowe ciągłości przepływu, zachowania pędu i energii oraz równania opisujące turbulencje ruchu ciekłej stali w kadzi. Dla modelowania turbulencji, wykorzystano semiempiryczny, dwurównaniowy model k-ε zaproponowany przez Jones’a i Laundera. Model ten jest powszechnie stosowany w analizie zagadnień inżynierskich. Rozpatrywany obiekt to sześciowylwewowa korytowa kadź pośrednia o pojemności 22 Mg ciekłej stali, do odlewania wlewków ciagłych. Kadź jest symetryczna względem płaszczyzny poprzecznej przechodzącej przez wlew, z tego względu obliczenia wykonano dla połowy obiektu. W obliczeniach numerycznych rozpatrywano dwie kadzie — bez przegrody i z dwiema przegrodami umieszczonymi między wlewem, a środkowymi otworami wylewowymi. Obliczenia przeprowadzono za pomocą komercyjnego programu komputerowego FLUENT. Obszar obliczeniowy (3D) dyskretyzowano za pomocą siatki niestrukturalnej, zagęszczanej przy wlewie i wylewach kadzi. W prezentowanych obliczeniach stosowano adaptacje siatki obliczeniowej z uwzględnieniem bezwymiarowego parametru y+. Obliczenia realizowano w warunkach ustalonych i nieustalonych. W wyniku obliczeń otrzymano rozkłady pól predkości, temperatury i energii turbulencji. Uzyskane wyniki daja istotna wiedzę o warunkach odlewania stali. Opracowano krzywe rozkładu stężeń i czasu przebywania RTD (Residence Time Distribution) dla sprawdzenia, czy stan kadzi jest odpowiedni dla usuwania wtrąceń niemetalicznych oraz mieszania w trakcie sekwencyjnego odlewania różnych gatunków stali. Na ich podstawie oszacowano udziały poszczególnych rodzajów przepływów.

Słowa kluczowe

EN

casting; continuous steel casting; tundish; steel flow

PL

odlewanie; odlewanie ciągłe stali; kadź pośrednia; przepływ stali

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 50, iss. 4
• Strony: 933--953
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Merder T.

• Katedra Ekstrakcji i Recyrkulacji, Politechnika Częstochowska, 42-200 Częstochowa, Al. Armii Krajowej 19

autor

Jowsa J.

• Instytut Maszyn Cieplnych, Politechnika Częstochowska, 42-200 Częstochowa, ul. Armii Krajowej 21

autor

Bogusławski A.

• Instytut Maszyn Cieplnych, Politechnika Częstochowska, 42-200 Częstochowa, ul. Armii Krajowej 21

Bibliografia

• [1] J. Szekely.O. J. Ilegbusi,N. El-Kaddah, PCH PhysicoChernical Hydrodynamics, 3-4, 1987, 453.
• [2] S. Joo, R. I. L. Guthrie, Metallurgical Transactions B, 24B, 1993, 755.
• [3] D. Masumdar, R. I. L. Guthrie, ISIJ International 39, 1999, 524.
• [4] J. Szekely, O.J . Ilegbusi. The physical and Mathematical Modeling of tundish operations, Springer-Verlag, New York, USA, 1989.
• [5] B. E. Launder, D. B. Spalding. Lectures in Mathematical Models of Turbulence, Academic Press, London, England, 1972.
• [6] S. Chakraborty, Y. Sahai, Metallurgical Transactions B, 2B. 1992, 153.
• [7] S. Joo, J. W. Han, R. I. L. Guthrie, Metallurgical Transactions B, 24B, 1993, 767.
• [8] LUENT User's Guide, Fluent Inc. 1998.
• [9] J. H. Ferziger, M. Peric, Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer-Verlag Berlin 1996.
• [10] S. K. Sinha, K. M. Godiwalla, D. K. Shaw. Scandinavian Journal of Metallurgy, 30, 2001, 103.
• [11] D. Mazumdar, G. Yamanoglu, R. I. L. Guthrie, Steel Research. 68, 1997.
• [12] S. Singh, S. C. Koria, ISIJ International 33, 1993, 1228.
• [13] Y Sahai, T E m i, ISIJ International 36. 1996,667.
• [14] J. Palafox-Ramos, J. D. J. Barreto, S. Lopez-Ramirez, R. D. Morales, Ironmaking and Steel making 28, 2001, 101.