点击下载——中间包导流挡板设计与冶金效果.doc

中间包导流挡板设计与冶金效果

许长军1,2，胡小东1，胡林1，汪琦2，轩宗宇3，王欣3，陈兴伟3

(1．辽宁科技大学 冶金工程技术中心，辽宁 鞍山114051；2．辽宁科技大学 辽宁省化学冶金工程重点实验室，辽宁 鞍山114051；3．唐山钢铁集团有限责任公司，河北 唐山063016)

摘 要：为了提高6流方坯中间包冶金效果，通过中间包水力学模拟试验，研究了导流挡板中导流孔参数对中间包流场特征的影响，并对其进行极差分析，最终确定了导流挡板各参数影响中间包流场特征的主次顺序为：导流孔孔径>倾角>高度。并以此为指导思想，结合CFD数值仿真对导流挡板进行设计。设计方案为：3个导流孔直径分别为93、72、36mm，位置分别为(220mm，140mm)、(350mm，280mm)、(700mm，300mm)，倾斜角度分别为(21°，15°)、(8°，23°)、(10°，28°)。工业试验表明，设置该导流挡板装置可以有效改善钢液流动特性，提高中间包冶金效果。

关 键 词：CFD；中间包冶金；导流孔；水力学；数值模拟

随着连铸技术的发展，钢液品质对提高产品质量的重要意义逐渐为人们所认识，中间包的冶金作用受到了更多的关注[1-4]。唐山钢铁集团有限责任公司(以下简称“唐钢”)高速线材生产线3号连铸机中间包寿命不足、铸坯中大颗粒夹杂物多、产品质量不稳定。其中间包结构上存在先天设计缺陷，但是外型结构已经无法改变，而导流挡板可以将中间包流域上下游完全分开，通过在挡板上设置不同参数如位置、尺寸和倾斜角度的导流孔，使钢液按需要方向经由导流孔从上游流向下游。因而在中间包内设置合理导流挡板可以有效改善钢液流动方式和状态、均匀钢液温度和成分、促进夹杂物碰撞与上浮[1-3]。

从2010年5月开始对此连铸机中间包进行导流挡板设计和试验，试验过程基于水力学模拟并以其极差分析结论为指导思想，结合CFD数值仿真对不同导流孔参数条件下的中间包流动细节，如流场、湍动能分布、死区、钢液停留时间等进行预测[1-2，4-6]，2011年5月设计与试验结束，2012年2月开始将研究成果应用到部分工业生产上，取得较好效果，其效果与模拟预测结果基本一致。

1 水力学模拟

1．1 试验装置与方案

根据相似原理，对于冶金流体来说，模型与原型的雷诺数同处于第二自模化区，两值不必相等即能保证二者在流动现象上的运动相似，经过计算使用常温净水替代高温钢液即可。同时，采用弗劳德准数相等计算水模型参数，即可保证动力学相似[7]。本试验选取中间包模型与原型的几何相似比为1：2，中间包原型主要参数见表1。模型用有机玻璃制作而成，其主要设备有：钢包、中间包、钢包长水口、控流塞棒、出口示踪剂浓度电导探头、DDLY-2005型电导率仪和数据记录仪等组成。试验采用经过改进的DJ800多功能检测系统(中国水利水电科学研究院研制)，电导探头为上海精密科学仪器有限公司生产的雷磁DJS-1C型铂黑电极。其试验装置如图1所示。

导流挡板中导流孔各参数对中间包流场特性均有影响，确定各参数对中间包流场特性影响的主次顺序对设计导流挡板结构有重要意义。研究过程中采用“正交试验法”，选用三因素、四水平进行设计，影响因素分别为挡板导流孔的高度、倾角和孔径，其正交设计水平表如表2所示。

1．2 试验原理与测试方法

试验测试过程采取“刺激—响应”试验技术，以定量了解中间包内钢液的流动和混合情况[5-6]，进而对其进行极差分析得出导流孔高度、孔径和倾角等参数对流场特性的影响次序。

安装并调试好试验设备后，向钢包内注入常温净水，净水通过长水口流入中间包注流区，并使其液位和流量稳定。然后把500mL饱和KCl溶液通过漏斗加入到钢包长水口处，同时多功能检测系统通过安装在中间包出水口处的电导率仪对流经此处的KCl浓度信号进行检测和数据采集，被捕捉的数据经过数据记录仪写入计算机，并绘制示踪剂浓度随时间变化的曲线即RTD曲线。

