中間包隧道式過(guò)濾器的物理模擬

劉天驥，彭世恒，仇圣桃，施　哲（.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明650000；.鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京0008）

中間包隧道式過(guò)濾器的物理模擬

劉天驥1，2，彭世恒2，仇圣桃2，施哲1
（1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明650000；2.鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京100081）

在1∶2的中間包水模型上，采用物理模擬的方法對(duì)中間包安裝隧道式過(guò)濾器前后的流場(chǎng)進(jìn)行研究，分析過(guò)濾器出口角度、擋壩高度等因素對(duì)流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：中間包隧道式過(guò)濾器不僅能過(guò)濾鋼液，還能與其他控流裝置組合使用，優(yōu)化中間包流場(chǎng)，為進(jìn)一步降低鋼中夾雜物提供了一種選擇；方案為過(guò)濾器出口角度20°，擋壩高度350 mm，能夠很好地優(yōu)化中間包流場(chǎng)，有效降低死區(qū)體積分率，增加活塞區(qū)體積分率，延長(zhǎng)鋼液的平均停留時(shí)間，使夾雜物上浮去除條件得到進(jìn)一步改善。

中間包；過(guò)濾器；流場(chǎng)；物理模擬；優(yōu)化

連鑄過(guò)程中鋼液夾雜物的去除主要在中間包內(nèi)完成，為在中間包中進(jìn)一步去除夾雜物，防止鋼液的二次氧化，需提高鋼液的潔凈度。國(guó)內(nèi)外鋼鐵工作者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)中間包冶金技術(shù)，如使用大容量中間包［1-2］、擋渣墻［3］、擋渣壩［4］、中間包吹氬技術(shù)［5］、高堿低硅覆蓋劑［6］及離心中間包夾雜物聚集與去除技術(shù)［7］等。

在中間包內(nèi)安裝過(guò)濾器可以大幅去除鋼中的夾雜物，有效減少浸入式水口堵塞的發(fā)生。但是，中間包安裝過(guò)濾器后，流場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變。如何在保持良好過(guò)濾效果的同時(shí)，使中間包內(nèi)的鋼液流場(chǎng)更加合理，且使鋼液中沒(méi)有被過(guò)濾器吸附的夾雜物更易通過(guò)上浮的方式去除，是生產(chǎn)實(shí)踐中需解決的一個(gè)問(wèn)題。馮捷等［8］采用下?lián)鯄﹂_(kāi)孔結(jié)合湍流控制器的組合控流裝置優(yōu)化中間包流場(chǎng)；金友林等［9］在單流中間包采用氣幕擋墻代替壩的技術(shù)工藝；樂(lè)可襄等［10］通過(guò)減小堰離底部距離及堰與注入點(diǎn)間的距離，來(lái)優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)；常正昇等［11］在湍流抑制器中加過(guò)濾體來(lái)優(yōu)化中間包鋼液流場(chǎng)，提高夾雜物去除率。

筆者采用在板坯中間包內(nèi)安裝隧道式過(guò)濾器的方法，對(duì)中間包安裝隧道式過(guò)濾器前后的流場(chǎng)進(jìn)行物理模擬，并對(duì)過(guò)濾器的出口角度與擋墻高度進(jìn)行組合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以期找到最優(yōu)的方案使中間包內(nèi)的鋼液流場(chǎng)更加合理，使鋼液中沒(méi)有被過(guò)濾器吸附的夾雜物更易通過(guò)上浮的方式去除。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與方法

根據(jù)相似原理［12］，設(shè)計(jì)、制作1∶2中間包模型，采用刺激-響應(yīng)技術(shù)、流動(dòng)顯示技術(shù)［13］和RTD（Real Time Differential）曲線［14］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

以國(guó)內(nèi)某鋼廠單流板坯中間包為研究對(duì)象，建立中間包物理模型，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)除中間包模型之外，還包括示蹤劑加入裝置、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。其中，大包長(zhǎng)水口、中間包、擋墻與擋壩及過(guò)濾器都采用有機(jī)玻璃制成，便于對(duì)中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀察記錄。

用于某鋼廠的隧道式鋼液過(guò)濾器如圖2（a），過(guò)濾器鋼液出口角度為水平方向。為優(yōu)化中間包流場(chǎng)，本實(shí)驗(yàn)研究過(guò)濾器出口角度對(duì)流場(chǎng)的影響（上揚(yáng)角度分別10°與20°，其結(jié)構(gòu)如圖2（b），（c）。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

1）原中間包（安裝上擋墻和下?lián)鯄Γ﹥?nèi)鋼液在拉速分別為0.5，0.6，0.7 m/min時(shí)流動(dòng)行為的物理模擬；

2）安裝水平出口隧道式鋼液過(guò)濾器中間包（在某廠連鑄生產(chǎn)中使用的方案A0T150）內(nèi)鋼液在拉速分別為0.5，0.6，0.7 m/min時(shí)流動(dòng)行為的物理模擬；

