金屬鑄錠自動扒渣過程流體仿真研究

楊公波,杜 磊,黃文虎

(長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410000)

0 引言

目前,國內電鋅生產過程中勞動強度最大的鑄錠、堆垛、排板和制片等操作工序早已被自動化裝備取代,但錠面扒渣仍采用人工作業方式[1],該工序的工作條件惡劣。

1)環境溫度高,鑄模上方最高達500 ℃以上,煙塵重;

2)高溫熔液遇水汽易發生爆炸飛濺,對扒氧化皮操作人員有燙傷的危險;

3)勞動強度大,操作人員在鑄模旁彎腰作業,每8 s 需完成一次扒渣、拋渣、清鏟、返回等動作。目前,冶煉廠在該環節的人力成本也逐年遞增;

4)澆注現場存在從高溫鑄模中逸出的鉛蒸氣,扒氧化皮作業人員長期近距離接近鉛液,鉛蒸氣經呼吸道和皮膚進入人體,是造成鉛中毒職業病的原因之一。

因此,采用機器人自動扒渣取代人工成為大勢所趨,但目前對于扒渣裝置的最佳結構及工作參數的研究尚少。本文旨在研究扒鏟的浸入深度、運行速度、傾斜角度等影響因素對扒渣效果以及對錠模內流體運動的影響,從而為扒鏟的結構和工作參數設計提供借鑒。

扒鏟的主要工作分為扒渣和撈渣,扒渣過程是將錠模中渣皮聚集起來,撈渣過程將聚集起來的渣皮從錠模中撈出。扒渣過程近似于勻速運動,而在運動至扒渣過程的行程終點時,扒鏟會在前進的同時向下運動,再向前運動至與扒渣槽內壁接觸,然后沿著內壁將渣皮緩緩撈出[2]。

扒渣過程可以通過Fluent 軟件做流體仿真,在建立扒鏟扒渣過程的模型后,改變扒鏟的運行速度、浸入深度、傾斜角度,分析上述因素對扒渣效果以及對錠模內流體運動的影響,從而為扒鏟工作參數設計提供借鑒。

利用Fluent 軟件進行扒鏟的扒渣過程流體仿真研究,需要進行以下三部分工作[3]。

首先,建立扒渣過程的數值模擬模型,模型主要包含了錠模、扒鏟以及鋅液。在建立仿真模型時,需要確立錠模及扒鏟主要尺寸,并根據實際情況對其進行合理的條件假設和模型簡化,方便仿真計算。在建立仿真模型后,需要將其網格劃分,為研究計算做準備。

然后,對鋅液及其氧化物在扒鏟作用下的流動狀態進行仿真研究。使用流體仿真為了研究鋅液在鋅盤中的流動狀態,鋅液表面及其氧化物在不同幾何尺寸、形貌特征、表面狀態、運動位置狀態的扒鏟作用下的流動狀態提供依據。因此,仿真需要完成對數值模擬模型中的參數以及初始條件的設置,并運用控制變量的研究方法,分別改變扒鏟的浸入深度、運行速度、傾斜角度等影響因素,完成多組對比仿真實驗。

最后,根據多組對比實驗結果,分析以上因素對扒鏟除渣效果和平穩性的影響,確定能使扒鏟除渣效果和平穩性較好的影響因素范圍,進而對扒鏟的結構設計提出改進方案。

1 仿真模型建立

1.1 物理幾何模型

錠模上表面尺寸為422 mm×220 mm,下表面尺寸為396 mm ×170 mm,整體高度為50 mm,扒鏟的寬度與錠模寬度一致,設置為422 mm,扒鏟的初始厚度設置為5 mm。氧化鋅渣皮簡化為浮在鋅液上厚度為1 mm 的流體。

為了簡化模型且優化仿真計算,根據工業實際情況,假設鋅液為不可壓縮流體;不考慮鑄模底和模壁的厚度;由于扒渣時間比較短,不考慮溫度降低對扒渣過程的影響。

1.2 網格劃分

使用ANSYS 中的ICEM 軟件進行網格劃分,使用非結構網格劃分整個錠模模型,采用四面體單元,總網格數大約為120 萬個左右。為了簡化網格模型,扒鏟在錠模上表面以外部分被去除,且錠模內部部分被簡化為一個空腔,錠模網格模型如圖1 所示。

圖1 錠模網格模型圖

1.3 模型參數設置

在流體仿真模型中,需要提前設置材料參數、邊界條件、初始條件、物理模型以及求解器和操作條件等等。

1)材料參數定義

在建立數學模型中非常重要的一步是正確設定所研究對象的材料參數,錠模中液體主要分為下層大部分的鋅液和上層小部分的鋅渣,鋅液的化學成分為Zn,鋅渣是鋅液與空氣的氧氣發生反應所產生的ZnO。其各自的物理特性參數如表1所示[4]。

