五流連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的水模型實驗

辛波，佟志芳，謝森林，陳濤

（1.江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西贛州341000；2.方大特鋼科技股份有限公司，南昌330000）

五流連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的水模型實驗

辛波1，2，佟志芳1，謝森林1，陳濤1

（1.江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西贛州341000；2.方大特鋼科技股份有限公司，南昌330000）

以國內(nèi)某鋼廠五流連鑄中間包為研究對象，根據(jù)相似原理建立了1∶3的中間包水模擬系統(tǒng)，考察不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)對中間包流體流動特性的影響.研究結(jié)果表明：原型中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理，各流水口之間的流體流動特性差異很大，存在較大死區(qū).通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使中間包流場得到明顯改善，其中方案Ⅵ效果最佳，平均停留時間離散度最小，活塞區(qū)體積達(dá)23.84%，死區(qū)體積為10%，比原型下降了71.70%.

連鑄；中間包；水模型；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

連鑄中間包是鋼包與結(jié)晶器之間重要的連接設(shè)備，它具有儲存、分配鋼液和實現(xiàn)多爐連澆的作用，可以促使鋼液中夾雜物的上浮與分離、均勻鋼水溫度，進(jìn)而提高鑄坯質(zhì)量，保證連鑄生產(chǎn)順行[1].中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)、控流裝置布置合理與否，直接影響中間包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)，從而影響鋼液內(nèi)夾雜物的去除.近年來，國內(nèi)外關(guān)于中間包冶金進(jìn)行了大量的學(xué)術(shù)研究.左祥均[2]通過采用合適的湍流抑制器，最小停留時間增加30%～50%，峰值時間增加40%～70%.段善勇[3]研究發(fā)現(xiàn)，擋墻設(shè)置對包內(nèi)鋼液的流動有非常重要的影響.張體廣[4]設(shè)置合理的控流裝置，各流之間的RTD曲線趨于一致，活塞流體積大大增加，死區(qū)體積下降38%.彭琦[5]采用優(yōu)化設(shè)計的控流裝置，中間包死區(qū)體積僅為5.6%.

國內(nèi)某鋼廠現(xiàn)有的五流連鑄機(jī)中間包，由于沒有采用任何控流裝置，鋼水在包內(nèi)各水口的分配非常不均.遠(yuǎn)端水口鋼水流動時間長，溫降較大，近端水口鋼水溫度高，流程短，鋼液中夾雜物來不及上浮就進(jìn)入結(jié)晶器中，導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量差，難以滿足品種鋼生產(chǎn)的需要，因此，對中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化具有非常實際的意義.實踐證明，利用水模型對中間包進(jìn)行物理模擬是尋找合理、有效的控流元件，優(yōu)化中間包內(nèi)鋼水流場的較為直觀和有效的方法[6-15].本研究采用水模型物理模擬方法對中間包內(nèi)流場進(jìn)行了研究，通過研究優(yōu)化了中間包內(nèi)的流場，并確定了合理的控流裝置，促進(jìn)連鑄生產(chǎn)順行和鑄坯質(zhì)量的提高.

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理

中間包內(nèi)鋼液的流動，一般可視為黏性不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動，流動的驅(qū)動力主要是重力和慣性力.同時，中間包內(nèi)鋼液流動與模型中水的流動處于同一自?；瘏^(qū).根據(jù)相似原理，只需保證兩個系統(tǒng)間弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等，就可以保證模型和原型的相似[16].由弗魯?shù)翭r準(zhǔn)數(shù)相等確定的模型與實型中流體的速度、流量、平均停留時間間的關(guān)系如下：

其中，g為重力加速度，9.8 m/s2；l為特征長度，m；V為流體速度，m/s；Q為流體流量，m3；tˉ為流體平均停留時間，min.

本實驗選用模型：原型為1∶3的縮小比例來建立物理模型，經(jīng)計算，得到的中間包原型及模型的主要技術(shù)參數(shù)見表1，其中入水口的流量根據(jù)鑄坯拉速（1.9 m/min）通過質(zhì)量守恒定律計算得出.

表1 中間包模型與原型主要參數(shù)表

1.2 實驗方法

實驗用自來水模擬鋼液，透明有機(jī)玻璃作為中間包的制作材料，用泡沫板制作擋墻.采用刺激-響應(yīng)技術(shù)，考慮到中間包的對性稱，實驗中只考察中間流（1流）、右側(cè)的兩流（2流、3流），以飽和NaCl水溶液作為示蹤劑，測量中間包1、2、3流水口出口處流體的電導(dǎo)率變化，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到停留時間分布曲線（RTD曲線），分析中間包內(nèi)流體的流動特性[17].采用標(biāo)準(zhǔn)差來考察各流的分散程度：

其中：S為標(biāo)準(zhǔn)差；xi為第i個樣本值，i=1，2，3；xˉ為表示樣本的算術(shù)平均值；N為樣本個數(shù)，N=3.

