Моделирование процесса окисления металла при разливке средствами программы ANSYS Fluent

Введение

Для обеспечения свойств металла, удовлетворяющих современным требованиям, необходимо получать высокую чистоту металла по оксидным неметаллическим включениям, что, в свою очередь, достигают применением глубокого раскисления металла и удержанием необходимого уровня окисленности металла на всех последующих этапах передела и разливки.

Окислительный потенциал футеровки снижают подбором наиболее термодинамически стабильных огнеупорных материалов, а также исключением возможности контакта футеровки с нераскисленными металлом и шлаком. В случае с атмосферой ситуация более сложная. Если в ковше металл от контакта с воздухом защищен шлаком, то при переливах на этапе разливки подобная защита исключена. В этой связи применяют различные технические решения, направленные на снижение интенсивности взаимодействия воздуха с металлом.

Вторичное окисление струи металла воздухом при разливке вызывает ряд нежелательных последствий, ухудшающих качестве стали и даже порой приводящих к браку. Следствием такого окисления может быть не только повышение общего содержатся кислорода в стали в результате увеличения содержания в ней оксидных включений, но и поколение дефектов слитка, среди которых наиболее часто встречаются плены на его поверхности. Они образуются вследствие попадания на внутреннюю поверхность изложницы брызг металла, которые, окисляясь воздухом, не свариваются с массой слитка, но довольно прочно врастают в его поверхность, вызывая необходимость производить очистку этой поверхности выруб кой отдельных, мест или сплошную зачистку.

В настоящей работе мы хотим продемонстрировать возможности программы ANSYS Fluent при решении задачи раскисления металла в ковше.

В ходе настоящей работы решается ряд задач:

1) Составление модели из стандартного функционала ANSYS Fluent

2) проведение показательного тестового поверочного расчета системы ковш/изложница

 

Методика расчета

Геометрические характеристики ковша, изложницы и их компоновки свободны и не связаны с реальными прототипами и промышленными образцами. Поток атмосферного воздуха подавался в расчетную область сверху, выход из расчетной области воздуха и расплава, вплеснувшегося за пределы изложницы расположен внизу.

Рисунок 1 – Схема

В начальный момент времени столб расплава покоится на дне ковша. С течением времени, расплав начинает растекаться по стенке ковша, и часть его попадает в изложницу, часть выплескивается из нее, а другая часть остается в ковше. Шлака в данной упрощенной модели нет, поэтому реакция окисления

4Fe+3O2=2Fe2O3                                                                                                               (1)

Начинается на поверхности раздела твердой и газообразной фазы. По мере изменения формы столба жидкости изменяется и профиль границы разделения фаз, вместе с ним меняется скорость реакции (поскольку площадь поверхности растет увеличивается и скорость реакции), возникают следы продуктов реакции (оксида железа), увеличивается локальная температура, меняются поля скоростей твердой и газообразной фазы.

Задача решалась в плоской постановке. Размер гексагональной сетки 31 тыс. элементов.

Решалась система уравнений движения, энергии, турбулентности, диффузии, сохранения объемной доли фаз, закон действующих масс. Турбулентность разрешалась моделью k-epsilon, жидкая фаза была описана моделью Эйлера. Закон действующих масс был записан в форме

RS=kS∙CO2n                                                                                                                                   (2)

Константа скорости реакции определялась уравнением Аррениуса

kS=kSO∙exp-EaR∙T                                                                                                                (3)

Кинетические константы для реакции (1) использованные в настоящей работе приведены в табл. 1

Таблица 1 – Кинетические константы

№ Реакции	kSO	Ea, Дж/кмоль
1	1900000	1e+8

 

Задача решалась в нестационарном режиме. Размер времененного шага 1е-3 с. Использовалась явная схема дискретизации, и 100 итераций на каждый временной шаг.

Результаты

В ходе расчета фиксировалось изменение объемной доли жидкой фазы, образование волн, пузырей и брызг.

Рисунок 2 – Распределение объемной доли жидкой фазы

Движение твердой фазы (рис. 2) происходит под действием избыточного давления со стороны столба жидкости, приводящее к движению нижних слоев (рис. 3).

Рисунок 3 – Поле скоростей твердой фазы

В зоне реакции происходит теплообмен, в ходе которого плотность газа уменьшается, а его скорость резко возрастает (рис. 4).

Рисунок 4 – поле скоростей газообразной фазы

Вслед за объемной долей жидкой фазы распространяется и массовая доля железа в расплаве (рис. 5).

Рисунок 5 – массовая доля железа

На поверхности раздела фаз начинается интенсивная реакция оксиления железа, профиль скорости реакции соответствует линии раздела фаз (рис. 6).

Рисунок 6 – скорость реакции (1)

В ходе реакции образуется твердый продукт, оксид железа, массовая доля которого приведена на рис. 7.

Рисунок 7 – Массовая доля оксида железа

 

Заключение

В настоящей работе были решены следующие задачи:

1) сформулирована математическая модель на основе стандартного функционала программы ANSYS Fluent

2) Проведен тестовый расчет процесса разливки расплава железа в изложницу в ходе которого были определены поля скоростей газовой и жидкой фаз, степень окисления железа, скорость реакции (1), профиль границы раздела фаз.