厚板坯連鑄中間包流場(chǎng)優(yōu)化

張立夫，王魯毅，崔福祥，呂春風(fēng)，張宏亮，張曉光

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

中間包內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)及速度分布對(duì)流體成分和溫度的均勻性、夾雜物的上浮與排除有著重要的影響，而中間包及其控流裝置的結(jié)構(gòu)決定了中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)與速度分布[1]。因此，深入了解和控制鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)行為是保證中間包冶金效果和提高鋼液質(zhì)量的關(guān)鍵。鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈煉鋼部在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)部分鋼種探傷合格率低的問(wèn)題，分析后認(rèn)為是夾雜物導(dǎo)致，夾雜物組分分析表明疑似中包渣，而中間包流場(chǎng)不合理容易導(dǎo)致卷渣事件發(fā)生。為降低并控制由中間包流場(chǎng)原因?qū)е碌膴A雜物缺陷風(fēng)險(xiǎn)，利用數(shù)值模擬和水模實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了4種中間包控流裝置方案的特點(diǎn)，以確定合理的中間包控流裝置，有效控制中間包內(nèi)鋼水的夾雜物。

1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算

以2 300 mm×300 mm的單流大斷面板坯中間包為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了4種控流裝置方案，圖1為控流裝置方案示意圖，表1為方案說(shuō)明。模擬工藝參數(shù)見(jiàn)表2。為保證計(jì)算的完整和真實(shí)，以整個(gè)中間包流場(chǎng)區(qū)域作為建模范圍,而且全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以保證計(jì)算精度。

1.1 模型基本假設(shè)

模型基本假設(shè)如下：

（1）中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)為粘性不可壓縮流動(dòng)；

圖1 控流裝置方案示意圖

表1 方案說(shuō)明

表2 模擬工藝參數(shù)

（2）中間包內(nèi)鋼液為湍流流動(dòng)；

（3）中間包內(nèi)鋼液為穩(wěn)態(tài)過(guò)程；

（4）忽略表面渣層和液面波動(dòng)的影響；

（5）計(jì)算出穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)后，在非穩(wěn)態(tài)下求解示蹤劑擴(kuò)散方程，計(jì)算示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到RTD（鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間）曲線。

1.2 控制方程

中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)行為可用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（N-S方程）及標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程來(lái)描述。其中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型由湍流動(dòng)能k方程及其耗散率ε方程描述。各方程的具體形式如下所述：

（1）連續(xù)性方程：

（2） 動(dòng)量方程（N-S 方程）:

（3）湍流動(dòng)能k方程：

（4）湍流動(dòng)能耗散率ε方程：

以上各式中,ui、uj為速度矢量，m/s； μ 為層流粘度，Pa·s;k 為湍動(dòng)能，m2/s2;xi、xj為方向矢量，m;μi為湍流粘度，Pa·s；ε 為湍動(dòng)能耗散率，m2/s2;ρ為流體密度，kg/m3;μeff為有效粘度，Pa·s。

表3為k-ε模型中常數(shù)值。為得到RTD曲線，根據(jù)刺激—響應(yīng)原理，從某時(shí)刻起向中間包內(nèi)注入示蹤劑1 s，并在出口實(shí)時(shí)監(jiān)控示蹤劑的濃度變化規(guī)律。示蹤劑擴(kuò)散方程為：

表3 模型中常數(shù)值

1.3 邊界條件

邊界條件如下：

（1）自由表面：忽略表面渣層影響，所有變量的垂直梯度均為零，垂直于自由表面的速度分量為零。

（2）入口：入口邊界設(shè)置為流量入口，假設(shè)入口截面上速度分布相同且垂直向下，速度大小根據(jù)實(shí)際中間包通鋼量計(jì)算。

（3）出口：出口設(shè)定為自由流出邊界條件。

（4）壁面：采用無(wú)滑移邊界條件，壁面附近流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算。各壁面散熱量取Sahai推薦值[2]，即自由液面、中間包底部、中間包縱向壁面和橫向包壁的熱通量分別取 15、1.4、3.2和3.8 kW/m3。

2 結(jié)果與分析

本研究對(duì)中間包三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)后，在鋼液入口處加入示蹤劑1 s，求解示蹤劑三維湍流傳質(zhì)擴(kuò)散方程，進(jìn)行瞬態(tài)解2 000 s，得到鋼液在中間包出口的濃度隨時(shí)間的分布情況。

2.1 不同方案下的流場(chǎng)對(duì)比分析

控流方案A、B、C、D條件下中間包內(nèi)流線軌跡圖如圖2，流線單位為m/s。

圖2 中間包內(nèi)流線軌跡圖

從圖2中可以看出，在A方案的條件下，由于擋墻離塞棒比較近，鋼水過(guò)擋墻后在澆注區(qū)行程比較短，而且容易造成中間包鋼水液面的擾動(dòng)，按B、C、D的順序，擋墻和壩不斷向長(zhǎng)水口側(cè)移動(dòng)，沖擊區(qū)不斷變小，澆注區(qū)不斷變大，鋼水在澆注區(qū)的行程不斷增加，主流股傾向于在中間包中上層，有利于夾雜物的排除。