表1 鋅液與鋅渣物理特性參數

2)邊界條件設置

邊界條件就是流場變量在計算邊界上應該滿足的數學物理條件。邊界條件與初始條件一起并稱為定解條件,只有在邊界條件和初始條件確定后,流場的解才存在,并且是唯一的,所以邊界條件對求解結果有非常大的影響,因此要合理準確的設置好邊界條件。

運動邊界條件:錠模的側壁以及底面采用靜止壁面條件;扒鏟采用動網格設定其邊界條件,為運動剛體,其運動速度定為0.09 m/s。

壓強邊界條件:由于鋅液上方有空氣存在,所以錠模上表面設定為壓強入口條件,大小為一個標準大氣壓。

3)初始條件設置

選擇Standard Initialization 對流場進行初始化,對壓強、速度、湍流變量、第一相組分體積分數進行設定,完成全局初始化。由于在本次研究中使用了動網格設置,因此在全局初始化過程中不需要設置運行速度,并且設置第二、三相組分體積分數為0。

在完成了全局初始化后,利用Patch 功能,即修補功能,對局部區域內變量的值進行修改,進行局部初始化,補充其他相的體積分數,完成對流場初始條件的全部設定,即將不同流體補充到劃分好的區域。

4)基本物理模型選取

由于將氧化鋅渣皮假定為了一種流體,所以應在錠模中建立出鋅液流體和氧化鋅渣皮的模型,因此選擇多相流模型。而Fluent 提供了四種多相流模型:VOF(Volume of Fluid)模型、Mixture(混合)模型、Eulerian(歐拉)模型和Wet Steam(濕蒸汽)模型。一般常用的是前三種模型,Wet Steam 模型只有在求解類型是Density-Based 時才激活。由于VOF模型的主要研究對象是分層流,而混合模型和歐拉模型的主要研究對象是混合流體,因此在本研究中選取VOF 模型作為基礎模型,選擇顯性方式并打開體積力增強選項(Implicit Body Force),用以提高收斂精度,然后在Phase 面板中設定好主相與次相的材料。

由于扒鏟在運動時會引起鋅液湍流運動,所以選擇k-ε雙方程湍流模型,使用標準壁面函數;模型常數均采用系統默認值。

5)求解器和操作條件設置

求解器類型分為兩種:Pressure-Based 和Density-Based。Pressure-Based 是基于壓力法的求解器,使用壓力修正算法,擅長求解不可壓縮流動,對于可壓流動也可以求解。Density-Based 是基于密度法的求解器,具有比較好的求解可壓縮流動能力。由于鋅液被假定為不可壓縮流體,所以選取Pressure-Based 求解器。

由于在計算中要考慮重力的影響,所以需要確定重力的數值和方向,并設置好參考壓力值的大小以及參考壓力值的位置。

1.4 模擬結果

在流體仿真模型中,需要提前設置材料參數、邊界條件、初始條件、物理模型以及求解器和操作條件等等。

在確定好初始條件參數之后,進行扒鏟的扒渣過程流體仿真,模擬出來的鋅液流場與實際工業生產情況進行對比分析,驗證模擬的準確性。模擬結果如圖2、圖3 所示。

圖2 扒鏟扒渣運動初始階段z=0 截面上的渣皮體積分布圖

圖3 扒鏟扒渣結束運動階段z=0 截面上的渣皮體積分布圖

根據模擬出來的氧化鋅體積分布圖可以看出,扒鏟在扒渣過程的初始階段,鋅渣均勻浮在鋅液表面,隨著鏟子的勻速移動,鋅渣不斷積累,靠近扒鏟的部分鋅渣厚度不斷增加。在扒鏟扒渣過程結束時,鋅渣累積在鋅槽的另一端,沒有下沉趨勢,保持著上浮的穩定狀態。

從模擬出來的氧化鋅渣皮體積分布圖可以看出,當快運行至行程終點時,鋅渣被完全集中在錠模左側,這與實際工作情況要求大致相符,因此該流體仿真模型是可行的。

另外,根據扒鏟扒渣運動的速度矢量圖,可以推斷扒渣過程的流場狀態。扒鏟扒渣運動初始階段z=0 截面上的速度矢量圖如圖4 所示。

圖4 扒鏟扒渣運動初始階段z=0 截面上的速度矢量圖

從圖4 來看,可以發現扒鏟左右兩側的鋅液都向右流動且扒鏟左側鋅液流速明顯比右側大,即比扒鏟運動速度大。這是由于當扒鏟進行扒渣運動時,在短暫時間內會使扒鏟左右兩側液面高度不一致,右側液面會明顯高于左側液面,而左側液面低于靜止時的液面,在重力的影響下會產生重力勢能,迫使鋅液流動補充扒鏟左側液面,而補充的鋅液來自于扒鏟右側的鋅液,這也就是扒鏟附近渦流的形成原因,而左側鋅液在扒鏟以及渦流的共同作用下速度才會比扒鏟右側鋅液流動速度大,不過在扒鏟向右的運動過程中,扒鏟左右兩側的速度差值會逐漸縮小。因此,鋅液的速度和大小也大致符合實際運動情況。

