小方坯中間包擋墻參數(shù)優(yōu)化和物理模擬的研究

潘貴明，芮其宣

1. 興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰 214400；2.安徽工業(yè)大學(xué) 安徽馬鞍山 243002)

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小方坯中間包擋墻參數(shù)優(yōu)化和物理模擬的研究

潘貴明1，芮其宣2

1. 興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰 214400；2.安徽工業(yè)大學(xué) 安徽馬鞍山 243002)

澆注小方坯的中間包控流裝置一般為中間包擋墻，其影響中間包流場的參數(shù)主要有孔徑、孔傾角、孔間距、孔高等。研究針對(duì)某廠中間包技術(shù)改進(jìn)，采用了水模型對(duì)其中間包擋墻參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)通過顯著性分析研究了影響中間包流場的參數(shù)順序，并通過正交實(shí)驗(yàn)尋找最優(yōu)流場。

中間包流場；擋墻參數(shù)；水模型；正交實(shí)驗(yàn)

中間包是煉鋼過程中由間歇操作轉(zhuǎn)變成連續(xù)操作的一種過渡設(shè)備，具有穩(wěn)壓、儲(chǔ)存鋼液，保證鋼液連續(xù)澆注順利進(jìn)行的作用[1]。為了得到理想的流動(dòng)狀態(tài)，中間包內(nèi)設(shè)置了如:擋墻、擋壩、多孔擋墻、湍流抑制器等多種控流裝置，通過這些裝置可以使得澆注的各流獲得較為均勻的溫度和成分?，F(xiàn)在某鋼廠因?yàn)楣に嚫淖儯枰獙?duì)中間包內(nèi)的擋墻工藝參數(shù)重新設(shè)計(jì)，從而使得改進(jìn)后的中間包仍然可以獲得溫度和成分較為均勻的流場。

國內(nèi)一般使用水模型來模擬中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)，采用了中間包各流的停留時(shí)間分布(RTD)曲線來描述中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特性[2],[3]，采用了正交試驗(yàn)法對(duì)中間包擋墻參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)擋墻參數(shù)進(jìn)行了顯著性分析，指出了對(duì)流場影響最大的參數(shù)，同時(shí)給出中間包流場最優(yōu)的擋墻參數(shù)組合方案。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

物理模擬實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似定律。該定律主要包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。動(dòng)力相似需要滿足室溫水模型中的Re和Fr相似準(zhǔn)則，文獻(xiàn)[4],[5]研究表明中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)與模型中水的流動(dòng)處于同一自?；瘏^(qū)，所以只要保證模型和原型的Fr準(zhǔn)數(shù)相等：

(1)

(2)

(3)

式中：v為流速，m/s；Q為實(shí)際鋼水體積流量，m3/h；λ為模型比例系數(shù)，g為重力加速度，m/s2，L為特征長度。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：

實(shí)驗(yàn)裝置由比例為1∶2.5的中間包有機(jī)玻璃模型、DDS-11A型電導(dǎo)率儀和DJ800信號(hào)采集儀等組成。

水模型實(shí)驗(yàn)采用“刺激-響應(yīng)”法測定鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，實(shí)驗(yàn)使用飽和NaCl溶液作為示蹤劑，在中間包出口處測量和采集水的電導(dǎo)率變化數(shù)據(jù)。對(duì)繪制的停留時(shí)間分布(RTD)曲線進(jìn)行分析和計(jì)算，以評(píng)價(jià)中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)中間包冶金效果的影響。由于中間包的幾何對(duì)稱性，實(shí)驗(yàn)中選取了左側(cè)三流出口作為采集地點(diǎn)。

表1 原型與模型主要參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

中間包改進(jìn)后，對(duì)新型擋墻需要重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案考慮開孔直徑、開孔傾角、擋墻開孔距離底面高度以及水平兩孔徑之間的距離等因素對(duì)流場的影響。實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)中間包擋墻參數(shù)進(jìn)行分析，以求找到最佳的中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)和分布，從而達(dá)到均勻溫度以及使鋼液中非金屬夾雜物充分上浮去除，以滿足鑄坯質(zhì)量和連鑄工藝順行的要求[6]-[8]。

實(shí)驗(yàn)中采用Y型擋墻，如圖2所示：

圖2 實(shí)驗(yàn)采用的擋墻形狀

實(shí)驗(yàn)采取四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)法，其因素、水平如下所示：

