連鑄中間包內(nèi)流場(chǎng)控制優(yōu)化水模實(shí)驗(yàn)研究

周宇濤，晏　威，邦嘉文，周　佳，鄧葉群，賀道中

（湖南工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

連鑄中間包內(nèi)流場(chǎng)控制優(yōu)化水模實(shí)驗(yàn)研究

周宇濤，晏威，邦嘉文，周佳，鄧葉群，賀道中

（湖南工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

根據(jù)相似原理，研究了原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化改進(jìn)方案對(duì)中間包流場(chǎng)的影響。采用刺激-響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得中間包流體的平均停留時(shí)間分布（RTD）曲線，并得到不同方案控流裝置對(duì)中間包流體流動(dòng)的影響，從而優(yōu)化對(duì)中間包流場(chǎng)的控制。研究結(jié)果表明：方案4中活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)增大了42.44%，鋼液平均停留時(shí)間延長(zhǎng)了500 s左右，并且提高了中間包各流之間的鋼液均勻性，從而促進(jìn)夾雜物的上浮去除。

中間包；流場(chǎng)控制；V形擋墻；水模擬

0　引言

當(dāng)前用戶對(duì)鋼材品質(zhì)的要求越來(lái)越高，鋼材質(zhì)量主要與精煉鋼液的潔凈度有關(guān)，因此中間包的精煉功能受到冶金工作者的廣泛關(guān)注。中間包是設(shè)置在鋼包和結(jié)晶器之間用于鋼液連續(xù)澆注的裝置，通過(guò)中間包冶金可以減少鋼液的二次氧化，改善鋼水的流動(dòng)形態(tài)，促進(jìn)鋼液中的夾雜物上浮與分離，進(jìn)行鋼液成分微調(diào)和控制等［1］。目前，研究者主要是通過(guò)優(yōu)化中間包內(nèi)的控流裝置，改善鋼液的流動(dòng)，使鋼液的溫度均勻分布，盡可能去除鋼水中的夾雜物，提高鋼液潔凈度。本文以某煉鋼廠四機(jī)四流方坯連鑄機(jī)中間包為研究對(duì)象，該廠主要產(chǎn)品有冷鐓鋼、簾線鋼等高品質(zhì)鋼種，其對(duì)鋼中夾雜物類型、數(shù)量、大小、分布有著極其嚴(yán)格的要求，并且鋼水在澆注過(guò)程中，要求澆注溫度穩(wěn)定。因此，有必要對(duì)中間包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以保證最大程度地去除夾雜物和均勻溫度。Y.Miki等［2］對(duì)單流板坯中間包的鋼液流動(dòng)、傳熱和夾雜物去除進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬研究；鐘良才等［3］對(duì)中間包流場(chǎng)溫場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，得出了采用改進(jìn)的導(dǎo)流隔墻，可以使中間包鋼液的停留時(shí)間增加，死區(qū)體積變小。方坯多流中間包采用新型V形多孔控流裝置的有關(guān)研究較少，針對(duì)某廠T型中間包流場(chǎng)控制的水模研究未見(jiàn)報(bào)道。

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)中間包控流裝置，對(duì)連鑄機(jī)中間包流場(chǎng)的控制優(yōu)化。采用水模擬鋼液實(shí)驗(yàn)研究中間包控流裝置改進(jìn)前后鋼液的流場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)中所使用裝置為某廠20 t四流方坯中間包模型，實(shí)驗(yàn)使用的控流裝置為V形擋墻和擋壩。實(shí)驗(yàn)用飽和食鹽水做示蹤劑，采用“刺激-響應(yīng)”技術(shù)測(cè)得中間包流體的平均停留時(shí)間分布（residence time distribution，RTD）曲線；采用藍(lán)色墨水做流場(chǎng)示蹤劑顯示流場(chǎng)。通過(guò)水模實(shí)驗(yàn)以優(yōu)化中間包流場(chǎng)的控制，提高中間包各流之間的鋼液均勻性，促進(jìn)夾雜物上浮去除，提高鋼液潔凈度，改善鑄坯質(zhì)量。

1　水模實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)原理

水模擬實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)是動(dòng)量傳輸中的相似原理。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的比例為1:4，原型中間包液面為1 200 mm，拉速為3 m/min，鑄坯斷面尺寸為240 mm×240 mm。流體流動(dòng)時(shí)的湍流雷諾數(shù)十分接近，它只需要保證在湍流流動(dòng)范圍的模型中間包與原型中間包的流動(dòng)相似，即保證中間包模型和原型的弗勞德數(shù)Fr相等（即Frm= Frp），就可以保證模型和原型近似相似。從而有

