基于CFD的板坯连铸机蒸汽排出装置的设计计算

翁 承，刘彩玲，曾 晶

（中国重型机械研究院股份公司，陕西西安710032）

0 前言

在连铸机的主机区设备中，蒸汽排出装置是重要的辅助设备，其主要功能是将主机区二冷喷水冷却铸坯所产生的大量水蒸气排出厂房之外，为连铸车间提供安全、环保、干净的工作环境。

若蒸汽排出装置设计不合理，蒸汽排出效果不好，二冷蒸汽将透过结晶器盖周边的空隙扩散到浇钢平台，影响浇钢工视线，威胁浇钢操作安全；同时二冷蒸汽对主机区设备及连铸机周边的钢结构会造成严重腐蚀，所以蒸排风机合理选型以及蒸排管道的优化设计对整台连铸机的良好运行起着至关重要的作用。

1 蒸汽排出系统的设备组成

蒸汽排出装置主要由出风管道、风机、进风管道、膨胀节、风量调节门、安全网和支吊架组成，如图1所示。

图1 蒸汽排出装置的设备组成

2 蒸排风机的选型

由工艺设计人员提供的连铸机最大的水气用量，通过计算可以得到二冷密封室内的总气量为2800 m3／min，二冷密封室内气体的平均温度为66.1℃，混合气体的比重为0.844 kg／m3，故选择风机型号为4－79－16.5D，驱动电机功率为220 kW。

3 蒸排装置的CFD仿真设置

本文首先对蒸汽排出装置在SolidWorks中进行建模，之后导入flow simulation中进行分析。Solid-Works flow simulation是一款计算流体力学（CFD）软件，能够对蒸排系统进行流场模拟，得到蒸排系统的压力损失及各个抽风口的流量分配情况。

在建模过程中，由于蒸汽排出装置的风机和管道结构比较复杂，为了更好的进行有限元分析，为此针对蒸汽排出装置的工作特点，对蒸排风机及管道进行了合理的简化，例如风机只对与蒸排流体分析相关的进风口和出风口进行了建模，管道的建模则去掉了法兰连接以及人孔和排水孔等对管网压力损失影响很小的特征，蒸汽密封室抽风口的安全网应用flow simulation的多孔板特征进行模拟等。简化之后的模型如图2所示。

图2 蒸汽排出装置的简化模型

3.1 Flow Simulation的常规设置

在flow simulation中可以对分析求解的项目进行设置：流体设置为空气和蒸汽的混合流体，蒸汽质量分数42%，空气质量分数58%；壁面条件选择为绝热壁面，粗糙度150μm；初始条件设置为温度66.1℃，气压为标准大气压P＝1.01×105Pa，湍流强度2%，湍流长度0.15 m。

3.2 Flow Simulation的边界条件设置

因为连铸机的密封室不能做到完全密闭，同时厂房屋顶的排气口与外界环境直接相通，所以抽风口和屋顶排风口的气压均为环境压力，即标准大气压P＝1.01×105Pa。抽风口布置如图3所示。

图3 抽风口布置图

为了保护人身和风机的安全，蒸汽密封室的抽风口应设计安全网，在flow simulation中可以使用多孔板特征对安全网的蒸汽排出阻力进行模拟计算。多孔板是安装在入口或出口模型开口或风扇处的带有多个孔的薄板（建模为无限薄）的整体模型。多孔板可以应用到已有指定边界条件（环境压力或风扇）的平面或弯曲模型面。该多孔板的参数设置如表1所示。

表1 多孔板设置

3.3 蒸汽排出装置风机的设置

根据初选结果，风机型号为4－79－16.5D，其性能曲线如图4所示。

图4 4－79－16.5D风机的性能曲线

选择风机的类型为内部风扇，指定风机的进风口和出风口，如图5所示。

图5 风机的进风口和出风口

4 蒸排装置的CFD仿真结果

Flow simulation设置完成后，经过计算，就可以得到得到蒸排系统的压力损失及各个抽风口的流量分配情况，见表2。

图6为蒸汽排出装置稳态下的流动迹线图，风机总风量60.7 m3／s，由图7和图8可以得到风机进风口静压为101 803.8 Pa，风机出风口静压为99 964.6 Pa，静压差为1 839.2 Pa，风机进出口处动压为491.6 Pa，风机全压为2 330.8 Pa。

图6 蒸汽排出装置的流动迹线

表2 抽风口的流量分配

图7 进风管道风压图

图8 出风管道风压图

传统的蒸排管道在每一个抽风口都需要配置一个风量调节门，用来平衡各个抽风口的风量。本文应用CFD仿真的方法能够在设计时根据连铸机二冷水蒸气的分布情况调整各个抽风口的风量，这样设计出来的蒸排管道就不需要安装风量调节门，降低了管道阻力的同时减少了设备投资。

河北迁安某钢厂的蒸排抽风口设置如图9所示。抽风口1、2、3设置在SEG0（弯曲段）附近，因为SEG1、2、3、4所产生的蒸汽会沿着隧道式密封向上移动，所以这三个抽风口不但负责抽排结晶器足辊、SEG0产生的蒸汽，还负责SEG1、2、3、4产生的蒸汽。抽风口4、5设置在SEG5、6、7、8附近，负责这4个扇形段所产生蒸汽的抽排。抽风口6、7设置在 SEG9、10、11、12、13附近，负责这5个扇形段所产生蒸汽的抽排。

图9 抽风口与扇形段位置图

根据工艺人员提供的连铸机二冷水表，可以得到连铸机的二冷水量的分布，进一步得到每个扇形段产生的蒸汽量。表3中可以看到蒸排抽风量和扇形段产气量比例相近，二冷所产生的水蒸气能被最近的抽风口排走，蒸汽排出装置的风口布置和管道设计是合理的。

表3 抽风量与产气量比例对照

5 结论

本文讨论了连铸机蒸汽排出装置的风机的选型，并应用流体分析软件对蒸排管道进行了流动分析，得到了蒸排管道的压力损失及抽风口的流量分布，验证了蒸汽排出装置风机的选型和管道设计的合理性。

河北迁安某钢厂连铸机蒸汽排出装置已经投入生产一年半时间，成功经受了河北迁安地区冬季最低温度－22℃的考验，蒸排装置运行稳定，蒸汽排出效果干净彻底，用户非常满意。

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