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武钢60t双流连铸中间包流场优化试验研究

张剑君¹，高文芳¹，曹同友¹，杨新泉²，唐树平²，杨枝超²

(1．武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北 武汉 430080；2．武钢股份有限公司炼钢总厂，湖北 武汉 430083)

摘 要：利用水力学模型试验方法研究了武钢60t双流连铸中间包的流场特性，分析了各方案的中包特性参数和停留时间分布曲线(RTD曲线)，得出了优化方案，并进行了工业试验。结果表明：水模型试验死区体积比V_d由23．63％降至5．33％，平均停留时间T_a达到364．5s，较现用中包增加了70．5s，优化后的中包流场更加合理。工业试验结果表明，中间包—铸坯氧化物夹杂物去除率由46．5％提高到71．5％，铸坯洁净度显著提高。

关 键 词：双流中间包；水力学模型；流场；夹杂物

连铸中间包是钢包和结晶器之间的过渡容器，具有稳定钢流、减少钢流对结晶器中初生坯壳的冲刷、有利于钢中非金属夹杂物上浮、实现多炉连浇的作用^[1—2]。近年来，随着市场对钢材要求的不断提高，中间包正朝着促进夹杂物上浮、分离，对夹杂物进行变性处理及对钢水进行微合金化的精炼器方向发展^[3]。

武钢股份有限公司(以下简称武钢)炼钢总厂60t双流中间包存在钢水停留时间短，夹杂物上浮不充分等造成的产品夹杂改判量高的问题。为解决此问题2011年初立项，利用水力学模型对现用中间包进行了分析和优化，并进行了工业试验。

1 试验原理和方法

1．1 试验原理

中间包物理模拟试验的理论基础是相似原理，其基本条件是保证模型与实物几何相似和动力学相似。对于几何相似，可以采用一定比例的模型加工来实现。对于动力学相似，要求模型和实型中的流体雷诺准数和弗劳德准数分别相等。相似理论认为，当模拟系统中与粘性力有关的雷诺数(Re)进入第二自模化区的临界值(10³～10⁴)时，系统处于自模化状态，即该系统的流动状态及流速分布与Re无关^[4]。经计算，本试验的实物及模型的Re均已进入第二自模化区。因此，只要保证弗鲁德准数Re相等即可。即：

Fr_m=Fr_s    (1)

v²_m／(g·lm)=v²s／(g·ls)

模型和实物的速度、时间和流量的关系为：

v_m=(lm／ls)^1／2v_s    (2)

t_m=(lm／ls)^1／2t_s    (3)

Q_m=(lm／ls)^5／2·Q_s    (4)

式中，v为流体速度，m／s；t为时间，s；Q为流量，m³／h；g为重力加速度，m／s²；l为特征长度，m；下标s为表示实物；下标m为表示模型。

1．2 试验装置和试验条件

模型中间包用有机玻璃制成，与原型比例为1：3，装置如图1所示。

按现场铸坯典型断面尺寸1500mm×230mm和拉速1．1m／min计算，得出模型入口水流量2．92m³／h，出口水流量1．46m³／h。流量以出水口流量为控制依据，通过滑板控制中间包液位，进水口流量显示为辅助监控表。模型与实物的通钢量和理论停留时间计算结果如表1。

1．3 试验方法

1．3．1 停留时间分布(RTD)曲线的测定

采用DJ800系统，通过脉冲响应法，即将定量的脉冲示踪剂注入大包铸流，并在中包出流口检测示踪剂变化，一直到中间包内示踪剂大部分流出为止，与此同时，将检测信号输入计算机，绘制出各工况下流体在中间包内的停留时间分布RTD曲线，记录并计算出流体在中间包内最短停留时间T_min、全混区V_m、活塞区V_P和死区V_d体积比等流场特征参数。本研究根据Sahai和Emil^[5]提出的中间包死区体积计算方法，计算中间包内的死区体积分率V_d见式(5)，活塞流体积分率V_P及全混流体积分率V_m用式(6)、式(7)计算。

式中，θ_min为无因次最小停留时间；θ_max为无因次浓度峰值时间；Q_α为通过混合流区和活塞流区的流量，m³／h；Q中间包的流体流量，m³／h；θ_c为无因次时间θ≥2时的无因次实际平均停留时间。

1．3．2 流场显示

待流场达到稳定状态后，将一定浓度的染色液示踪剂快速注入大包铸流，观察流体变化过程，并用图像记录设备实时记录示踪剂在中包内的流动形态，以综合评价各工况下中间包内的控流效果。本次试验着重对比了中包优化前后，在不同时刻的中包流场形态。

2 试验结果与分析

2．1 现用中包及空包流场特性

现用中间包仅采用湍流抑制器控流，包内无其它控流装置。为了验证湍流抑制器对中包流场特性的影响，选用了空包(包内无任何控流装置)作为对比方案。现用中包和空包流场特性测定结果见表2。

由表2可知，空包死区体积比V_d为29．75％，现用中包(空包+湍流抑制器)V_d平均为23．63％，其平均停留时间T_a为294．02s，较空包延长了24s。结果表明设置湍流抑制器，即可有效减小入口流股的动能，又有助于延长中包钢液的平均停留时间，降低死区体积比。虽然现用中包的各项特性参数较空包都有了明显改善，但中包死区体积比仍然较大，达到23．63％，这意味着近四分之一的中包容积没有发挥净化钢液的作用，对钢液中非金属夹杂物的去除是非常不利的。现用中包和空包的RTD曲线见图2。