對于五流中間包來說，所考察參數(shù)的S值越小，說明參數(shù)的離散程度也越小，五流的流動特性越接近.中間包原包結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.實驗裝置示意圖如圖2所示.

圖1 中間包原包結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 實驗裝置示意圖

1.3 實驗方案

首先考察中間包原包內(nèi)流體流動特性，然后在原包的基礎(chǔ)上增設(shè)不同類型的“U”型多孔擋墻，在沖擊區(qū)加設(shè)湍流抑制器，考察兩者組合對中間包流動特性影響.擋墻分上下開孔，兩孔孔徑相等，孔間距z為67 mm，下孔距擋板下沿距離y為102 mm，開孔位置分為左邊、中間、右邊，距中心擋板距離xi分別為56 mm、127 mm、168 mm，多孔擋墻示意圖如圖3所示.采用圓筒形湍流器抑制如圖4所示.實驗方案見表2.

圖3 多孔擋墻示意圖

圖4 湍流抑制器示意圖

表2 實驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

方案Ⅰ～方案Ⅵ的RTD曲線如圖5所示.各方案的RTD曲線數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3、表4所示.

方案Ⅰ為中間包原包，無任何控流裝置.由圖5可以看出1流、2流曲線出現(xiàn)陡峰，說明有短路流存在.由表3、表4可以看出，各流初始響應(yīng)時間較短，1流水口僅為4.5 s，表明鋼水由沖擊區(qū)直接流向水口，鋼水中夾雜物來不及有效上浮，便流進(jìn)結(jié)晶器，降低鑄坯質(zhì)量.各流平均停留時間最大差值達(dá)77 s，標(biāo)準(zhǔn)差為38.72，表明各流流動狀態(tài)非常不一致.活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)僅為5.55%，而死區(qū)體積則高達(dá)35.33%，說明鋼液在中間包內(nèi)混均效果不好.較大的死區(qū)體積以及各流間較大的流動特性差別，會造成包內(nèi)的溫度分布不均，同時也不利于夾雜物充分上浮，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的順行及對產(chǎn)品質(zhì)量的有效控制.

方案Ⅱ～Ⅵ在方案Ⅰ的基礎(chǔ)上增設(shè)多孔擋墻，通過變換導(dǎo)流孔的位置、開孔角度以及添加湍流抑制器來優(yōu)化中間包流場.方案Ⅴ在擋墻左邊開孔，結(jié)合表3、表4和圖5與方案Ⅰ對比可知，1流、2流曲線的陡峰明顯減小，表明短路流現(xiàn)象得到明顯改善.但各流平均停留時間差值為81 s，平均停留時間標(biāo)準(zhǔn)差為51.63，表明各流之間流動特性差別增加.說明方案Ⅴ雖然可以有效地改善短路流，但中間包內(nèi)流場分布反倒更不均勻.方案Ⅳ將開孔位置移到中間，完全消除了短路流現(xiàn)象，平均停留時間差值為37.5 s，平均停留時間標(biāo)準(zhǔn)差為35.67，雖然較原包各流分布均勻性有一定改善，但效果仍然不是很理想.

方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ將開孔設(shè)置在擋墻右邊，由圖5可以看出，3個方案中各流的RTD曲線分布比較一致，其中方案Ⅵ的各流RTD曲線光滑，重合性最好.由表3可知，方案Ⅵ中1流的響應(yīng)時間由原包的4.5 s延長為22 s，3流的初始響應(yīng)時間由原包的33 s降到29.5 s，由表4可知，初始響應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)差由原包的15.02降為4.33，表明鋼水由注流區(qū)經(jīng)導(dǎo)流口到達(dá)1流和3流的時間差明顯降低，流動趨于一致，有利于澆注操作.由表3、表4可以看出，方案Ⅵ中各流平均停留時間的平均值由原包的368.6 s增加到513 s，鋼水在包內(nèi)平均停留時間增加，有利于鋼中夾雜物上浮，凈化鋼液.各流平均停留時間標(biāo)準(zhǔn)差由原包的38.72降為14.9，在所有方案中最小，表明各流流動趨于一致，鋼水在包內(nèi)混勻性最好.活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)由5.55%增加到23.84%，死區(qū)體積由35.33%降為10%.活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)與死區(qū)體積分?jǐn)?shù)之比由原包的0.16增加到2.38.活塞區(qū)體積增加，死區(qū)體積的減少也進(jìn)一步說明了鋼水在包內(nèi)流動性更好，使得包內(nèi)的溫度更均勻，且有利于夾雜物的去除.針對以上各方案，綜合比較，方案Ⅵ是各種方案中最有利于中間包流場均勻分布的方案，是本次實驗的最優(yōu)方案.

