三流板坯中間包控流裝置優(yōu)化物理模擬研究及應(yīng)用

張紅令,薛偉鋒, 李炳堯,閻建武,趙獻(xiàn)斌,黃 進(jìn),安軍城,祝明妹

(1．中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶 401120; 2．唐山瑞豐鋼鐵有限公司,河北 唐山 063303;3.重慶大學(xué),重慶 400045)

為響應(yīng)國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革戰(zhàn)略,適應(yīng)鋼鐵行業(yè)和地方政府政策新要求,同時(shí)鋼鐵企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,“大型化、高效化、綠色化,智能化”受到各個(gè)鋼鐵企業(yè)的青睞。隨著冶煉技術(shù)提高及操作精細(xì)化、智能化,大型轉(zhuǎn)爐冶煉周期逐漸縮短[1-3]。對(duì)于生產(chǎn)700～1 300 mm中窄寬度板坯,傳統(tǒng)雙流板坯連鑄機(jī)產(chǎn)能、生產(chǎn)節(jié)奏等均無(wú)法與大型高效轉(zhuǎn)爐一對(duì)一匹配,因此,三流板坯連鑄機(jī)需求應(yīng)運(yùn)而生。

為了布置設(shè)備及檢修設(shè)備方便,三流1 250 mm板坯連鑄機(jī)流間距需5 800 mm。三流板坯連鑄通鋼量大,流間距長(zhǎng),易引起中間包邊流和中間流鋼液的溫度和成分不均勻,如各流鋼水流場(chǎng)不均勻,各水口處鋼液溫度差過(guò)大,易引起漏鋼事故,內(nèi)部質(zhì)量亦無(wú)法保證,無(wú)法實(shí)現(xiàn)三流板坯連鑄機(jī)的建設(shè)初衷。因此合理的中間包流場(chǎng)和溫度場(chǎng)是三流板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)順行的關(guān)鍵。

本研究以河北唐山瑞豐鋼鐵三機(jī)三流板坯連鑄機(jī)中間包為對(duì)象,通過(guò)在中間包內(nèi)設(shè)置控流裝置,改善中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)形態(tài)[4-9],延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)平均停留時(shí)間,降低死區(qū)比例,縮小邊流與中間流之間鋼水流動(dòng)及溫度的差異,以達(dá)到均勻各流鋼水成分和溫度,提高鋼水純凈度,保障工藝順行的目的。

1 基本參數(shù)

1.1 連鑄機(jī)基本參數(shù)

本連鑄機(jī)為三機(jī)三流板坯連鑄機(jī),連鑄機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 連鑄機(jī)基本參數(shù)

1.2 中間包基本參數(shù)

本中間包為T(mén)型中間包,中間包基本參數(shù)見(jiàn)表2,中間包內(nèi)腔圖見(jiàn)圖1。

圖1 中間包內(nèi)腔圖

表2 中間包基本參數(shù)

2 物理模擬原理及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 物理模擬原理

研究中采用水力學(xué)物理模擬的研究方法。有研究表明[10-11],選擇弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)作為中間包設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)數(shù)即可滿足流動(dòng)相似,即只考慮流體受到重力、慣性力的作用,忽略粘性力與表面張力。依據(jù)相似原理,本實(shí)驗(yàn)建立幾何相似比為1∶5的物理模型裝置。依據(jù)(Fr)m=(Fr)p,推出以下計(jì)算公式:

速度:

Um=λ0.5Up= 0.20.5Up= 0.4472Up

(1)

長(zhǎng)度:

Lm=λLp= 0.2Lp

(2)

流量:

Qm=λ2.5Qp= 0.017 9Qp

(3)

式中:m為模型;p為實(shí)型;λ為比例系數(shù);U為流體速度,m/s;Q為流體體積流量,m3/s。原型與模型的參數(shù)對(duì)照見(jiàn)表3。

表3 原型與模型的參數(shù)對(duì)照表

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 鋼水停留時(shí)間(RTD)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用飽和食鹽水作為示蹤劑,在液面到達(dá)中間包測(cè)試液位且流量穩(wěn)定時(shí),在入口瞬時(shí)加入一定量的飽和食鹽水,用電導(dǎo)儀檢測(cè)出口的電導(dǎo)率[12-13]。由于電導(dǎo)率和NaCl溶液的濃度存在一定關(guān)系,可以根據(jù)電導(dǎo)率計(jì)算出NaCl溶液的濃度。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)以供后續(xù)處理。采集時(shí)間為流體在中間包內(nèi)理論平均停留時(shí)間的2倍。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)的RTD曲線,從而定量描述中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀況。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2.2 流動(dòng)模式分析

根據(jù)修正混合理論[14],多流中間包內(nèi)各流的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)、活塞流體積分?jǐn)?shù)和全混流體積分?jǐn)?shù)可分別由式(4)～式(6)求出。

死區(qū)體積分?jǐn)?shù):

(4)

活塞流體積分?jǐn)?shù):

(5)

全混流體積分?jǐn)?shù):

(6)

