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大方坯连铸中间包抑制卷渣水模实验研究

赵亮，张晓光，丁丽华

(鞍钢股份技术中心，辽宁鞍山114001)

摘要：依据相似原理，通过水模拟实验，对大方坯连铸中间包钢水旋涡产生及抑制钢水卷渣方法进行研究，通过设置抑流装置，破坏出水口处旋转流动状态，达到抑制卷渣，降低卷渣高度的目的。结果表明，出水口设置抑流装置，卷渣高度与生产实际相比有明显下降。其中单砖布置，对旋涡形成有一定的干扰效果，但随机性很大；采用双砖布置方式，出现旋涡高度稳定，表明双砖布置对旋涡形成有很强的干扰作用，从而达到抑制卷渣提高钢水纯净度的目的。

关键词：大方坯中间包；卷渣；旋涡；水模

1  前言

在连铸中间包浇注末期，由于钢水产生旋涡而引起的钢流卷渣不但降低了钢水的纯净度，同时也会对包衬和水口的使用寿命产生不利影响^[1-3]。因此，研究钢包内钢水旋涡产生过程及控制措施具有重要意义。

黄晔等^[4]指出，形成旋涡的能量来源有3个，一是地球自转引起的科氏力，二是流场不均匀性诱发的环流，三是流体流出过程中自身的位能。浇钢过程中，当钢包内的钢液面下降到一定高度时，首先在自由表面产生旋转流动，然后转速逐渐加快、下凹，直至贯通水口。一般将刚产生旋转流动时的液面高度称为临界高度。

本次文以大方坯连铸中间包作为研究对象，建立实验室水力模型进行大方坯连铸中间包抑制卷渣水模实验，通过优化设置并考虑生产实际，最大限度降低大方坯连铸中间包内液面卷渣高度。

2水模实验

2．1水模实验原理

水模型实验采用模型与原型之比1：2的模型进行。

根据相似理论，几何相似就是要保证模型与原型中各对应的长度比为一常数，对应几何角度相等。考虑到在中间包内产生的回流为复杂的湍流流动，紊流条件下中间包内钢水流动雷诺数的自模化特性，控制运动状态的主要因素是惯性力和重力，保证中间包原型和模型之间的弗鲁德数(Fr)相等即可^[5]。

(Fr)m=(Fr)_s。即：u²_m／gL_m=u²_s／gL_s

其中：u为特征速度，m·s^-1；L为特征长度，m；下标m和s分别表示中间包模型和原型，实验参数根据相似准则进行相应的换算。

2．2实验装置及研究方法

2．2．1水模实验装置

以四流大方坯中间包为原型，实验模型采用有机玻璃制作，装置示意图如图1所示。

2．2．2研究方法

在中间包包底水口附近加矩形砖抑流装置，通过设置抑流装置破坏出水口处旋转流动状态达到抑制卷渣、降低卷渣高度的目的，试验时测量产生不同类型漩涡的初始高度。矩形砖最近断面距离距水口边缘距离为L(单位：mm)，设置抑流件的实验方案具体见图2。

3实验结果及分析

3．1  旋涡产生类型及其影响

对于一定液位的大方坯连铸中间包，出水口处可能出现的旋涡，一般分为自由表面旋涡和水中旋涡两种，其中表面旋涡对浇铸影响很大，通常是关注的重点。美国Alden实验研究室根据实验观察到的现象^[6]，将表面涡依其强弱分为以下六种类型。

旋涡对生产产生的影响因其类型而异，近于无旋涡不会引起危害，允许存在；弱旋涡情况对浇注可能会产生一定影响，一般不太严重，宜考虑防止出现；属于强旋涡情况会引起较严重的后果，在浇注过程中不允许出现(见表1)。