圖5 方案I～方案VI的RTD曲線圖

表3 中間包模型內(nèi)?；橘|(zhì)的停留時間特征

表4 中間包內(nèi)的流動模式和流動均勻性

3 結(jié)論

（1）原型中間包存在明顯的短路流現(xiàn)象，存在較大死區(qū)，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)為35.33%，不利于鋼液中夾雜物充分上浮.各流開始響應(yīng)時間和平均停留時間的離散度較大，流動一致性較差，鋼液流動分布不均勻.

（2）在原型中間包的基礎(chǔ)上，增設(shè)多孔擋墻和湍流抑制器，通過調(diào)整開孔位置及開孔角度優(yōu)化中間包流場分布，方案Ⅵ有效地延長了平均停留時間，增加活塞區(qū)體積，降低死區(qū)體積，是各種方案中最有利于中間包流場均勻分布的方案，是本次實驗的最優(yōu)方案.

[1]蔡開科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]左祥均.重鋼五流方坯連鑄中間包內(nèi)鋼液流動和夾雜物運(yùn)動的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[3]段善勇.重鋼五流方坯連鑄中間包控流裝置及冶金效果的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2003.

[4]張體廣.五流小方坯中間包的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2008.

[5]彭琦.八流中間包控流裝置的優(yōu)化研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2009.

[6]陳偉慶.冶金工程實驗技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[7]ZHENG Shu-guo，ZHU Mao-yong.Optimization of baffles in a sixstrand round bloom cont inuous casting tundish：a physical modeling study[J].Ironmaking and Steelmaking，2006，33（5）：398-401.

[8]陳遠(yuǎn)清，文光華，祝明妹，等.四流大方坯連鑄中間包的物理模擬研究[J].鋼鐵釩鈦，2006，27（2）：33-37.

[9]李永祥，程乃良，陳志平，等.三流Τ型中間包內(nèi)控流裝置優(yōu)化的物理模擬[J].中國冶金，2008，18（2）：35-38.

[10]韓麗輝，王靜松，王永勝.六流連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的水模型實驗[J].鋼鐵釩鈦，2009，30（2）：33-37.

[11]李曉柄，崔懷周，陳偉慶，等.小方坯連鑄六流中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化水模型研究[J].上海金屬，2010，32（5）：46-50.

[12]楊樹峰，石少清.水平連鑄中間包內(nèi)鋼水流動的水模型研究[J].特殊鋼，2009，30（4）：22-25.

[13]程志洪，帥勇，周俐.五流小方坯中間包內(nèi)型優(yōu)化水模實驗[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，26（2）：118-120.

[14]劉旭峰，周俐，王建軍，等.六流小方坯連鑄中間包內(nèi)型優(yōu)化設(shè)計水模研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，13（1）：126-128，137.

[15]王德永，馮麗萍，劉承軍，等.幾種中間包控流裝置的作用及比較[J].鋼鐵研究學(xué)報，2008，20（8）：21-24.

[16]王建軍，包燕平，曲英.中間包冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[17]鐘良才，史迪，陳伯瑜，等.七流方坯連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，31（7）：973-977.

Water modeling experiment on structure optimization of five-strand continuous casting tundish

XIN Bo1,2,TONG Zhi-fang1,XIE Sen-lin1,CHEN Tao1
(1.School of Metallurgy and Chemical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.Fangda Special Steel Science and Technology Co.Ltd.,Nanchang 330000,China)

Based on the five-strand caster tundish in a domestic steel plant，water modeling system with the 1∶3 similarity ratio is set up to study the effect of the different internal structure on fluid flow characteristics of tundish according to the similar principle.The results show that the unreasonable internal structure of prototype tundish and different flow characteristics between outlets with large dead zone volume and unfavorable mixing effect.The field characteristics of tundish are improved remarkably by optimizing the internal structure design.Of which,the scheme VI enjoys the optimal mixing effects for its minimum dispersion degree of mean residence time.The plug volume amounts to 23.84%with dead zone volume of 10%,which is decreased by 71.70%compared to the prototype tundish.

continuous casting;tundish;water model;structure optimization

TF769.2

A

1674-9669（2012）03-0010-05

2012-03-03

國家自然科學(xué)基金資助項目（50974064）

辛波（1977-），男，工程師，主要從事連鑄生產(chǎn)工藝優(yōu)化方面研究，E-mial：71657844@qq.com.

佟志芳（1972-），男，博士，教授，主要從事冶金二次資源綜合利用研究，E-mail：tongzhifang1998@126.com.