实际上，中间包的钢液流动过程往往是有死区存在的，而死区空间的流体不会参与中间包内钢液的主体流动，因此不利于夹杂物的上浮和减少热损失，死区的存在相当于减少了中间包的有效容积。对RTD曲线进行积分可以得到各流体微元在中间包中实际的平均停留时间tav(如式1)，同时也可通过计算得到死区体积分率Vd／V(如式2)和理论平均停留时间ts(如式3)。

式(1)～式(3)中，C(t)为示踪剂浓度；t为时间，s；ts为理论平均停留时间，s；V为中间包体积，m3；Vd为中间包死区体积，m3；Q为体积流率，m3/s。

1．3试验结果与分析

水力学试验对响应时间、平均停留时间、全混区体积、死区体积、活塞区体积等进行了测试。表3列出了依据正交试验各方案所进行的部分水力学测试的结果，并对其进行了极差分析。考察实际平均停留时间(tav)时，对导流孔高度h、倾角α、孔径Φ的极差分析值分别为61．35、81．83、102．09。而考察死区体积分率(Vd／V)时，对3因素的极差分析值为8．52、11．28、22．70。因此，各因素对平均停留时间和死区体积分率的影响主次顺序均为：导流孔直径>倾角>高度。导流孔孔径和倾角对所考察因素影响较大，而高度影响较小。考虑到导流挡板和塞棒均为耐火耗材，高温钢液对其冲刷蚀损较为严重，另外，导流孔吞吐量直接影响中间包冶金生产的正常运行，因此，二者亦纳入衡量指标。这为CFD仿真设计导流挡板结构提供思路和数据保证。

2 CFD数值仿真

2．1 仿真方法与模拟方案

仿真过程在Ansys商业软件平台上进行，假设钢液流动为牛顿不可压缩稳态流动，不考虑中间包内熔池表面渣层的影响，采用70钢进行浇铸生产。因体系几何关系和动力条件的对称性，实际空间体系的1／2(右半部)被用作仿真计算对象。设置导流挡板前后的中间包半侧示意图如图2所示。选用湍流标准κ-ε双方程、连续性方程、动量方程等，具体模型及边界条件描述见文献[7—10]。研发过程以各参数对考察因素的影响次序“导流孔直径>倾角>高度”为指导思想。

2．2 研究结果与讨论

中间包导流挡板导流孔参数设计涉及导流孔的直径、位置和倾斜角度，其中倾斜角度包括导流孔轴线与YZ面所成夹角α、与XZ面所成夹角β(图3)。为此，CFD仿真工作进行了一系列基于不同参数条件下中间包内钢液流动行为的数值模拟研究。最后，研发过程提出了导流挡板具体设计方案：导流孔直径分别为93、72、36mm；位置分别为(220mm，140mm)、(350mm，280mm)、(700mm，300mm)；倾斜角度分别为(21°，15°)、(8°，23°)、(10°，28°)。具体结构如图3所示。

图4a为设置本设计该导流挡板以后中间包内钢液流场分布情况。设置导流挡板以后，中间包流域被其分割成注流区和浇铸区。上水口开浇以后，高温钢液由注流区经导流孔射入浇铸区，并迅速充满中间包，维持熔池液面高度在750mm左右。浇铸区的钢液形成3股自下而上的有序回流，并协调一致处于一个大循环中，覆盖整个浇铸区。这种循环方式不但延长了钢液在中包内的平均停留时间，而且消除了短路流和减小死区体积，有利于提高钢液纯净度和均匀钢液温度分布。从图4b可以看出，调整导流孔角度，可以避免高温钢液直接冲刷控流塞棒，同时可以缓解熔池液面波动，避免卷渣，有利于进一步净化钢液和延长中间包、塞棒等耗材的使用寿命。

最终，在水力学中间包模型内设置图3导流挡板，对其流场指标进行考核，结果验证了该方案确实为最佳方案。从而验证了数值仿真过程的准确性。

3 工业试验

数学物理仿真过程已经给出了导流挡板各因素对中间包冶金效果的影响，并设计出新的导流挡板结构。为了验证该导流挡板结构的实际冶金效果，在唐钢进行了现场导流挡板冶金效果工业试验，对原、改进中间包1号、2号、3号塞棒处液面以下200mm处的钢水温度进行多包测量、对比；对经原、改进中间包生产的每浇次70号硬线钢铸坯进行取样(50mm×50mm)3个并测量含氧量、大颗粒夹杂物(>50μm)数量进行对比分析；对原、改进中间包寿命进行评价、对比。

