بخشی از مقاله
چکیده
در صنایع فلزی ازجمله صنعت فولاد، کاهش میزان ناخالصیها در مذاب و تهیه یک مذاب تمیز از اهمیت بالایی برخوردار است. در فرآیند ریختهگری مداوم، یک جریان گردابی همیشه در هنگام تخلیه مذاب از پاتیل در بالای نازل تشکیل میشود که منجر به ورود سرباره به تاندیش میگردد. بهویژه زمانی که ارتفاع سطح مذاب از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، سرباره و هوا به مقدار زیادی وارد مذاب میشود. در این مقاله شبیهسازی سه بعدی جریان مذاب پاتیلهای مذاب انجامشده است.
مورد مطالعه شده در این پژوهش مربوط به پاتیلهای مذاب مجتمع فولاد مبارکه است. هدف از این پژوهش بررسی ارتفاع بحرانی فولاد مذاب خروجی از پاتیل است. بر همین اساس یک تحلیل جریان سهبعدی و دوفازی در حالت گذرا با استفاده از نرمافزار Ansys CFX و با در نظر گرفتن شرایط مرزی و اولیه منطبق بر واقعیت انجام شد. نتایج نشان میدهد که افزایش سرعت مماسی اولیه تأثیر بسزایی در تشکیل جریان قیفی شکل و مقدار ارتفاع بحرانی دارد. همچنین قطر نازل میتواند در کاهش ارتفاع بحرانی مؤثر باشد.
مقدمه
در تخلیه فلز مذاب از پاتیل نوعی جریان قیفی شکل در بالای نازل تشکیل میگردد که تشکیل چنین جریانی در صورت عدم کنترل بهموقع، ناخالصیهای موجود در بالای فولاد مذاب - سیال سرباره - را وارد فولاد تولیدشده نهایی میکند که این امر موجب ایجاد ناخالصی در فولاد تولیدشده میگردد. بهویژه زمانی که ارتفاع سطح مذاب از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، سرباره و هوا به مقدار زیادی وارد مذاب شده و در آن حبس میشوند. کم کردن ورود سرباره یک مسئله اصلی در فرایند تولید فولاد برای یک مدتزمان زیاد است.
تاکنون تحقیقاتی بر روی مدلسازی سهبعدی جریان آشفته مذاب - جریان گردابی - انجامشده است. بررسی تشکیل ورتکس برای اولین بار توسط شاپیرو[1] مطرح گردید. وی جهت چرخش ورتکس را بهشدت تابع شرایط مایع درون ظرف تا قبل از باز شدن سوراخ اعلام نمود.
در مقاله سایتو و کومار [2] از فاز آب بهعنوان سیال عامل و از فاز هوا بهعنوان فاز سیال سرباره استفاده گردید و آنها تنها پارامتر مؤثر بر مسئله را عدد رینولدز معرفی کردند. سانکرانارایانان و گوتریه [5-3] از روغن به عنوان سیال سرباره استفاده کردند ولی کار آنها کیفی بود و تنها نتیجه گرفتند که روغن از هوا زودتر به داخل سوراخ کشیده میشود.
اچاوز و همکارانش [6] با انجام آزمایشهایی نشان دادند که جریان گردابی از دو جریان مستقل شعاعی و محوری تشکیلشده و تأثیر میزان جریان محوری که از مرکز نازل عبور میکند بر میزان عمق بحرانی بیشتر از جریان شعاعی است. برخی از محققین [11-6] با بررسی اثر موقعیت نازل بر روی عمق بحرانی گردابه دریافتند با افزایش فاصله نازل از مرکز مخزن میزان عمق بحرانی کاهش مییابد. همچنین با توجه به مرجع [12] ارتفاع بحرانی قیف غیرورتکسی مستقل از عمق سیال اولیه، قطر مخزن و خواص فیزیکی مایع است.
