بهينه سازي جريان مذاب در تانديش ريخته گري مداوم در جهت حذف آخال ها

STUDENT

DEGREE

YEAR

In continuous casting process, the tundish optimization fluid flow pattern has a considerable role to removal inclusions and the quality of steel product. To reach a suitable fluid flow pattern in tundish to separate non-metallic inclusions from melt and traort to slag by upward molten flow is the aim of this work. In this idea, there is no need to use dam, weir and turbo stopper, therefore dead zones are reduced. The non-metallic inclusion particles have lower density than molten steel in real unit and the direction of flow pattern is upward, thus, it will rise up to the slag-steel interface. The fundamentals of the process, physical and numerical modellings with persistence on numerical modellings have been conducted in this work. Because of symmetric in distribution of fluid flow in model, one half of the water model is investigated by numerical method and physical model is carried out with the utilization of a 1:4 scale model with similarity criteria as much as possible. The geometry of water model is generated using the commercial package environment GAMBIT, and then ready to inter the computational fluid dynamics (CFD) field is used to analysis, design optimization of fluid flow and other applications of heat traort. With attention to necessity of fluid flow pattern proposed, two topics, the wave shape of the free surface and the trajectory of inclusions in tundish were investigated using mathematical modellings and validity of numerical modelling is carried out in line with the physical modelling to examine details of the flow pattern in water model. The situation of free surface is determined by solving the governing differential equations for turbulent flows using finite difference method at isothermal and unsteady state conditions with k-? model. The initial and boundary conditions are determined by VoF (Volume of Fluid) method. In VoF methods, however, one usually introduces a liquid indicator, or "Volume-of-Fluid" field for liquid and gas which is a property of the fluid is considered and instantaneous properties viscosity and density are related linearly and with the commercial CFD package environment, FLUENT is solved and results in form contours of density (mixture) versus time achieved and in physical model with a cane shroud is followed. During the experiment a flat free surface is obviously seen. The motion pass of inclusions are considered using forces such as, drag, buoyancy and gravitational forces. Assumptions are spherical shape inclusions and monotonousness of inclusions size. Trajectories of inclusions to slag-melt interface with Stokes motion are determined by using "Discrete Phase". The contours of residence time and magnitude of velocity versus time were achieved and show how inclusions guide to free surface.

در فرآيند ريخته‌گري مداوم، بهينه سازي الگوي جريان مذاب در تانديش نقش به سزايي در کنترل ميزان حذف آخال ها و در نهايت کيفيت فولاد توليد شده دارد. هدف اين رساله ارائه يک مدل مناسب در الگوي جريان فولاد مذاب در تانديش است به گونه اي که آخال ها بتوانند در تانديش از جريان اصلي مذاب جدا و به سرباره بپيوندند. اين طراحي بدون تجهيزات جنبي مانند Pad،Weir ، Turbo Stopper و Dam انجام گرفت که موجب افزايش حجم مفيد تانديش، کاهش حجم مناطق مرده و يکنواخت تر شدن جريان شد. سبکي آخال ها نسبت به فولاد مذاب و از طرفي الگوي جريان باعث مي گردد که جريان رو به بالاي فولاد مذاب در تانديش بتواند در هدايت آخال ها به سوي سرباره مؤثر واقع شود. روش کار به دو صورت حل عددي و مدل سازي فيزيکي انجام شده که تأکيد اصلي بر بخش عددي است. در بخش عددي بدليل وجود تقارن در توزيع جريان مذاب داخل تانديش، تنها يک دوم آن در حالت دو بعدي، مدل سازي رياضي شد، همچنين در مدل سازي فيزيکي با در نظر گرفتن معيارهاي مشابهت در حد امکان، مدل آبي با مقياس1:4 آماده شد. با بکارگيري نرم افزار مختصاتي و هندسيGAMBIT هندسه مدل تانديش شبکه بندي ودر شرايط ويژه قرار داده شد و آماده ورود به فضاي ديناميک سيالات محاسباتي(DFC)که براي آناليز کردن، طراحي و متدلوژي بهينه جريان سيال و ديگر کاربردهاي انتقال گرما بکار مي رود، گرديد. در اين پژوهش با توجه به مقتضيات الگوي پيشنهادي براي جريان مذاب به دو مقوله يکي وضعيت سطح آزاد در فصل مشترک آب- هوا و ديگري رديابي ذرات آخال در هنگام ورود به مدل تانديش و پيمايش آنها به سمت سطح پرداخته شد و با استفاده از مدل‌هاي رياضي شبيه سازي کامپيوتري و اعتبار حل عددي با بکار گيري مدل آبي بررسي گرديد. براي اين منظور ابتدا وضعيت سطح آزاد مدل تانديش با فرض شرايط همدما، معادلات ديفرانسيلي حاکم به روش اختلاف محدود در شرايط ناپايدار و در نظر گرفتن جريان مغشوش با مدل ? -k و احتساب شرايط مرزي و اوليه با استفاده از منطق جريان هاي دو فازي(فاز اوليه هوا و فاز ثانويه آب) در قالب روش کسر حجمي سيال(FoV)تعيين شد. اين مدل يک تکنيک ره گيري سطح است که در يک مش ثابت اويلري اعمال مي گردد و براي دو يا چند سيال آميخته نشدني که موقعيت سطح مشترک بين سيال ها مورد توجه است، طرح شده است. در اين روش تابع مشخص کننده‌ي فاز در هر يک از سيال ها منظور و به کمک اين تابع چگالي و لزجت در کل دامنه حل تعريف و با بکار گيري از نرم افزار ديناميک سيالات محاسباتي FLUENT حل عددي و نتايج بصورت کانتورهاي کسر حجمي فاز ها در زمان هاي مختلف آماده گرديد و به موازات آن با ساخت يک شرود عصايي شکل در مدل آبي وضعيت سطح آزاد پي گيري گرديد که نتايج حاکي از يک سطح آزاد نسبتاً هموار بود. در مرحله بعدي با توجه به فيزيک مسئله در حرکت آخال ها تنها به نيروهايي شناوري، دراگ و وزن آخال بها داده شد. فرضياتي از قبيل کروي بودن ذرات و يکنواختي اندازه ذرات استفاده شد. رديابي ذرات به روش لاگرانژي صورت گرفت و به لحاظ اندازه و دبي جرمي ورودي ذرات به مدل تانديش اين بار در فضاي جريان هاي دو فازي، روش فازهاي گسسته(Discrete Phase)مورد مطالعه قرار گرفت. معادلات ديفرانسيلي در شرايط ناپايدار و در نظر گرفتن حرکت استوکسي براي آخال ها با نرم افزار فوق حل عددي گرديد و نتايج به شکل کانتورهاي رد يابي ذرات برحسب اندازه سرعت و زمان توقف آنها در زمان هاي مختلف ثبت شد که در نتيجه هدايت آخال ها به سمت سرباره را به دنبال داشت.