天鐵3#連鑄機中間包流場分析與改進

安志勇

（天津天鐵冶金集團有限公司，河北涉縣056404）

天鐵3#連鑄機中間包流場分析與改進

安志勇

（天津天鐵冶金集團有限公司，河北涉縣056404）

介紹了3#連鑄機中間包工藝參數(shù)對中間包選型的影響。利用模擬軟件建立模型，通過對中間包流場模擬結(jié)果的分析和對比，確定中間包內(nèi)設(shè)置最佳方案，引入帶導(dǎo)流孔的C型擋墻，改善“T”字型中間包各出流口的差異，延長鋼液在中間包內(nèi)停留時間，均勻鋼液成分和溫度，促進了夾雜物的上浮，提高了鋼水潔凈度。

連鑄機；中間包；流場；分析；改進

1 引言

天鐵集團煉鋼廠3#連鑄機進行9 m弧改造后，采用定徑水口與塞棒混合澆注的方式,原有中間包內(nèi)結(jié)構(gòu)已不能適應(yīng)品種鋼生產(chǎn)的需要。中間包角部存在鋼水停滯區(qū)，鋼包鑄流對中間包沖擊板的沖擊力強，中間包沖擊板侵蝕嚴(yán)重，包內(nèi)鋼水表面呈波浪運動，鋼水停留時間短，不能最大限度地去除夾雜物，均勻成分和溫度。且弧形連鑄機在澆注過程中，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)弧有夾雜物聚集的傾向，導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)疤、卷渣等質(zhì)量缺陷。因此，對中間包進行流場分析，重新選型和改造勢在必行，以期找到更有利于生產(chǎn)組織的中間包，適應(yīng)品種開發(fā)的生產(chǎn)需求。

2 中間包工藝參數(shù)對流場的影響

2．1 容量

通常情況下中間包的容量越大，在整個澆注過程中，鋼液面越趨于穩(wěn)定，有利于順利操作。且鋼水在中間包內(nèi)的停留時間越長，夾雜物上浮的機會越大。但增加中間包液面深度的同時，夾雜物上浮去除需要的距離也相應(yīng)增加。同時，也要考慮轉(zhuǎn)爐容量和生產(chǎn)節(jié)奏，不可中包容量大，鋼包容量小，否則會出現(xiàn)等鋼水的情況。所以不能一味擴大中間包的容量來延長鋼液在中間包內(nèi)的停留時間。根據(jù)天鐵煉鋼的澆鋼時間（25～30 min）和鋼包容量，將中間包最大容量設(shè)計在32 t左右。

2．2 中包流數(shù)

中間包是否對稱和流數(shù)的多少決定了鋼水溫度、成分在各流之間的均勻性。流數(shù)越多，中間包流場分布越不均勻。為保持入水口對各出水口在幾何構(gòu)型上對稱，3#連鑄機設(shè)計為四機四流，采用“T”字型單側(cè)接收鋼水的非對稱型中間包。

2．3 中包液面高度

中包液面高度與中間包長度的比值對流場有較大影響。中間包半長度L/2與液面高度H之比大于3．5時，方可讓夾雜物有充分的時間上浮[1]。

2．4 拉速

澆注速度越快，鋼液在中間包內(nèi)的停留的時間就越短，夾雜物沒有充分的時間來上浮。定徑水口澆注主要依靠水口直徑和液面高度來控制澆注速度，天鐵3#連鑄機是澆注斷面為150 mm×150 mm，設(shè)計最大拉速為2．8 m/min,中包容量為30 t，澆鋼周期約25 min左右，根據(jù)T=a2×V×ρ×4×28計算。式中，a為澆注斷面，m2；v為拉速，m/min；ρ為鋼坯密度，按7．8 t/m3計算；T為中間包容量，t；得出最低拉速位為1．7 m/min?？紤]到三座轉(zhuǎn)出鋼節(jié)奏，保持鋼水在中間包內(nèi)停留時間約12～15 min，將拉速控制在2．2～2．3 m/min。

2．5 中間包內(nèi)安裝流動控制裝置

各種流動控制裝置對流場的作用各有所長。中間包內(nèi)只有堰時對包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)的改善不是很明顯，仍然存在短路流。而加適當(dāng)高度的壩時卻可以消除短路流，并且擋墻擋壩聯(lián)合使用對減少擊穿流，增加活塞流或返混流的強度和停留時間，改善中間包流場的作用更大。研究發(fā)現(xiàn)擋墻和擋壩聯(lián)合使用，平均停留時間比單用擋墻時增加了2倍，比不用任何控流裝置時增加了4倍，并且死區(qū)也大幅度減少[1]。因此在3#機中包內(nèi)設(shè)置了擋墻和壩的組合，為滿足定徑水口澆注與塞棒澆注同時使用的要求，中間罐內(nèi)設(shè)有水口磚和座磚，水口磚較普通定徑水口磚稍高，便于安裝塞棒。

3 模擬的邊界條件

利用商業(yè)軟件的模型進行計算，整個計算區(qū)域被六面體單元劃分為網(wǎng)格。

保持中間包鋼水液面不變，不考慮鋼液表面渣層的影響，視該面為自由表面，自由表面的法線方向的速度為零注入口除外，在入口和出口處流股的速度方向垂直于自由表面，動量方程采用二階離散格式，收斂條件為殘差小于10-3。實際中間包中水口的水平截面為圓形，其直徑為水口的內(nèi)徑，而在計算中便于網(wǎng)格劃分，入口與出口都采用與水口內(nèi)徑當(dāng)量直徑（din）相同的正方體來代替圓柱體，入口為速度入口邊界條件。入口的湍動能（k）和耗散率（ε）按公式（1）、（2）計算[2]。