2.2.3 流動(dòng)均勻性分析

對(duì)于多流連鑄機(jī),希望每流流動(dòng)特性完全相同,但是現(xiàn)實(shí)中由于各流水口出口與長(zhǎng)水口出口距離各不相同,因此,很難做到各流流動(dòng)特性完全一致,只能通過(guò)設(shè)置中間包控制裝置使各流平均停留時(shí)間、最短響應(yīng)時(shí)間盡可能接近。本文擬采用平均停留時(shí)間和最短響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)考察各流間的流動(dòng)特性一致性。對(duì)于n流中間包,計(jì)算方法如下:

設(shè)

(7)

標(biāo)準(zhǔn)差為

(8)

式中:i為流數(shù)。以下相同。

針對(duì)本項(xiàng)目研究的三流中間包,考察中間流和邊流的平均停留時(shí)間和最短響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)判斷流動(dòng)一致性,標(biāo)準(zhǔn)差越小,說(shuō)明三流的流動(dòng)性越趨于一致[15]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 無(wú)控流裝置時(shí)中間包內(nèi)鋼液停留時(shí)間及流動(dòng)模式分析

首先,進(jìn)行中間包內(nèi)不設(shè)置任何控流裝置(下文中稱(chēng)為空況)的實(shí)驗(yàn)。圖3給出了中間包內(nèi)不安裝任何控流裝置(空況)時(shí)的RTD曲線圖,表4給出了空況下中間包內(nèi)流體停留時(shí)間及流動(dòng)模式分析結(jié)果。對(duì)表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理,得到鋼液在整個(gè)中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成,見(jiàn)表5。

圖3 空況時(shí)中間包內(nèi)鋼液的RTD曲線圖

表4 中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成

表5 空況下中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成(整體)

從圖3和表4、表5中可以看出,不安裝任何控流裝置時(shí),中間流和邊流的平均停留時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差為39.5 s;中間流和邊流的最短響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差為15.5 s,中間包內(nèi)各流的流動(dòng)模式很不均衡。中間流最短響應(yīng)時(shí)間為10 s,中間流的停留時(shí)間分布曲線有明顯的尖峰存在,說(shuō)明存在明顯的短路流,夾雜物來(lái)不及上浮,各流溫度分布不均勻,不利于穩(wěn)定生產(chǎn)和鑄坯質(zhì)量。另外,空況時(shí),中間包內(nèi)鋼液的活塞流體積少,死區(qū)體積大,流動(dòng)模式不合理。

3.2 分流島實(shí)驗(yàn)的停留時(shí)間及流動(dòng)模式分析

為了均衡各流鋼液流動(dòng),本項(xiàng)目創(chuàng)新性提出新型中間包控流裝置-分流島。根據(jù)試驗(yàn)方案,共計(jì)完成九組分流島實(shí)驗(yàn)。分析分流島正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,中間包內(nèi)設(shè)置分流島后,鋼液的平均停留時(shí)間差顯著減小,中間流和邊流最短響應(yīng)時(shí)間差有所減小,各流流動(dòng)較無(wú)控流裝置時(shí)較均勻。根據(jù)分流島正交試驗(yàn)結(jié)果,確定2組分流島優(yōu)化方案試驗(yàn)。

圖4和圖5給出組分流島優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2時(shí)的RTD曲線圖。表6給出了兩組優(yōu)化方案下中間包內(nèi)流體停留時(shí)間及流動(dòng)模式分析結(jié)果。對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理,得到鋼液在整個(gè)中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成,見(jiàn)表7。

表6 分流島優(yōu)化實(shí)驗(yàn)時(shí)中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成

圖4 分流島優(yōu)化方案1中間包內(nèi)鋼液的RTD曲線圖

圖5 分流島優(yōu)化方案2中間包內(nèi)鋼液的RTD曲線圖

表7 分流島優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成(整體)

從表7中可以看出,分流島采用優(yōu)化方案1的后,中間流和邊流的平均停留時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差為18.5 s;中間流和邊流最短響應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差為5.5 s,這說(shuō)明中間流和邊流流動(dòng)較為均衡;中間流最短響應(yīng)時(shí)間為39 s,三流平均最短響應(yīng)時(shí)間為46 s,分流島采用優(yōu)化方案1后,避免了鋼液直接流向距離注流點(diǎn)最近的中間流,各流的流動(dòng)比較均勻。采用該方案后,平均停留時(shí)間為221 s,活塞流和死區(qū)之比為0.74,流動(dòng)模式較合理。因此,中間包內(nèi)采用優(yōu)化方案1的分流島方案是較為合適的。

3.3 分流島、擋墻、擋壩A和擋壩B組合的物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在中間包內(nèi)安裝了分流島優(yōu)化方案1的情況下,采用正交實(shí)驗(yàn)的方法研究擋墻和擋壩A的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置,采用單因素分析的方法研究擋壩B的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置。對(duì)擋墻、擋壩A和擋壩B的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置進(jìn)行研究。表8給出了六組方案下中間包內(nèi)流體停留時(shí)間及流動(dòng)模式分析結(jié)果。對(duì)表8中數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理,得到鋼液在整個(gè)中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成,見(jiàn)表9。

