ناهمترازی لدل شرود و اثر آن بر جریان سیال در یک تاندیش

در این مطالعه دو جنبه از طراحی لدل شرود (LS) در تاندیش مورد بررسی قرار گرفته است. تاندیش دو رشته ای یک تاندیش بلند و بدون اهرم است، یعنی بدون دستگاه های کنترل جریان، اما میله های درپوش برای کنترل سرعت جریان عمل می کند. هندسه سه بعدی CAD، مدل های آشفتگی، گسسته سازی معادلات حاکم، حل عددی و پردازش پس از آن در یک نرم افزار تجاری Siemens STAR CCM+ انجام می شود. در مقایسه با تیپ معمولی، سرعت برخورد جریان از پاتیل برای حالتی که از لدل شرود مدل ترمپتی استفاده می شود به نسبت لدل شرود معمولی کمتر است. در نتیجه، جریان در کل تاندیش تمایل متناقضی را نشان می‌دهد، یعنی جریان رو به بالا واضح‌تر از جریان رو به پایین برای روکش‌های ترومپت و بالعکس برای روکش‌های لوله است. در تولیدات صنعتی، لدل شرود اغلب به دلایل ماشینی به دیواره جلویی می چسبد. بنابراین دو مورد که در آن درجه ناهمترازی لدل شرود و 10 درجه بررسی می شود. نتایج نشان می‌دهد که جریان برخوردی به سمت جلوی دیوارها جریان دارد و به سمت خروجی‌های نزدیک دیوار پایین و دیوار جلو جریان می‌یابد. گرداب اسب مانندی که معمولاً در تاندیش های بدون ممعانعت کننده جریان آشفتگی مشاهده می شود از بین می رود. الگوی جریان غیر متقارن برای موارد با سوگیری شدید شکل گرفته است که باید از رویه صنعتی بیشتر مورد توجه قرار گیرد.

1. مقدمه

فولاد پرکاربردترین ماده مهندسی است. تولید فولاد خام در سال 2021 به 1.87 میلیارد تن رسید. بیش از 95 درصد فولاد از طریق فرآیندهای ریخته گری مداوم تولید می شود. به طور سنتی، تاندیش یک ظرف میانی است که بین یک پاتیل مملو از مذاب(فرایند پالایش) و یک قالب ریخته‌گری پیوسته قرار می‌گیرد. در اوایل دهه 1980، مفهوم متالورژی تاندیش توسط هیسلیپ و مک لین مطرح شد. تاندیش به جای کنترل سرعت ریخته‌گری، در افزایش ترکیب، دما و کنترل تمیزی نقش دارد. مدل سازی و پیشرفت صنعتی به خوبی در مقالات مروری مستند شده بود. بهینه سازی جریان سیال در تاندیش از طریق دستگاه های کنترل جریان (FCD)، به عنوان مثال سرریز، سد، بافل، توربو استاپر و غیره به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. به عنوان مصالحه ای بین هزینه اضافی دیرگدازها در تاندیش و کیفیت قابل قبول فولاد، تاندیش بدون مصالح کنترل جریان، یعنی بدون FCD به طور گسترده در صنعت استفاده شده است. یک تاندیش معمولی در شکل 1 نشان داده شده است.

لدل شرود یک لوله نسوز است که برای انتقال فولاد مذاب از پاتیل به تاندیش استفاده می شود. در سال های اخیر، استراتژی های جدیدی برای توسعه لدل شرود استفاده می شود، به عنوان مثال لدل شرودهای دفع کننده و لدل شرودهای شیپوری یا به اصطلاح ترومپت.در عمل، به دلیل مشکلات در قرار دادن تجهیزات سنگین و محدودیت تکنولوژی نگه‌داری، ناهماهنگی لدل شرود اغلب مشاهده شده است (همانطور که معمولاً در شکل 2 نشان داده شده است).