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置示意圖如圖1所示。主要實(shí)驗(yàn)儀器DDLY-2005型電導(dǎo)率儀，DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)耗材有食鹽和墨水。按1:4的比例制作的中間包模型，其擋墻、擋壩可以自行安裝與拆卸，以便于不同情況的組合實(shí)驗(yàn)。V形擋墻的設(shè)計(jì)制作方案是：V形直孔擋墻直徑為30 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2a所示；V形斜孔擋墻直徑有40 mm和50 mm兩種，孔中心線與水平線夾角為15°，其結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

圖1　水模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of water modeling devices

圖2　V形擋墻類型Fig.2　Types of the V-shaped retaining wall

1.3實(shí)驗(yàn)方法

模型中間包用有機(jī)玻璃制成，用水作為模擬鋼水的介質(zhì)，本研究用刺激-響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定流體在中間包內(nèi)的RTD曲線。實(shí)驗(yàn)中，從鋼包長(zhǎng)水口處向注流處加入飽和食鹽水作示蹤劑，打開(kāi)DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始監(jiān)測(cè)。通過(guò)插入1， 2流水口處的傳感器監(jiān)測(cè)各流的電導(dǎo)率變化，由DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、輸入計(jì)算機(jī)處理得出RTD曲線。同時(shí)，還能夠獲得從注入示蹤劑到各流水口產(chǎn)生響應(yīng)的最短時(shí)間tmin和示蹤劑濃度達(dá)到最大時(shí)的峰值時(shí)間tmax，也可得到流體在中間包內(nèi)各水口的實(shí)際停留時(shí)間［4］。實(shí)際平均停留時(shí)間的計(jì)算公式是

式中：Ci為水出口處示蹤劑的濃度；i為采樣次數(shù)；Δt為采樣時(shí)間間隔。

由于可以將NaCl的濃度看成與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，所以用電導(dǎo)率代替式（7）中NaCl的濃度并進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)從漏斗中加入墨水做示蹤劑來(lái)顯示流場(chǎng)，墨水隨后會(huì)迅速擴(kuò)散，從而勾勒出流場(chǎng)的大概輪廓，用攝像機(jī)記錄下不同時(shí)刻中間包的流場(chǎng)圖。中間包各區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)可根據(jù)測(cè)得的RTD曲線計(jì)算求得，計(jì)算公式如下。

活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)

死區(qū)體積分?jǐn)?shù)

混流區(qū)體積分?jǐn)?shù)

1.4實(shí)驗(yàn)方案

原中間包控流裝置設(shè)計(jì)方案是由開(kāi)有4個(gè)導(dǎo)流孔（孔徑均為30 mm）的V型直孔擋墻和長(zhǎng)度為70 mm的直擋壩組成，擋墻、擋壩厚度均為30 mm。中間包結(jié)構(gòu)及控流裝置如圖3所示。

為改善該中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，最大可能地去除鋼液中的夾雜物，并使中間包內(nèi)的溫度分布更加均勻，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化改進(jìn)的主要思路應(yīng)是：增大活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)Vp，增大實(shí)際平均停留時(shí)間tav，減小死區(qū)體積分?jǐn)?shù)Vd。因此，在原設(shè)計(jì)中間包結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，并參考文獻(xiàn) ［5-7］中關(guān)于中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了如下4種水模實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案，見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)不同擋墻與擋壩的組合進(jìn)行水模實(shí)驗(yàn)，分析比較得出最優(yōu)方案，從而為某煉鋼廠生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼種提供理論指導(dǎo)。

圖3　中間包結(jié)構(gòu)及控流裝置示意圖Fig.3　A sketch for the tundish structure and schematic diagram of flow control devices

表1　優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案Table 1　Optimized experimental schemes

2　水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1原中間包控流裝置設(shè)計(jì)方案分析

在原中間包控流裝置下進(jìn)行水模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出原設(shè)計(jì)方案的中間包停留時(shí)間分布（RTD）曲線，如圖4所示。

表2　中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2　Experimental results of the original tundishes

圖4　原方案中各流的RTD 曲線Fig.4　Residence time distribution curves of the outletsin the original scheme

由表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在原設(shè)計(jì)方案的擋墻形式下，流體在離鋼包注流點(diǎn)近的1號(hào)水口與離鋼包注流點(diǎn)遠(yuǎn)的2號(hào)水口的實(shí)際平均停留時(shí)間相差較大；流體在2號(hào)水口的響應(yīng)時(shí)間為1號(hào)水口的1.6～1.7倍。原設(shè)計(jì)方案中間包中，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)較大，混流區(qū)體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%以上，活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)較小。因此，在生產(chǎn)中采用這樣的直孔擋墻與直擋壩搭配的控流裝置，會(huì)造成中間包內(nèi)的鋼液流動(dòng)狀態(tài)較差，各流的溫度分布不均和實(shí)際平均停留時(shí)間相差大，鑄坯質(zhì)量不均勻，從而不利于鋼液中夾雜物上浮去除。