3．1 中间包各流钢液温度对比

由表4可知，原中间包内各流处钢液温差较大，经多包测量可知1号区域钢液温度为1501～1512℃，平均值1505．5℃，较2号区域低9．75℃，较3号区域平均温度低13．75℃。安装所设计导流挡板后，各流平均温度最大温差仅为3．76℃，降低了72．7%。这说明安装研发的导流挡板以后，流入浇铸区的钢液得到了重新合理分配，钢液的流动状态得到较大改善，较大程度上消除了短路流和死区，各区域温差也得到大幅度减小，这对于提高和稳定产品质量具有重要意义。

3．2 铸坯中全氧含量及显微大夹杂对比

铸坯中全氧、大于50μm显微大颗粒夹杂物数量如表5所示，原中间包铸坯ω(T．O)=(35～45)×10-6，平均为39．5×10-6；而改进中间包铸坯ω(T．O)平均为27．8×10-6，平均降低了29．6％，不同浇次铸坯含氧量波动幅度较小。而对于中间包铸坯中大颗粒(>50μm)夹杂物而言，改进前此规格夹杂物在4～8个，而改进中间包的铸坯中夹杂物降低为0～2个，平均个数减少82．7%。这表明所设计导流挡板能有效改善中间包内夹杂物的上浮去除效果。

3．3 改进前后中间包寿命对比

原中间包浇铸过程中，由于高温钢液对中间包体及其近注流区一侧塞棒等耐火耗材的冲击较为严重，造成中间包寿命严重不足，平均寿命仅为13．8h(如表6所示)；安装所设计导流挡板以后，钢液经过导流挡板按照所设计方向避开塞棒而流入浇铸区，避免冲刷塞棒和中间包体，中间包寿命达到23～26 h，平均提高了77．5％，不但解决了中间包寿命不足的问题，而且为企业节省了大量耐材成本。

4 结 论

1)通过对正交试验中各因素对流场特征影响进行极差分析可知，对中间包内钢液平均停留时间和死区体积分率的影响主次顺序均为：导流孔直径>倾角>高度，这可为导流挡板结构设计提供思路。

2)经研发设计，该导流挡板导流孔参数为：导流孔直径分别为93、72、36mm，位置分别为(220mm，140mm)、(350mm，280mm)、(700mm，300mm)，倾斜角度分别为(21°，15°)、(8°，23°)、(10°，28°)。设置改导流挡板后，中间包流场最为合理。

3)研究条件下，由水力学模拟与CFD仿真过程中均可得知：设置合理导流挡板以后，中间包浇铸区的钢液可以得到重新分配。利用此技术并通过合理设计导流挡板可将中间包寿命从13．8h延长到24．5h，提高了77．5％。

4)通过对中间包进行工业试验可知，安装所设计导流挡板后，各流平均温度最大温差仅为3．76℃，降低了72．7％。中间包铸坯中大于50μm的大颗粒显微夹杂物个数从4～8个减少到0～2个，ω(T．O)也由原来的平均39．5×10-6降低为27．8×10-6，降低了29．6%。

参 考 文 献

[1]   Craig K J，Kock D J，Makgata K W，et al．Design optimization of a single-strand continuous caster tundish using residence time distribution data[J]．ISIJ Int，2001，41(10)：1194—1200．

[2]   Morales R D，Palafox-Ramos J，Barreto J J，et al．Melt flow control in a multistrand tundish using a turbulence inhibitor [J]．Metallurgical and Materials Transactions B，2000，31(6)：1505—1515．

[3]   Merder T，Boguslawski A，Warzecha M Modelling of flow behaviour in a six-strand continuous casting tundish[J]．Metalurgija，2007，46(4)：245—249．

[4]   Sahai Y，Emi T．Melt flow characterization in continuous casting tundishes[J]．ISIJ Int，1996，36(6)．524—547．

[5]   Mazumdar D，Guthrie R I L．The physical and mathematical modelling of continuous casting tundish systems[J]．ISIJ Int，1999，39(6)：524—547．

[6]   Chattopadhyay K，Isac M，Guthrie R I L．Physical and mathematical modelling of steelmaking tundish operations：areview of the last decade(1999—2009)[J]．ISIJ Int，2010，50(3)：331—348．

[7]   许长军，胡小东，艾新港，等．六流方坯中间包流场的数值模拟及优化[J]．特殊钢，2011，32(4)：7—9．

[8]   王建军，包燕平，曲英．中间包冶金学[M]．北京：冶金工业出版社，2001．

[9]   蒋国璋，孔建益，李公法，等．中间包温度分布的模拟研究[J]．钢铁，2007，42(4)：27—29．

[10]   陶文铨．数值传热学[M]．2版．西安：西安交通大学出版社，2001．