2 扒渣影響因素分析

扒鏟的主要影響因素初始值如表2 所示。

表2 影響因素初始值表

2.1 浸入深度對扒渣的影響

在初始浸入深度基礎上,每隔1 mm 取一個數值進行模擬。氧化鋅渣皮體積分布如圖5 所示,速度云圖分布如圖6 所示。

圖5 浸入深度不同時z=0 截面上的渣皮體積分布圖

圖6 浸入深度不同時z=0 截面上的速度云圖

由圖5 可見,當扒鏟浸入深度大于扒渣過程中鋅液堆積的最大高度時,增加浸入深度并不影響整體渣皮的流動規律,即在扒鏟能夠很好地將渣皮聚集起來時,增加扒鏟的浸入深度對扒渣效率無影響。

由圖6 可見,隨著浸入深度的增加,錠模中鋅液的運動速度明顯增加,這表明增加浸入深度對錠模中鋅液的流動有十分顯著的影響。而鋅液流動越劇烈,越容易與空氣反應生成更多的氧化渣,既影響鋅錠的外觀,也造成金屬的浪費。

2.2 運行速度對扒渣的影響

在初始運行速度0.09 m/s 基礎上,每減少0.01 m/s 取一個數值進行模擬。運動速度與扒刀表面鋅渣堆積厚度關系圖如圖7 所示。

圖7 運動速度與堆積厚度關系圖

從圖7 可知,隨著扒鏟速度的增加,渣皮堆積厚度呈上升趨勢,不過當速度增大到一定程度時,渣皮堆積厚度會大于扒鏟浸入深度,從而導致渣皮從扒鏟下方流出,嚴重影響扒渣質量。

2.3 傾斜角度對扒渣的影響

在初始傾角tanα=0.5 基礎上,每隔tanα=0.25 取一個數值進行模擬。由于在某些角度下,渣皮會從扒鏟下流出,從而影響鋅錠質量以及扒渣效率,因此使用渣皮從扒鏟下方流出位置時的運動行程與總行程的比值衡量扒渣效率。

從圖8 可知,隨著角度的增大,渣皮從扒鏟下方流出的現象逐漸減輕,在α=26.6°附近完全消失。此外,改變扒鏟傾斜角度對錠模中鋅液流動影響不大,主要影響扒鏟附近鋅液的流動,扒鏟傾斜角度越大,扒鏟前面流體向前流動的速度也就越大,對流體的影響范圍也就越大。

圖8 傾斜角度與運動行程與總行程之比

3 結論

通過對仿真結果的分析,得出以下結構。

1)改變扒鏟的浸入深度對扒渣過程有影響,尤其在扒鏟下方有氧化鋅渣皮流出時,增加扒鏟浸入深度可以有效阻止此現象,但是隨著扒鏟浸入深度的增加,錠模內鋅液的整體流動速度也會明顯增加,即會對錠模內鋅液的流動產生顯著影響。在盡量提高扒渣合格率(清除鋅渣的效率)的前提下,同時減少鋅液整體流動的波動性,應選扒鏟的浸入深度在10～14 mm 范圍內。

2)改變扒鏟的運行速度會對扒渣過程有很明顯的影響,扒鏟運行速度越小,扒渣過程就越穩定,渣皮堆積的厚度也就越小;相應的,扒鏟的浸入深度隨之減小,對錠模內鋅液流動的影響也會減小,并且減小扒鏟運動速度本身就能減少對錠模內鋅液流動的影響。但是扒渣運行速度太低,會使扒渣整體過程周期變長,需要保證不影響扒渣效率的基礎上,控制合適的扒渣運行速度,應選擇速度在0.06～0.09 m/s 范圍內。

3)改變扒鏟的傾斜角度也會對扒鏟的扒渣過程產生顯著的影響,且隨著角度的增大,扒鏟將氧化鋅渣皮集中的能力也在緩慢增強,但是角度的改變對錠模中鋅液流體的流動影響不大,主要影響扒鏟運動方向上流體的運動,使其能更快達到與扒鏟運動近似的速度,這也是傾角的改變會對扒渣過程產生影響的原因。為保證錠模中鋅液流體的流動穩定,應控制扒鏟傾斜角度在26°～45°。