2.2優(yōu)化改進(jìn)型方案分析

在中間包內(nèi)采用4種方案加設(shè)不同的擋墻與擋壩進(jìn)行控流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。表3中的數(shù)據(jù)表明，中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)得到了不同程度的改善。流經(jīng)1號(hào)水口與2號(hào)水口的流體相對(duì)原方案均勻；流體在中間包各水口中的開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間和實(shí)際平均停留時(shí)間都有較大增加；各水口之間的tmin和tav差異也大為減少?；钊麉^(qū)體積分?jǐn)?shù)Vp增大，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)Vd減小。通過(guò)對(duì)4種方案的RTD曲線的分析發(fā)現(xiàn)，方案4為最佳方案。方案4對(duì)鋼液流場(chǎng)和流動(dòng)狀態(tài)改善效果最為明顯，活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)增加了42.44%，這表明1號(hào)與2號(hào)水口流動(dòng)狀態(tài)趨于一致。方案4中各流的RTD曲線如圖5所示。

表3　中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of optimized tundishes

圖5　方案4中各流的RTD 曲線Fig.5　Residence time distribution curves of the outlets in scheme 4

通過(guò)在注流口加入墨水，對(duì)中間包內(nèi)流體進(jìn)行攝像顯示：墨水經(jīng)長(zhǎng)水口進(jìn)入后，通過(guò)50 mm斜孔擋墻上的導(dǎo)流孔迅速向兩端擴(kuò)散，部分會(huì)擴(kuò)散到表面，同時(shí)也向下擴(kuò)散；又在70 mm斜擋壩阻擋作用下，一部分流體返回2流水口，另一部分從上部流向1流水口處，示蹤劑的擴(kuò)散時(shí)間被延長(zhǎng)，最終達(dá)到擴(kuò)散均勻。最佳方案中流體流動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖6　方案4中的中間包流場(chǎng)Fig.6　Fluid flow in tundishesin scheme 4

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某廠20 t連鑄中間包流場(chǎng)優(yōu)化的水模實(shí)驗(yàn)研究，可得以下結(jié)論。

1）原中間包控流裝置中，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)較大，混流區(qū)體積分?jǐn)?shù)達(dá)50%以上，活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)較小。兩流中的流體實(shí)際平均停留時(shí)間相差較大，因此采用原方案不利于實(shí)際生產(chǎn)中鋼液中夾雜物的上浮去除，不能滿足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼種的需要。

2）采用不同的斜孔擋墻與斜擋壩的組合后，中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)得到了不同程度的改善，流經(jīng)1號(hào)與2號(hào)水口的流體相對(duì)原方案更加均勻。方案4（50 mm斜孔擋墻與70 mm斜擋壩組合）效果最為明顯。

3）方案4為最佳方案，其活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)增大了42.44%，流體的平均停留時(shí)間延長(zhǎng)500 s左右。采用方案4可以使實(shí)際生產(chǎn)中鋼液的流動(dòng)狀態(tài)較為理想，能較好地滿足生產(chǎn)高品質(zhì)鋼種的需要。

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（責(zé)任編輯 ：鄧光輝）

A Research on Water Modeling of the Flow Control Optimization in Continuous Casting Tundishes

ZHOU Yutao，YAN Wei， BANG Jiawen，ZHOU Jia，DENG Yequn， HE Daozhong
（School of Metallurgical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Based on the principle of similarity， a study has been conducted on the effects of the original design and the optimized design upon the flow field in tundishes.With the stimulus-response approach adopted， the average residence time distribution （RTD） curves of the tundish fluid flow can be obtained and the effect of the two sets of flow control devices on the fluid flow behavior in tundishes can be worked out， thus optimizing the control on the flow field in tundishes.The results show that the plug flow volume has been increased by 42.44%， the average residence time of steel liquid flow in the tundish has been extended by approximately 500 s， and the homogeneity of the molten steel flow in each outlet has been improved， thus facilitating the removal of the floating inclusions.

tundish ；flow field control ；V-shaped retaining wall ；water modeling

TF03

A

1673-9833（2016）04-0048-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.04.010

2016-04-26

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（湘教通［2015］269-323），湖南省教育科學(xué)十二五規(guī)劃課題基金資助項(xiàng)目（XJK012BGD020）

周宇濤（1992-），男，湖南衡陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)生，主要研究方向?yàn)殇撹F冶金工藝與夾雜物控制，E-mail：1175295057@qq.com

賀道中（1967-），男，湖南津市人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，主要從事潔凈鋼冶煉理論與新工藝方面的研究，E-mail：hdzhong1968@163.com