3）不同過(guò)濾器出口角度與擋壩高度的組合控流方案（表1）的物理模擬，重點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的RTD曲線進(jìn)行分析處理，并從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中找到最佳的優(yōu)化方案。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案的要求，在中間包模型中安裝相應(yīng)的隧道式過(guò)濾器和擋壩；

據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2012年全國(guó)蠶絲的產(chǎn)量達(dá)12萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)10%，蠶絲市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大.在通過(guò)分工合作降低絲蠶生產(chǎn)成本及擴(kuò)大絲蠶生產(chǎn)的基礎(chǔ)上可以重建繅絲廠，加工蠶絲直接推向工業(yè)原料市場(chǎng).

2）向中間包內(nèi)加水之前，確認(rèn)出水口為關(guān)閉狀態(tài)，待中間包內(nèi)液體高度要達(dá)到工作液位時(shí)，調(diào)節(jié)長(zhǎng)水口與出水口的流量，使二者達(dá)到平衡狀態(tài)；

3）當(dāng)中間包內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定之后，從大包長(zhǎng)水口入口處瞬時(shí)加入一定量的染色劑，同時(shí)用攝像機(jī)對(duì)中間包內(nèi)的流場(chǎng)變化進(jìn)行記錄；

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental device

圖2　隧道式過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of tunnel type filter

表1　各組合控流方案的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of each optimization plan

4）當(dāng)中間包內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定之后，從大包長(zhǎng)水口入口處瞬時(shí)加入一定量的飽和食鹽水，同時(shí)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理；

5）中間包內(nèi)殘留的液體會(huì)對(duì)下次實(shí)驗(yàn)造成一定程度的干擾，所以在1次實(shí)驗(yàn)完成之后，需將中間包模型中殘留的液體沖洗排出。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1原中間包實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

原中間包結(jié)構(gòu)條件下原中間包鋼液流動(dòng)過(guò)程如圖3。從圖3可以看出，鋼液經(jīng)過(guò)上擋墻下方通道之后，在下?lián)鯄Φ淖饔孟乱砸欢ń嵌刃毕蛏线\(yùn)動(dòng)，鋼液流股在中間包熔池上部散開(kāi)，一部分流向擋墻后方，一部分沿熔池液面和澆注區(qū)一端的壁面流動(dòng)，在上擋墻和下?lián)鯄Φ暮蠓蕉即嬖谝欢ū壤乃绤^(qū)。

圖3　3種不同拉速條件下的原中間包流場(chǎng)Fig.3 Flow field in original tundish in three different casting speed

圖4　原中間包RTD曲線Fig.4 Curves of original tundish RTD

不同拉速下原中間包RTD曲線如圖4。由圖4可看出：0.7 m/min拉速時(shí)示蹤劑的開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間為85 s，死區(qū)體積分率為21.8%，鋼液的平均停留時(shí)間為532 s；但拉速0.5 m/min時(shí)，原中間包出現(xiàn)一定程度的短路流，死區(qū)體積分率為23.9%，說(shuō)明隨著拉速的降低，原中間包內(nèi)死區(qū)體積分率呈增大的趨勢(shì)，鋼水平均停留時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間都有待進(jìn)一步改善。

方案A0T150中不同拉速條件下的流場(chǎng)如圖5。由圖5可知，原中間包在添加水平出口過(guò)濾器后，獲得了較好的鋼液過(guò)濾效果，但是中間包鋼液流場(chǎng)中存在一定程度的短路流。表明在其他控流條件不變的情況下，當(dāng)中間包內(nèi)安裝水平出口的過(guò)濾器時(shí)，鋼液的流動(dòng)方式不利于鋼液中殘余夾雜物的上浮去除，中間包流場(chǎng)還需改善。

圖5　3種不同拉速條件下的中間包流場(chǎng)（方案A0T150）Fig.5 Flow field in tundish in three different casting speed（planA0T150）

圖6　方案A0T150中間包RTD曲線Fig.6 Tundish RTD curves of planA0T150

不同拉速下，方案A0T150中間包RTD曲線如圖6。從圖6可看出：方案A0T150存在一定程度短路流，在低拉速時(shí)，中間包內(nèi)存在一定比例死區(qū)；方案A0T150中間包的示蹤劑開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間很短，拉速0.7 m/min時(shí)只有45 s，與添加過(guò)濾器之前的中間包結(jié)構(gòu)相比，平均停留時(shí)間由532 s變成了527 s，死區(qū)體積分率由21.8%變成了22.5%，變化不大。

2.3組合控流方案的RTD曲線分析

結(jié)合原中間包和方案A0T150中間包的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同過(guò)濾器出口角度與擋墻高度的組合控流方案的RTD曲線進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)得到的組合方案RTD曲線數(shù)據(jù)如表2。