2.2 不同方案下的RTD曲線分析

中間包流體流動(dòng)的體積可劃分為活塞流體積、死區(qū)體積和混合流體積，死區(qū)體積越小，越有利于中間包冶金作用的發(fā)揮。中間包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于夾雜物的上浮[4]。圖3為各方案的RTD曲線，根據(jù)RTD曲線計(jì)算平均停留時(shí)間、死區(qū)比例、混合流比例及活塞流比例，表4為數(shù)模中RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果。

對(duì)比4個(gè)方案發(fā)現(xiàn)，RTD曲線趨勢(shì)大致相似，但計(jì)算結(jié)果有所差異。從鋼水平均停留時(shí)間角度看，方案D與方案A相當(dāng)；從死區(qū)比例來(lái)看，B、C、D方案比方案A均有所減小，其中方案B最小。綜合結(jié)果認(rèn)為，方案D明顯優(yōu)于方案A。

圖3 各方案RTD曲線

表4 RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果

3 水模實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證數(shù)模計(jì)算結(jié)論的準(zhǔn)確性，以中間包為原型，進(jìn)行水模驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。模型按與實(shí)物1∶3的比例采用有機(jī)玻璃制成，以水代替鋼液，中間包水模試驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

圖4 中間包水模試驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖

中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)一般可視為粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)等溫流動(dòng)。模擬實(shí)驗(yàn)選用水作為介質(zhì)。要保證與重力有關(guān)的弗魯?shù)聰?shù)相等即可。相應(yīng)的模型與原型的關(guān)系為：

以上各式中,Lm為模型特征長(zhǎng)度，m；Ls為原型特征長(zhǎng)度，m；um為模型流體速度，m/s；us為原型流體速度，m/s；Qm為模型的流量，m3/h；Qs為原型的流量，m3/h；tm為模型的時(shí)間，s；ts為原型的時(shí)間，s。

本實(shí)驗(yàn)用電導(dǎo)率儀測(cè)定中間包內(nèi)液體停留時(shí)間分布。選擇飽和濃度的KCl溶液300 ml加入鋼包至中間包的流股中，在中間包下出口處用電導(dǎo)儀測(cè)量液體中KCl濃度隨時(shí)間的變化情況，用記錄儀繪出其變化的函數(shù)曲線，記錄示蹤劑在中間包出口處響應(yīng)的時(shí)間、濃度達(dá)到最大時(shí)的時(shí)間，通過(guò)計(jì)算得出平均停留時(shí)間ta，計(jì)算公式如下：

式中，C為KCl溶液濃度，t為時(shí)間。

表5為水模實(shí)驗(yàn)RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果。從表5可看出，方案D條件下，死區(qū)比例有所減小，活塞區(qū)比例顯著增大。

表5 RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果

為測(cè)量中間包液面流速情況，在中間包液面播撒聚苯乙烯塑料粒子，對(duì)不同工況的中間包液面流動(dòng)情況進(jìn)行了錄像。經(jīng)對(duì)錄像截圖分析，計(jì)算液面某點(diǎn)的流動(dòng)速度，以此反映中間包擋墻設(shè)置對(duì)液面的影響，表6為中間包液面測(cè)速結(jié)果。

表6 中間包液面測(cè)速結(jié)果

由表6看出，A擋墻設(shè)置方案平均速度最大，表明出口區(qū)鋼液流動(dòng)對(duì)液面沖擊激烈，不利于結(jié)晶器的穩(wěn)定澆注。其余3種方案條件下液面流速均顯著減小。

4 方案實(shí)施情況

根據(jù)計(jì)算和水模實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果選擇方案D作為實(shí)施方案，應(yīng)用于管線鋼生產(chǎn)中，共11個(gè)澆次。抽取鑄坯試樣進(jìn)行夾雜物掃描和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果是夾雜物尺寸多分布在0～3 μm，經(jīng)計(jì)算比例為68.76%，其余為 3～10 μm，沒(méi)發(fā)現(xiàn)大于 10 μm 的夾雜物。典型夾雜物形貌及能譜圖見(jiàn)圖5。由圖5看出，夾雜為精煉處理常見(jiàn)夾雜類型，不是卷渣產(chǎn)物。方案實(shí)施后的管線鋼探傷合格率為98.6%，比原來(lái)提高了0.9%，夾雜物控制得到改善。

圖5 典型夾雜物形貌及能譜圖

5 結(jié)論

（1） 對(duì) 4 種中間包擋墻設(shè)置方案（A、B、C、D）的數(shù)值模擬和水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方案D的中間包擋墻和擋壩向長(zhǎng)水口側(cè)移動(dòng)后，鋼水沖擊區(qū)顯著減小，澆注區(qū)顯著增大，鋼水在澆注區(qū)的行程不斷增加，主流股傾向于在中間包中上層，死區(qū)比例小、鋼液平均停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于夾雜物的排除。

（2）方案D應(yīng)用于管線鋼生產(chǎn)后，管線鋼探傷合格率比原來(lái)提高了0.9%，夾雜物缺陷得到改善。