اثر ناهمترازی لدل شرود بر جریان سیال در یک تاندیش چهار رشته ای دلتا شکل توسط Chattopadhyay و همکاران مورد مطالعه قرار گرفت. در این مطالعه، چهار رشته (خروجی) تاندیش غیر متقارن هستند، یعنی ورودی و چهار خروجی در دو طرف جهت عرض تاندیش قرار دارند. لدل شرودی که به سمت دیواره پشتی، دیواره جلویی و جهت خروجی منحرف شده است مورد مطالعه قرار گرفته است.

ناهمترازی لدل شرود در یک تاندیش دو رشته ای “طولانی” یا تاندیش تک رشته ای مورد مطالعه قرار نگرفته است. در این مطالعه، تاندیش دو رشته ای در گروه Baogang همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است مورد مطالعه قرار گرفته است. تاندیش خالی (یعنی بدون استفاده از ابزارهای متعادل کننده جریان سیال) نسبت طول به ارتفاع بالایی را نشان می دهد. گرداب نعل اسبی مانند در تاندیش مشاهده شده است. بنابراین، سه نوع لدل شرود از نوع  ترومپت و ناهمترازی لدل شرود تمرکز اصلی این مطالعه برای بهبود درک لدل شرود در عمل است. این مطالعه از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای بررسی جریان سیال در شرایط عملیاتی مختلف استفاده کرده است.

2 مدل CFD و موارد مورد مطالعه

2.1. هندسه تاندیش و موارد مورد مطالعه

پیکربندی تاندیش را می توان در شکل 1 یافت. به طور خاص، دو خروجی و همچنین یک استوپر(کنترل سرعت جریان)، در دو طرف تاندیش قرار دارند. لدل شرود می تواند تنها FCD برای کنترل جریان در تاندیش باشد (با شرط عدم ناهمترازی لدل شرود). سه نوع لدل شرود طراحی شده و در شکل 3 نشان داده شده است. شرود 1 و شرود 2 لوله های صاف با قطرهای متفاوت هستند. شرود 3 یک لدل شرود شیپوری (ترومپت شکل) با قطر زیاد در قسمت ورودی است.

2.2 توضیحات مدل CFD

هندسه های سه بعدی تاندیش صنعتی ایجاد شده و به نرم افزار تجاری Siemens STAR CCM+ تبدیل شده است. برای ساده تر شدن، سطح بالایی صاف و در یک سطح ثابت نگه داشته می شود. واکنش های شیمیایی و همچنین انتقال حرارت نادیده گرفته می شوند. جریان مذاب همدما و در حالت ثابت فرض می شود. بر اساس اصل تعادل جرم، سرعت ورودی و دبی جرم خروجی از شرایط تولید صنعتی، یعنی سرعت ریخته‌گری 1 متر در دقیقه و مقطع اسلب به صورت زیر در نظر گرفته شدند:

عرض 2000 میلی‌متر در ضخامت 230 میلی‌متر به دست می‌آید. چگالی و ویسکوزیته فولاد مذاب به ترتیب 7000 کیلوگرم بر متر مکعب و 0.005975 Pa·s است. مدل k-ε دو لایه تحقق پذیر، را با رویکرد دو لایه پیشنهاد شده توسط رودی ترکیب می‌کند و برای محاسبه جریان آشفته در تاندیش استفاده می‌شود. مش حجم در STAR CCM+، با استفاده از گزینه های مش بندی لایه تراش و منشور تولید می شود. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، یک توری ظریف در کنار دیوارها ایجاد می شود و تعداد سلول ها در مجموع نزدیک به 0.5 میلیون است. برای محاسبه شار همرفتی در معادلات تکانه از طرح مرتبه دوم جهت باد استفاده می شود. معادلات گسسته شده با استفاده از روش نیمه ضمنی برای الگوریتم معادلات فشار (SIMPLE) حل می شوند برای قضاوت در مورد همگرایی از معیار کمتر از 10-4 استفاده می شود.

3 نتایج و بحث

در این بخش ابتدا جریان سیال برای سه لدل شرود و سپس نتایج ناهمترازی لدل شرود ارائه می شود.