第一個(gè)因素：開孔的直徑?，其水平分別?。?5 mm、28 mm、32 mm；

第二個(gè)因素：開孔向上傾角的角度α，其水平分別取：8 °、15 °、30 °；

第三個(gè)因素：距離底面高度H(切除底面2cm后)，其水平分別?。?0 mm、60 mm、70 mm；

第四個(gè)因素：水平兩孔徑之間的距離L，其水平分別?。?0 mm、80 mm、90 mm。

正交實(shí)驗(yàn)方案如表2所示：

2 結(jié)果與分析

典型RTD曲線如圖3所示：

表2 實(shí)驗(yàn)方案

圖3 典型RTD曲線圖

對(duì)中間包出水口RTD曲線分析如圖4所示

圖4 中間包出水口平均停留時(shí)間圖

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖4顯示了實(shí)驗(yàn)中9種方案的各個(gè)出水口平均停留時(shí)間的分布。由圖可以看出，方案Ⅲ的1號(hào)和2號(hào)出水口的平均停留時(shí)間分別為524.3 s、513.6 s，相比其他方案較大，這將有利于夾雜物的充分上浮分離，且其平均停留時(shí)間差絕對(duì)值為9.7 s，較為接近，因而鋼液出口處的溫度差較小、鋼液成分也將較為接近。此外方案Ⅲ中1號(hào)和2號(hào)出水口的混合區(qū)體積分別為75.0 %、77.5 %，相比其他方案較高，因此方案Ⅲ鋼液的混勻效果較為理想。對(duì)中間包各出水口的平均停留時(shí)間進(jìn)行極差分析發(fā)現(xiàn)： 1號(hào)出水口最優(yōu)方案導(dǎo)孔直徑為28 mm、向上傾角為30 °、距離底面高度為60 mm、水平兩孔之間的距離為90 mm，2號(hào)出水口最優(yōu)方案導(dǎo)孔直徑為28 mm、向上傾角為15 °、距離底面高度為60 mm、水平兩孔之間的距離為90mm。

實(shí)驗(yàn)還對(duì)極差分析結(jié)果進(jìn)行了顯著性分析，發(fā)現(xiàn)：各因素從主到次的順序分別為：Φ(孔徑)、α(傾角)、L(兩孔間水平距離)、H(距離底面高度)。

實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案為Φ2α3L2H3，即導(dǎo)孔直徑為28mm、向上傾角為30°、距離底面高度為60mm、水平兩孔之間的距離為90mm。

通過顯著性分析得到，孔徑的改變對(duì)整個(gè)流場的影響顯著效果較為明顯。

3 結(jié)論

本文針對(duì)中間包技術(shù)改進(jìn)，通過水模型實(shí)驗(yàn)研究了優(yōu)化中間包導(dǎo)流隔墻參數(shù)以獲得較為理想的中間包內(nèi)流場。實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)法和顯著性分析研究了孔徑、孔傾角、孔間距和孔高度等四個(gè)因素對(duì)中間包流場的影響，獲得了最佳組合。實(shí)驗(yàn)得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1)通過正交實(shí)驗(yàn)和顯著性分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)中間包流場影響效果的參數(shù)順序?yàn)椋嚎讖?孔傾角>孔間距>孔高度

2)通過正交實(shí)驗(yàn)認(rèn)為：針對(duì)本文中間包流場的最優(yōu)組合為導(dǎo)孔直徑為28 mm、向上傾角為30 °、距離底面高度為60 mm、水平兩孔之間的距離為90 mm。

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Study of Physical Simulation and Parameters of Wall Optimization in Billet Tundish

RAN Gui-ming，RUI Qi-xuan

flow control devices for tundish in billet casting is unsallly tundish wall，and which parameters influence tundish flow are dimeter of hole, angle of hole, distance between holes and high of hole. This study aimed at a plant’s technical improvement, and the optimization design of the parameters of the tundish wall is carried out by water model. In this experiment, the parameters of the flow field in tundish are studied by means of significant analysis, and the optimal flow field is also investigated by orthogonal experiment.

flow field in tundish; paremeters of wall; water medel; orthogonal experiment

2016-10-11

潘貴明(1974-)，男，興澄特種鋼有限公司特板煉鋼分廠，工程師。

TF777.3

A

1672-9994(2016)04-0005-04