由图2可知，空包情况下RTD曲线呈明显尖峰状，表明中包存在短路流，死区体积比较大，不利于夹杂上浮排除和温度成分均匀。设置了湍流抑制器后的现用中包，其RTD曲线较空包有了明显改善，但峰值浓度仍然较高，表明钢液的平均停留时间短，示踪剂在中间包内混合不充分，这也是造成中包死区体积大的主要原因。

2．2 控流装置优化

由于现场工艺条件限制，优化后的耐材控流装置只能安装在两出口附近长度175mm(距离长水口575～750mm)的范围内，控流装置优化布置如图3所示。针对现用中包流场特性，在保留原湍流抑制器，长水口—坝距离600mm，坝—堰中心距离100mm条件下，对坝开口高度和堰高2个可变因素，设计了2因素3水平的正交试验，表3为正交试验因素水平表。

根据正交试验表进行了试验，测定了不同方案的RTD曲线和“三区”体积比，并确定了～B，坝堰组合方案效果最好，其中间包流动特性参数见表4，流体停留时间分布RTD曲线见图4。

由表4可以看出，优化后的坝堰组合方案使中包死区体积比V_d降至5．33％，与现用中包的23．63％相比，降低了77．4％，平均停留时间T_a延长到364．5s，较现用方案延长了70．5s，该方案不仅大幅降低了中间包死区，提高了钢液平均停留时间，而且中包活塞区体积等各项指标的控制水平都有了明显提高，为促进夹杂物上浮，提高钢液洁净度创造了良好的动力学条件，是正交试验得出的优化方案。由图4可知，优化后中包RTD曲线上升、下降较平缓，峰值较低，表明流体在中间包内混合充分，有利于中间包内流体温度、成分均匀，是更适合该双流中间包的控流方案。

2．3 流场显示试验

试验针对优化前后的中包，在5、10、25、50、80s时的流动演变过程及流场形态进行了观测，两方案的流场显示对比如图5。

从图5a可以看出，铸流以较高的速度冲入湍流控制器内，在湍流抑制器的作用下，使流股以较低的速度由盆边向上返回到达液面，程“扇形”向两侧水口扩散，直至进入结晶器。整个流场中，流股主要以扩散的方式前行，未形成规律的流动，不利于夹杂物的上浮排除，且试验过程中发现，当流股扩散到两侧出口上部时，流股运动速度明显降低，甚至出现滞留。对比图5a和图5b可知，两方案在前10s内的流场形态基本相同，10s后当优化中包内示踪剂流股到达挡墙之后两中包流场形态出现了差别，优化中包示踪剂流股沿挡墙向下流动，穿过挡墙和堰后上扬，带动夹杂物上行，有利于夹杂物的上浮排除和促进出水口上方死区的减少。此外，对比优化前后中包50s时的流场形态可以看出，现用中包流股已经进入出口，而优化中包水口流股才刚刚跨过堰，表明优化后的中包最短停留时间较现用中包有了明显延长，有利于中包温度、成分的均匀和夹杂物的上浮排除。

3 工业试验

在实验室研究基础上，将优化后的方案进行了工业试验，图6为优化后中包耐材装配图。试验对进入中包的钢水和成品铸坯的钢中夹杂总量及夹杂物去除率进行了分析，并与现用中包进行了比较。试验选取汽车用IF钢，共进行了7个浇次试验，有效炉次40炉，检测结果如表5所示。

分析认为，由于优化后包内控流装置的搭配合理，提高了钢水在中包内的停留时间，减小了中包的死区，延长了流股在中包内的流动路径，有利于促进夹杂物在中包内碰撞、聚合，并上浮排除。因此，铸坯中夹杂物含量较现用中包浇铸的铸坯低了52．8％，夹杂物去除率较现用中包提高了25％。虽然该优化方案的夹杂物去除效果很好，但鉴于其耐材控流装置成本较高，未能大规模推广应用。项目组正在开展进一步优化研究，旨在开发一种中包死区体积比小，且耐材成本低的经济性方案。

4 结论

1)对于武钢双流连铸中间包，设置湍流抑制器有助于延长中包钢液的平均停留时间，降低死区体积比。

2)通过正交试验确定了优化方案，中包死区体积比玑降至5．33％，与现用中包比降低了77．4％，该方案大幅降低了中间包死区，提高了钢液平均停留时间，为促进夹杂物上浮，提高钢液洁净度创造了良好的动力学条件。

3)中间包采用优化后的坝、堰组合控流工况下，夹杂物的上浮、排除条件明显优于现用中包，中间包—铸坯稳定氧化物夹杂物去除率由46．5％提高到71．5％。

参 考 文 献：

[1]   Zhang L F．Fluid flow，heat transfer and inclusion motion in a four_strand billet contlnous．casting tundish[J]．Steel Research Intemational，2005，76(11)：784—796．

[2]   王建军，包燕平，曲英．中间包冶金学[M]．北京：冶金工业出版社，2001，4．

[3]   高文芳，刘成信．连铸中间包水力模型研究[J]．钢铁，1997，32(1)：740—742．

[4]   李翼祺．流体力学基础[M]．北京：科学出版社，1974：141—142．

[5]   Sahai Y，Emi T．Melt flow characterization in contlnuous casting tundishes[J]．ISIl Int，1996，36(6)．667—672．