4 模擬結(jié)果及分析

4．1 在χ=0截面處速度分布矢量圖比較

圖1為中間包沒有擋墻時且在χ=0截面處的速度分布矢量圖。

圖1 無擋墻中間包在截面χ=0處的速度矢量圖

從圖中可看出，沒有擋墻的中包，鋼水進入中包后會在中包左右兩側(cè)各形成一個較大的鋼水回旋區(qū)，右側(cè)是鋼水注流沖擊形成的，易產(chǎn)生卷渣。有一部分?jǐn)y帶爐渣的鋼水可直接抵達中間包分流處的水口進入結(jié)晶器，鋼液沒有足夠時間在中間包內(nèi)停留且溫度和成分偏流程度嚴(yán)重。另一個左側(cè)的漩渦則是大部分鋼水流動碰至中包包壁回流形成的，這種流動狀態(tài)對鋼水液面的攪動比較大，中間包液面較低時在分流水口處極易出現(xiàn)漩渦卷渣。同時由于鑄流對沖擊板的沖擊力度較大，鋼水上下爐溫度波動較大，涂抹料包經(jīng)常出現(xiàn)包板崩裂和剝落的情況，加劇了鋼水污染，不利于去除夾雜。

圖2為中間包設(shè)置擋墻后的流場圖，和圖1（a）對比就可以看出，鋼液翻滾只集中在擋墻右側(cè)也就是鋼包注流的澆注區(qū)域，這個區(qū)域有較大的回流可增加鋼液的平均停留時間，利于均勻成分和溫度以及促進夾雜物的碰撞長大。在擋墻左側(cè)雖然靠近中包包壁處仍然有一個回旋區(qū)但鋼水流動較平穩(wěn)，在靠近中包水口入口處兩側(cè)各形成一個回流區(qū)，這個區(qū)域鋼液紊流較強烈，但注流區(qū)鋼水液面翻滾幾乎消失，這種流動狀態(tài)有利于均勻鋼液成分和溫度、促進夾雜物的上浮去除[2]。

4．2 在z=100 mm處速度矢量圖和云圖比較

圖2 有擋墻中間包在截面χ=0處的速度矢量圖

從圖3中可看出，無擋墻中間包內(nèi)分配區(qū)流動形式較單一，沿包底的流動比較明顯，鋼液的流動路徑偏單一，流動主要集中于中間包的底部以及中間出流口附近區(qū)域；鋼液近流處包底的速度較大，中流處的中上部速度較大，在遠流處的速度較小和包內(nèi)其它鋼液的能量、物質(zhì)交換緩慢，對于多流中間包的各流的不均勻程度相對較大，不利于保證鋼液的清潔度和澆注的順行，對實際生產(chǎn)不利。

由圖4可以看出，在全高型帶導(dǎo)流孔擋墻的中間包內(nèi)整個分配區(qū)的流動比較平穩(wěn)，包底無短路流。鋼包注流區(qū)的溫度、能量傳遞較分配區(qū)快，渣子不能流到中間包分配區(qū)，始終在擋渣墻板上，減少了漩渦卷渣直接進入結(jié)晶器的幾率。另一方面，鋼液從導(dǎo)流孔流出，耗散了高速鋼液的動能，使中包分配區(qū)的鋼液速度趨于平緩，且其各流速度差異減小[1]，使鋼液在中間包內(nèi)的流動路線延長，對應(yīng)的停留時間增加，減小了死區(qū)的體積，增加了夾雜物互相碰撞長大、上浮去除的可能性。

圖3 無擋墻中間包在截面z=100 mm處的速度矢量圖和云圖

圖4 帶導(dǎo)流孔擋墻中間包在截面z=100 mm處的速度矢量圖和云圖

5 結(jié)論

通過比較兩種不同結(jié)構(gòu)中包分配區(qū)的流場分布圖可發(fā)現(xiàn)，改進后的有擋墻中間包在優(yōu)化流場方面要好于改造前的無擋墻中間包，帶導(dǎo)流孔的全高型擋墻使得鋼液進入注流區(qū)后流動比較平穩(wěn)，流動路線增長，鋼液停留時間增加，偏流程度降低了，有利于鋼液中夾雜物的碰撞長大，均勻鋼液成分和溫度，從而提高各流鑄坯質(zhì)量的均勻性。

[1]岳強，陳凌，孟淑敏．六流中間包流場的數(shù)值模擬[J]．連鑄，2012（7）：22．

[2]張朝暉，巨建濤．臨鋼板坯連鑄機中間包物理模擬與數(shù)學(xué)模擬實驗研究[J]．連鑄，2009（2）：13．

Analysis and Improvement of Tundish Flow Field at Tiantie Caster 3

AN Zhi-yong
(Tianjin Tiantie Metallurgical Group Co．,Ltd．,She County,Hebei Province 056404,China)

The influence of tundish process parameters on tundish type selection at Caster 3 is introduced．Simulation software was utilized to establish a model to analyze and compare the results of tundish flow field simulation in order to define an optimal plan for the internal arrangement of tundish．The plan introduces C shaped retaining wall with guide holes,improves the difference of T shaped tundish outlets,prolongs the residual time of liquid steel in tundish,uniforms the composition and temperature of liquid steel so the floating of inclusions was promoted and the steel cleanliness was improved．

caster;tundish;flow field;analysis;improvement

10．3969/j．issn．1006-110X．2015．03．009

2015-01-20

2015-02-12

安志勇（1980—），男，工程師，主要從事科技項目管理工作。