3．2水模实验结果分析及讨论

正常生产时中包水口无任何抑流装置的方案试验结果见表2。加装抑流砖后，对液面旋涡产生高度影响显著。各个加抑流砖的中间包试验图片剪辑见图3。

每个实验方案进行3次重复性实验，以保证实验结果的重现性。实验结果见表3。

对各方案1#～4#水口的涡流高度进行平均，分析及比较其平均高度的优劣。与生产实际(d-空白)比较结果见表4。

由表3、表4可看出，与生产实际(d-空白方案)相比，对于表面凹陷涡出现时的平均液位，b(ii)-20方案降低幅度最大，为46．5％，最小为d和b(i) -10方案。对于间断吸气涡出现时的平均液位，a(i) -20方案降低幅度最大为55．5％，最小为a(i) -0方案。

以代表卷渣开始的间断吸气涡为例，由统计结果可以得到如下结论。

单砖情况：随L的增加，与生产实际情况(d方案)相比，平均高度降幅增大。对于a-(i)布置方式，L=0、10、20mm，平均高度降幅分别为31％、49．3％、55．5％，降幅梯度很大；a-(ii)布置方式，平均高度降幅分别为49％、50．7％、51．3％，降幅梯度平缓。

双砖情况：随L的增加，与生产实际情况(d方案)相比，平均高度降幅增大。对于b-(i)布置方式，L=0、20mm，平均高度降幅分别为46．8％、46．2％，从多次实验观察，出现涡流时平均高度重现性较好；b-(ii)布置方式，平均高度降幅基本在41％～43．7％之间，降幅梯度平缓。

从实验中可以看出，在没有安装抑流装置的情况下，在145mm(实物290mm)高度水口附近的液面粒子开始聚集转动并逐渐旋转加快，70mm(实物140mm)高度，旋涡处有粒子卷入并持续到65mm(实物130mm)高度形成贯通空气流，且挟带液面粒子进入水口；对于距水口一定距离的单砖抑流装置，各水口处液面形成的挟物旋涡高度(平均28～80mm)不尽相同，有的旋涡在距水口较远处形成，表明单砖布置对旋涡形成有明显的干扰效果，且随机性很大；对于距水口一定距离双砖抑流装置，各水口处液面形成的挟物旋涡高度不尽相同。由于受双砖的扰动，卷渣高度(在35～70mm)平均低于单砖布置，且出现漩涡高度稳定。

4  结论

(1)在中间包浇注过程中，随着钢水液面降低至一定高度，钢水表面会产生旋涡，造成卷渣，影响钢水质量，增加适当的抑流装置，可以有效的降低旋涡产生高度，抑制卷渣。

(2)水口侧单砖布置，卷渣高度与生产实际相比有显著下降，a-(ii)布置方式平均高度为44～32．2mm，平均降幅49％～51％，对旋涡形成有明显的干扰效果，但随机性很大。

(3)水口侧双砖布置，卷渣高度与生产实际相比有明显下降，b-(i)布置方式平均高度为35～80mm，平均降幅38．6％～46．8％，低于a-(ii)布置方式，但出现旋涡的高度稳定，重现性较好。

综上所述，对于有效降低旋涡高度且稳定，水口侧双砖布置可很好的适用于生产应用。

参考文献

[1]王谦，何生平，何宇明等．减少钢包下渣提高铸坯洁净度[J]．钢铁，2007，42(10)：32～35．

[2]Davila O，Morales R D，Garcia—Demedices L Mathematical Simulation of Fluid Dynamics during steel Draining Operations from a Ladle[J]．Metall．Mater Trans．B：Process Metall．MateL Process．Sci．，2006，37(1)：71~87．

[3]Johan R，Lawrence J H，James D D．Ladle Bottom [P]．US Pat：711230082，2006-09-26．

[4]黄哗，叶树峰，李美明．浇注过程的防下渣技术[J]．炼钢，1996，12(2)：26～31．

[5]王建军，包燕平，曲英．中间包冶金学[M]．北京：冶金工业出版社，2004．

[6]伊炳希，黄维通，徐保美，等．钢液浇注过程中汇流旋涡形成机理[A]．中国金属学会连铸学会，第一届欧洲连铸会议论文集[C]．佛罗伦萨：意大利金属学会．1991．305～313．