根據(jù)表2可知：與原中間包實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，方案A0T150示蹤劑開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間大幅度降低，說(shuō)明出現(xiàn)了一定程度的短路流，死區(qū)體積分率變化不大，活塞流和全混流所占比例升高，鋼液平均停留時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明中間包整體流場(chǎng)近似合理；方案A10T300示蹤劑開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間與鋼液平均停留時(shí)間明顯增加，說(shuō)明適當(dāng)增大過(guò)濾器出口角度和增加擋壩高度能夠優(yōu)化中間包流場(chǎng)；方案A10T350比方案A10T300的流場(chǎng)優(yōu)化效果有所增強(qiáng)，說(shuō)明在過(guò)濾器出口角度不變時(shí)，適當(dāng)增加高擋壩高度，對(duì)中間包流場(chǎng)有一定的優(yōu)化作用；與方案A10T300的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，方案A20T300示蹤劑開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間增加，死區(qū)體積分率降低，說(shuō)明在擋壩達(dá)到一定高度后，適當(dāng)增大過(guò)濾器出口的角度，對(duì)中間包流場(chǎng)也具有一定的優(yōu)化作用；方案A20T350的鋼液平均停留時(shí)間在3種拉速條件下均達(dá)到最大值，死區(qū)體積分率進(jìn)一步降低，示蹤劑開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間和示蹤劑濃度達(dá)到峰值的時(shí)間均有不同程度增加；與方案A20T350相比，方案A20T400流場(chǎng)優(yōu)化效果有所下降，說(shuō)明在其他條件不變的情況下，擋壩高度并非越高越好，擋壩達(dá)到一定高度后，繼續(xù)增加擋壩高度會(huì)增加死區(qū)體積分率，并對(duì)中間包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間等產(chǎn)生不利影響。

上述分析表明，在其他控流條件不變的情況下，方案A20T350，即過(guò)濾器出口角度為20°，擋壩高度為350 mm為最優(yōu)的中間包流場(chǎng)組合控流方案。

表2　中間包組合控流方案的RTD曲線數(shù)據(jù)Tab.2 RTD data of the flow field in tundish optimization plan

3　結(jié)　論

采用物理模擬的方法，對(duì)中間包內(nèi)安裝隧道式過(guò)濾器后中間包流場(chǎng)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

1）方案A20T350（過(guò)濾器出口角度為20°，擋壩高度為350 mm）的組合控流裝置對(duì)中間包流場(chǎng)起到較好的優(yōu)化作用，死區(qū)體積分率由原中間包的23.9%和方案A0T150（過(guò)濾器出口角度為0濾，擋壩高度為150 mm）的23.5%下降到17.8%；活塞區(qū)體積分率由原中間包的24.5%和方案A0T150的18.7%上升到30.2%；對(duì)應(yīng)中間包原型的平均停留時(shí)間由原中間包的710 s和方案A0T150的714 s增加到優(yōu)化后的767 s，使夾雜物上浮去除條件得到進(jìn)一步改善。

2）隧道式過(guò)濾器不僅可以起到過(guò)濾鋼液的作用，還能與其他控流裝置組合使用，改善中間包內(nèi)的鋼液流場(chǎng)，為進(jìn)一步降低鋼中夾雜物含量提供了一種方法。

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責(zé)任編輯：何莉

Physical Simulation of Tunnel Type Filter in Tundish

LIU Tianji1，2，PENG Shiheng2，QIU Shengtao2，SHI Zhe1
（1.Faculty of Metallurgy and Energy Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，China；2.National Engineering Research Center for Continuous Casting Technology，Center Iron&Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

The study was based on the 1∶2 water model of tundish.The flow field in tundish before and after the installation of tunnel type filter were studied through physical simulation.The influence of flow field with different exit angle of filter and the height of the retaining dam were analyzed.The results show that the tunnel type filter in tundish can not only filter the molten steel，but also optimize the flow field in tundish with other flow modifiers. All these give a new choice on how to reduce inclusions.The plan set the exit angle of filter is 20°，and the height of the retaining dam is 350 mm.It can optimize the flow field in tundish，reduce the dead zone volume fraction effectively，increase the volume fraction of plug-like and prolong the average residence time of molten steel.It makes the conditions of inclusion floatation removal better.

tundish；filter；flow field；physical simulation；optimization

TF777

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.002

1671-7872（2016）02-0100-05

2016-03-22

大板坯高速連鑄技術(shù)項(xiàng)目（2006BAE03A04）

劉天驥（1990-）男，河北唐山人，碩士生，主要研究方向?yàn)殇撝蟹墙饘賷A雜物。

施哲（1957-）男，福建晉江人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殇撹F冶金和冶金過(guò)程控制。