بخشی از مقاله
چکیده
یک مدل ریاضی دوبعدي براي مدلسازي توزیع دما در یک پاتیل فولادسازي ثانویه حین دمش آرگون بسط داده شد. ابتدا مدلسازي جریان سیال براي یک مدل فیزیکی آبی انجام شده و با مقادیر تجربی ارائه شده در مقالات براي همان مدل آبی مقایسه شد تا مدل جریان سیال تأیید شود. پس از تأیید، از آن مدل براي حل میدان دما درون پاتیل فولادسازي ثانویه استفاده شد.
مشاهده شد که در حالت بدون دمش آرگون، لایهبندي شدید دما ناشی از همرفت طبیعی ایجاد شد. با دمش آرگون اثر همزنی با آرگون بر همگنسازي دما بررسی شد و مشاهده شد که دمش گاز آرگون از کف پاتیل، یک جریان متلاطم چرخان در حمام مذاب ایجاد کرده است که در همگنسازي سریع دما بسیار مؤثر است. همچنین حذف کامل گرادیان دما امکانپذیر نبوده و با رسیدن به حد خاصی از همگنسازي دما، شکل توزیع دما ثابت میماند.
مقدمه
در فولادسازي ثانویه، بخش عمدهاي از زمان در حالت بدون قوسزنی و فقط با دمش آرگون سپري میشود. موضوع مهم در اینجا چگونگی توزیع دما است و اینکه دمش آرگون تا چه اندازه به همگن شدن میدان دمایی منجر میشود. براي فهم آن، در این مقاله سعی شده است که با شبیهسازي کامپیوتري ابتدا مدلسازي جریان سیال براي یک ظرف مدل فیزیکی آبی انجام و میدان سرعت محاسبه شده با میدان سرعت اندازهگیري شده به صورت تجربی مقایسه شود. پس از تأیید مدل، معادلات جریان سیال و انتقال حرارت کوپل گردیده، میدان دمایی و توزیع آن در پاتیل فولاد مذاب محاسبه شد. به دلیل تقارن محوري، معادلات به صورت دوبعدي و براي نیمی از پاتیل حل شد.
معادلات حاکم
مدل ریاضی استفاده شده در شبیهسازي حاضر بر پایه مدل دو فازي مایع- حباب گاز [1] بسط داده شده است. مسیر جریان پایدار حبابهاي گاز به صورت عددي محاسبه شده و به شکل عبارات مرجع در معادلات فاز سیال اصلی وارد گردید. جریان سیال گذرا، متلاطم، نیوتنی و تراکمناپذیر است.
معادلات فاز مایع
معادلات جریان فاز مایع به شکل زیر بیان میگردند. تلاطم براساس مدل k-ε استاندارد مدلسازي شد.
شرایط مرزي و روش حل
با در نظرگیري نرخ اتلاف حرارت میانگین براي دیوارهاي کناري و کف پاتیل [2]، نرخ اتلاف حرارت از دیوارهها مقدار 2/1×104 W/m2 و براي سطح آزاد مقدار 104W/m2 اعمال شد .[2] معادلات دیفرانسیل به روش حجم محدود و با استفاده از پکیج فلوئنت محاسبه شدند. براي ارتباط فشار- سرعت از الگوریتم سیمپل و براي عبارات همرفت از روش آپویند مرتبه دوم استفاده شد .[3] معادلات مسیر حرکت حبابهاي گاز هم به روش رانگ-کوتا محاسبه شدند.
نتایج و بحث
اثر دمش آرگون بوسیله مقایسه میدانهاي دمایی محاسبه شده براي حالت بدون دمش آرگون و پس از شروع دمش آن با دبی 120 NL/min در یک پاتیل 100 تنی بررسی شد.
تأیید مدل جریان سیال
در شکل 1 مؤلفههاي شعاعی و محوري سرعت اندازهگیري شده در مقالات [4] براي یک مدل فیزیکی آبی از پاتیل فولادسازي با مقادیر محاسبه شده از طریق شبیهسازي مقایسه شدهاند. مشاهده میشود که مدل جریان سیال انطباق خوبی بین مقادیر اندازهگیري و محاسبه شده را به وجود آورده است.
لایهبندي دما
شکل 2 میدان دماي محاسبه شده در یک پاتیل 100 تن در حالت بدون دمش گاز آرگون بعد از زمانهاي 5، 10 و 15 دقیقه را نشان میدهد. این حالت مانند زمانی است که پاتیل بر روي ماشین ریخته گري قرار داده میشود. مشاهده میشود که با گذشت زمان، گرادیان شدید دما اتفاق افتاده و لایهبندي دما تشدید میشود.
حذف لایهبندي دما
شکل 3 نتایج محاسبه شده حذف لایهبندي دما را در زمانهاي 1، 2، 3 و 5 دقیقه بعد از شروع دمش آرگون با دبی گاز 120NL/min نشان میدهد.
