بهینه سازی جریان مذاب در تاندیش ریخته گری 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 فرآیند ریخته‌گری مداوم، بهینه سازی الگوی جریان مذاب در تاندیش نقش به سزایی در کنترل میزان حذف آخال ها و در نهایت کیفیت فولاد تولید شده دارد. هدف این رساله ارائه یک مدل مناسب در الگوی جریان فولاد مذاب در تاندیش است به گونه ای که آخال ها بتوانند در تاندیش از جریان اصلی مذاب جدا و به سرباره بپیوندند. این طراحی بدون تجهیزات جنبی مانند Pad،Weir ، Turbo Stopper و Dam انجام گرفت که موجب افزایش حجم مفید تاندیش، کاهش حجم مناطق مرده و یکنواخت تر شدن جریان شد. سبکی آخال ها نسبت به فولاد مذاب و از طرفی الگوی جریان باعث می گردد که جریان رو به بالای فولاد مذاب در تاندیش بتواند در هدایت آخال ها به سوی سرباره مؤثر واقع شود. روش کار به دو صورت حل عددی و مدل سازی فیزیکی انجام شده که تأکید اصلی بر بخش عددی است. در بخش عددی بدلیل وجود تقارن در توزیع جریان مذاب داخل تاندیش، تنها یک دوم آن در حالت دو بعدی، مدل سازی ریاضی شد، همچنین در مدل سازی فیزیکی با در نظر گرفتن معیارهای مشابهت در حد امکان، مدل آبی با مقیاس1:4 آماده شد. با بکارگیری نرم افزار مختصاتی و هندسیGAMBIT هندسه مدل تاندیش شبکه بندی ودر شرایط ویژه قرار داده شد و آماده ورود به فضای دینامیک سیالات محاسباتی(DFC)که برای آنالیز کردن، طراحی و متدلوژی بهینه جریان سیال و دیگر کاربردهای انتقال گرما بکار می رود، گردید. در این پژوهش با توجه به مقتضیات الگوی پیشنهادی برای جریان مذاب به دو مقوله یکی وضعیت سطح آزاد در فصل مشترک آب- هوا و دیگری ردیابی ذرات آخال در هنگام ورود به مدل تاندیش و پیمایش آنها به سمت سطح پرداخته شد و با استفاده از مدل‌های ریاضی شبیه سازی کامپیوتری و اعتبار حل عددی با بکار گیری مدل آبی بررسی گردید. برای این منظور ابتدا وضعیت سطح آزاد مدل تاندیش با فرض شرایط همدما، معادلات دیفرانسیلی حاکم به روش اختلاف محدود در شرایط ناپایدار و در نظر گرفتن جریان مغشوش با مدل ? -k و احتساب شرایط مرزی و اولیه با استفاده از منطق جریان های دو فازی(فاز اولیه هوا و فاز ثانویه آب) در قالب روش کسر حجمی سیال(FoV)تعیین شد. این مدل یک تکنیک ره گیری سطح است که در یک مش ثابت اویلری اعمال می گردد و برای دو یا چند سیال آمیخته نشدنی که موقعیت سطح مشترک بین سیال ها مورد توجه است، طرح شده است. در این روش تابع مشخص کننده‌ی فاز در هر یک از سیال ها منظور و به کمک این تابع چگالی و لزجت در کل دامنه حل تعریف و با بکار گیری از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی FLUENT حل عددی و نتایج بصورت کانتورهای کسر حجمی فاز ها در زمان های مختلف آماده گردید و به موازات آن با ساخت یک شرود عصایی شکل در مدل آبی وضعیت سطح آزاد پی گیری گردید که نتایج حاکی از یک سطح آزاد نسبتاً هموار بود. در مرحله بعدی با توجه به فیزیک مسئله در حرکت آخال ها تنها به نیروهایی شناوری، دراگ و وزن آخال بها داده شد. فرضیاتی از قبیل کروی بودن ذرات و یکنواختی اندازه ذرات استفاده شد. ردیابی ذرات به روش لاگرانژی صورت گرفت و به لحاظ اندازه و دبی جرمی ورودی ذرات به مدل تاندیش این بار در فضای جریان های دو فازی، روش فازهای گسسته(Discrete Phase)مورد مطالعه قرار گرفت. معادلات دیفرانسیلی در شرایط ناپایدار و در نظر گرفتن حرکت استوکسی برای آخال ها با نرم افزار فوق حل عددی گردید و نتایج به شکل کانتورهای رد یابی ذرات برحسب اندازه سرعت و زمان توقف آنها در زمان های مختلف ثبت شد که در نتیجه هدایت آخال ها به سمت سرباره را به دنبال داشت.