موقعیت و اندازهی نازل تخلیه مذاب از پاتیل و شکل پاتیل، همگی تأثیر مهمی در رفتار جریان مذاب خروجی از پاتیل در ریختهگری دارند. در پژوهش حاضر شبیهسازی سهبعدی جریان مذاب پاتیلهای مجتمع فولاد مبارکه با استفاده از نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی ANSYS CFX انجامشده است. نازل تخلیه با خروج از مرکزیت متفاوت و با قطرهای مختلف در سرعتهای اولیه مماسی متفاوت موردبررسی قرار گرفت.
روش تحقیق
روش آنالیز جریان چندفازی شبیه جریان تک فاز است. جریان چندفازی باید برای هر سیال میدانهای سرعت و دمایی به طور جداگانه حل شوند. معادلات حاکم بر جریان سیال در جریان آشفته شامل معادلات پیوستگی، مومنتوم و معادله ی انرژی - معادلات - RANS هستند. با حل این معادلات میتوان خصوصیات جریان از قبیل سرعتها، فشار و دیگر متغیرها را به دست آورد.
مسئلهی مهم، چگونگی حل این معادلات است. روش تحلیلی دقیقی برای تمام جریانهای آشفته در دسترس نیست و اکثر مسائل آشفته به روش عددی حل میشوند. در جریانهایی با سطح آزاد یا با دو سیال متفاوت، یک سطح مشترک نامشخص وجود دارد که باید توسط حل مشخص شود. در اینجا جریان دوفازی بوده و دو سیال فولاد مذاب و هوا در نظر گرفتهشده است. جهت شبیهسازی این جریان از مدل جریان سطح آزاد جریان چندفازی استفادهشده است. جریان سطح آزاد به جریان چندفازی اطلاق میشود که مهرومومها بهوسیله یک سطح مشترک مشخص از هم جدا میشوند.
نتایج و بحث
در کار حاضر معادلات RANS در کد تجاری ANSYS CFX به روش حجم محدود مبتنی بر المان پیاده سازی شده است. مدل بهصورت سهبعدی، گذرا و دوفازی - فولاد مذاب و هوا - میباشد. با توجه به اینکه جریان خروج از یک مخزن یک جریان متلاطم است برای شبیهسازی پاتیل استفاده از یک مدل توربولانس ضروری است. در پژوهش حاضر جهت بسته شدن معادلات RANS از مدل انتقال تنش برشی - SST - بدین منظور استفاده گردید.
جهت اعتبارسنجی از مدل مخزن موجود در مرجع [13] شبیهسازی شد - شکل -1الف - . مدل آزمایش توسط سیال آب انجام شد. سرعت اولیه برای شروع آزمایش برابر 2.5cm/s ایجاد شد. در پایان تخلیه مشاهده شد که ارتفاع بحرانی تقریباً برابر قطر نازل میباشد. کانتور کسر حجمی حاصل از مدل جهت شبیهسازی جریان مذابریزی از پاتیلهای مجتمع فولاد مبارکه، یک مخزن استوانهای با دیوارههای شیبدار به قطر بیشینه D=3.5m و ارتفاع L=3.8m به همراه یک نازل به قطر dn که در کف مخزن طراحیشده، مدلسازی شد.
سیال موجود در آن ساکن میباشد و با باز شدن نازل و تخلیه مخزن یک جریان گرانشی که در پایان به شکل قیف میباشد شبیهسازی شد - شکل -2الف - . مشخصات سیال مورداستفاده جهت شبیهسازی جریان تخلیه فولاد مذاب از مراجع [16-14] استخراج شد. دامنهی محاسباتی با یک شبکهی بیسازمان به وسیلهی نرمافزار ANSYS ICEM CFD شبکهبندی شده است - شکل -2ب و ج - .
مقادیر ارتفاع بحرانی و زمان تخلیه فولاد مذاب از پاتیل در شرایط مختلف در جداول زیر گزارششده است. این مقادیر برای مدل پاتیل موردنظر با قطر نازل d=30 و خارج از مرکزیت صفر نسبت به تغییر سرعت مماسی اولیه در جدول 1 نشان دادهشده است. برای این شرایط با افزایش سرعت اولیه چرخشی سیال مقادیر ارتفاع بحرانی افزایشیافته و زمان رسیدن به مقدار بحرانی ارتفاع کاهش مییابد.