表8 中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成

表9 中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成(整體)

表8～表9給出了六種控流元件組合方案的中間包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間和流動(dòng)模式組成。從表8～表9中可以看出,中間包內(nèi)采用分流島+擋墻+擋壩A+擋壩B的組合方案后,鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間為284 s,在所設(shè)計(jì)的六種方案中是最長(zhǎng)的;活塞流體積與死區(qū)體積之比為2.16,在所設(shè)計(jì)的六種方案中是比例最大的。這說(shuō)明采用分流島+擋墻+擋壩A+擋壩B的組合方案后,鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間更長(zhǎng),流動(dòng)模式更加合理。從表9中還可以看出,中間流和邊流最短響應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差為3 s,在所設(shè)計(jì)的六種方案中是較小的,這說(shuō)明中間流和邊流流動(dòng)較為均衡。

3.4 有湍流器控流裝置組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)3.3小節(jié)的研究結(jié)果,對(duì)湍流器+分流島+擋墻+擋壩A+擋壩B和湍流器+分流島+擋墻+擋壩A兩種控流元件組合方案進(jìn)行研究。表10給出了兩組方案下中間包內(nèi)流體停留時(shí)間及流動(dòng)模式分析結(jié)果。對(duì)表10中數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理,得到鋼液在整個(gè)中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成,見(jiàn)表11。

表10 中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成

表11 中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成(整體)

表10～表11給出了兩種控流元件組合方案的中間包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間和流動(dòng)模式組成。從表10～表11中可以看出,中間包內(nèi)采用湍流器+分流島+擋墻+擋壩A+擋壩B的組合方案后,鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間與分流島+擋墻+擋壩A+擋壩B相同,都是284 s;雖然說(shuō)最短平均停留時(shí)間長(zhǎng)于沒(méi)有湍流器的工況,但是從中間流和邊流的平均停留時(shí)間差和最短平均停留時(shí)間差上來(lái)看,沒(méi)有湍流器時(shí),整個(gè)中間包內(nèi)各流的流動(dòng)狀態(tài)更加均勻。另外,增加湍流器后,不但增加了生產(chǎn)成本,從另外一個(gè)方面來(lái)說(shuō),耐火材料本身也是鋼液的污染源,所以從流動(dòng)模式的角度分析,中間包內(nèi)采用分流島+擋墻+擋壩A+擋壩B的組合方案是合適的。

3.5 擋壩A無(wú)泄流孔的控流裝置組合的物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表12給出了六組方案下中間包內(nèi)流體停留時(shí)間及流動(dòng)模式分析結(jié)果。對(duì)表12中數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理,得到鋼液在整個(gè)中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成,見(jiàn)表13。

表12 中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成

表13 中間包內(nèi)停留時(shí)間及流動(dòng)模式組成(整體)

從表13可以看出,中間包內(nèi)采用分流島+擋墻+擋壩A(無(wú)泄流孔)+擋壩B的組合方案后,鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間為298 s,最短響應(yīng)時(shí)間為59 s,活塞流體積與死區(qū)體積之比為2.52,鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)模式優(yōu)于有泄流孔的情況。

綜上結(jié)果,本項(xiàng)目中間包內(nèi)控流裝置選用分流島+擋墻+擋壩A(無(wú)泄流孔)+擋壩B組合方案。

4 生產(chǎn)實(shí)踐

該項(xiàng)目于2021年7月投產(chǎn)以來(lái),生產(chǎn)穩(wěn)定,最大日產(chǎn)鑄坯10 890 t/d,平均日產(chǎn)量10 000 t/d。生產(chǎn)厚度200 mm鑄坯時(shí),穩(wěn)定工作拉速可達(dá)到1.8 m/min。各流鑄坯質(zhì)量?jī)?yōu)良,各流鑄坯低倍照片詳見(jiàn)圖6。

圖6 各流鑄坯低倍照片(鑄坯規(guī)格200 mm×1 100 mm,鋼種Q235)

5 結(jié) 論

(1)本文提出的新型中間包控流裝置分流島有效地優(yōu)化了三流板坯連鑄機(jī)中間包內(nèi)流場(chǎng),使各流平均停留時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差和最短響應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差縮小,各流的流動(dòng)性趨于一致。

(2)本項(xiàng)目中間包最佳控流裝置為分流島+擋墻+擋壩A(無(wú)泄流孔)+擋壩B組合方案。

(3)項(xiàng)目投產(chǎn)后,生產(chǎn)穩(wěn)定順行,鑄坯質(zhì)量?jī)?yōu)良,實(shí)現(xiàn)三流板坯連鑄機(jī)的建設(shè)初衷。三流板坯連鑄機(jī)可降低項(xiàng)目建設(shè)投資,提高生產(chǎn)效率,降低噸鋼消耗,是大轉(zhuǎn)爐匹配中窄寬度板坯生產(chǎn)的理想選擇。