شبیه سازی جریان سیال و انتقال گرما در قالب ریخته گری مداوم تختال
Abstract
ریخته گری مداوم در سه دهه گذشته اهمیت روزافزونی در تولید فولاد داشته است و امروزه مهمترین گام صنعتی در تولید فولاد است. پدیده های جریان سیال و انتقال گرما در قالب ریخته گری مداوم خیلی پیچیده هستند و تاثیر قابل توجهی روی کیفیت تولید می گذارند. بنابراین، فهم پدیده های جریان سیال و انتقال گرما در قالب ریخته گری مداوم مهم می شود. به ویژه اندازه ضخامت پوسته جامد شده در خروجی قالب بسیار مهم است. زیرا پوسته جامد شده باید به اندازه کافی ضخیم باشد تا در برابر فشار فرواستاتیکی فولاد مذاب مقاومت کند. بعلت دمای بسیار بالای فرایند، اندازه گیری مستقیم توزیع سرعت و دما دشوار می باشد. لذا شبیه سازی عددی یک ابزار مهم است و دانسته های کاملتری ارائه می کند. در این تحقیق، مدلی بر پایه شرایط فنی و عملیاتی ریخته گر تختال در واحد ریخته گری مداوم شرکت فولاد مبارکه معرفی می شود. یک مدل ریاضی سه بعدی برای شبیه سازی جریان متلاطم و انتقال گرما در قالب ریخته گری مداوم تختال با نازل دو شاخه ای، با استفاده از نرم افزار حجم محدود فلوئنت ایجاد شد. از نرم افزار گمبیت برای ایجاد هندسه و تولید شبکه استفاده شد. برای پیش بینی درست الگوی جریان در قالب، حوزه حل شامل نازل، قالب و بخش کوچکی از ناحیه خنک سازی ثانویه در نظر گرفته شد. جریان متلاطم بطور ریاضی با استفاده از معادلات ناویر- استوکس متوسط شده رینولدز توصیف می شود. مدل قابل درک و مدل تنش رینولدز برای تقریب زدن این معادلات استفاده می شود. تکنیک انتالپی- تخلخل برای فرایند انجماد استفاده شده است که یک جمله چشمه ناشی از قانون دارسی در محیط متخلخل، به معادلات اندازه حرکت و تلاطم اضافه می شود. به دلیل مشکلات همگرایی در شبیه سازی فرایند انجماد (به دلیل استفاده از تکنیک انتالپی- تخلخل)، مسئله بصورت گذرا حل گردید. معیار همگرایی، برقراری بالانس انرژی روی مرزهای ناحیه حل است.از نتایج بدست آمده، کمیت های سرعت جریان، ارتفاع تلاطم سطح مذاب، دما و ضخامت پوسته جامد تعیین گردیدند. جریان های بازچرخشی بالایی و پایینی به خوبی پیش بینی شدند. میزان نوسانات سطح مذاب با استفاده از توزیع فشار در امتداد سطح آزاد بر مبنای بقای انرژی پتانسیل محاسبه شد. توزیع دما بشدت به توزیع سرعت وابسته است. توزیع یکنواخت دما در قالب بدست آمد که برای کیفیت تختال مهم است. مدل تنش رینولدز با وجود هزینه محاسباتی بیشتر (حافظه و زمان پردازش)، هیچ مزیتی نسبت به مدل نداشت. این به دلیل حساسیت بیشتر مدل تنش رینولدز به اندازه شبکه، روش گسسته سازی معادلات و تنظیمات حل کننده چند شبکه ای می باشد. در مقایسه با نتایج تجربی، ضخامت پوسته جامد روی وجه پهن تختال به خوبی پیش بینی شد. هرچند نتایج بدست آمده روی وجه باریک، اختلاف زیادی با داده های تجربی دارد. پارامترهای سرعت جریان، ثابت ناحیه خمیری و پروفیل شار گرما در دیوار قالب بیشترین تاثیر را روی فرایند انجماد دارند. بویژه اندازه ثابت ناحیه خمیری اثر بزرگی روی اندازه ضخامت پوسته جامد و میزان رشد آن دارد.