1-3- جریان سیال برای سه طرح لدل شرود

بردارهای سرعت سه نوع طرح لدل شرود در جهت عرض و جهت طول به ترتیب در شکل 5 و 6 نشان داده شده است. فایل سرعت و الگوی جریان برای لدل شرودهای 1 و 2 مشابه است. سرعت جریان برخورد از لدل شرود 3 (لدل شرود از نوع شیپوری) (در شرایط عدم ناهمترازی لدل شرود) کمتر از لدل شرودهای 1 و 2 است. پس از آن، جریان گردش در نزدیکی جلو و دیوارهای پشتی (نمای جانبی) به اندازه دیوارهای لدل شرودهای 1 و 2 قوی نیستند. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، سرعت جریان در کل تاندیش برای لدل شرود 3 نیز کمتر است.

خطوط ساده سه نوع طرح  نمای جلو و نمای بالا به ترتیب در شکل 7 و 8 نشان داده شده است. همانطور که قبلاً توضیح داده شد، خطوط جریان برای لدل شرودهای 1 و 2 مشابه هستند(در شرایط عدم ناهمترازی لدل شرود). گرداب در نزدیکی قسمت برخوردی برای شرود از نوع شیپوری(ترومپت) همانطور که در شکل 7 (c) نشان داده شده است، افزایش یافته است. در نتیجه، جریان رو به بالا آشکارتر از جریان رو به پایین است. برعکس، پایین دست از جریان رو به بالا برای لدل شرودهای 1 و 2 قوی تر است.

2-3-اثرات ناهمترازی لدل شرود بر جریان سیال در تاندیش

در تولیدات صنعتی، لدل شرود اغلب به دلایل ماشینی به دیواره جلویی می چسبد. بنابراین دو مورد که در آن درجه ناهمترازی لدل شرود 5 و 10 درجه بررسی می شود. بردارهای سرعت و خطوط جریان در شکل 9 تا 12 نشان داده شده است. از شکل 9، جریان برخوردی به سمت جلوی دیوارها برای هر دو حالت بایاس 5 و 10 درجه جریان دارد. در نتیجه، سرعت جریان در نزدیکی دیوار پایین برای هر دو مورد افزایش می‌یابد. همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است، جریان رو به بالا برای موارد بایاس افزایش یافته است.

در مقایسه با شکل 7(a) و شکل 8(a)، الگوی جریان کاملا متفاوت است. گرداب نعل اسب مانند از بین می رود و جریان نامتقارن ایجاد می شود. برای حالت بایاس 10 درجه، جریان بیشتر به دیواره جلویی نزدیک است و گرداب نعل اسب مانند حتی بدتر از مورد 5 درجه سوگیری از بین می رود. علاوه بر این، توان سرعت برای حالت بایاس 10 درجه کوچکتر است.

4. نتیجه گیری

تأثیر سه نوع لدل شرود بر جریان سیال مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل اتلاف جریان در لدل شرود از نوع شیپوری (ترومپت)، سرعت برخورد جریان از پاتیل کمتر است. در نتیجه، جریان‌ها در کل تاندیش تمایل متفاوتی را نشان می‌دهند، یعنی جریان رو به بالا واضح‌تر از جریان رو به پایین برای لدل شرود از نوع شیپوری (ترومپت) و بالعکس برای روکش‌های لوله است. دوم، ناهمترازی لدل شرود بررسی شده است. جریان برخوردی به سمت جلوی دیوارها جریان دارد و به سمت خروجی های نزدیک دیوار پایین و دیوار جلو جریان می یابد. یک الگوی جریان نامتقارن در موارد ناهمترازی لدل شرود تشکیل می شود. گرداب نعل اسبی مانند برای موارد شدیداً سوگیری بدتر از بین می رود. در عمل، نامناسب بودن لدل شرود ممکن است اثرات شدیدی بر جریان و کیفیت فولاد داشته باشد.

جهت کسب اطلاعات تکمیلی با ما در تماس باشید.