六流中間包少流澆注流動及溫降行為研究

韓 東

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司）

0 前言

中間包是連鑄工藝過程中的重要環(huán)節(jié)，除了起到一個容器的作用，還可以完成凈化鋼液、調(diào)節(jié)鋼液成分及控制鋼液溫度均勻的功能[1,2]，同時在全連鑄生產(chǎn)組織上中間包也起到了協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)爐和鑄機(jī)間的生產(chǎn)節(jié)奏的作用[3]。中間包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)及速度分布對鋼液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[4]。對于多流連鑄中間包，理想的情況是從各流出口分配到各結(jié)晶器內(nèi)的鋼水具有相同的溫度和流動狀態(tài)，這就要重點考慮各流鋼液流動特性以及溫度的均勻性[5,6]。在實際生產(chǎn)過程中，為了提高連鑄機(jī)的連澆爐數(shù)，提高產(chǎn)能，需要進(jìn)行中間包的換包操作[7]。影響換包操作的因素很多，包括鋼水溫度的合理性、換包時機(jī)的精準(zhǔn)性以及時間的可控性等等，其中生產(chǎn)節(jié)奏是中間包換包首先需要考慮的重要因素。同時，應(yīng)該注意拉速的調(diào)節(jié)，拉速降幅不宜太大，避免結(jié)晶器內(nèi)鋼水溫度下降過快，增加拉坯阻力和漏鋼風(fēng)險[7-9]。為了協(xié)調(diào)中間包液位和拉速之間的平衡機(jī)制，對于多流中間包來說，經(jīng)常需要關(guān)閉一定數(shù)量的水口，即進(jìn)行少流澆注[10-12]。另外，由于種種原因?qū)е略谶B鑄過程中發(fā)生漏鋼事故[13,14]，也需要關(guān)閉一定數(shù)量的水口進(jìn)行非

聯(lián)系人：韓東，助理工程師，安徽.馬鞍山（243000），馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心； 收稿日期：2022-02-11正常停澆。這種關(guān)閉部分水口澆注的方式對中間包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)影響較大，進(jìn)而影響鋼液溫度的均勻性。對于多流中間包來說，影響更大，不僅要考慮整個中間包內(nèi)鋼液的流動和溫降情況，還要充分考慮各流之間的流動及溫降行為。目前，關(guān)于多流中間包少流澆注的文獻(xiàn)報道較少，關(guān)閉不同水口對多流中間包內(nèi)鋼液流動、溫度及影響規(guī)律尚不清楚，因此需要對該工藝情況進(jìn)行深入研究，進(jìn)而指導(dǎo)實際生產(chǎn)，這對保障連鑄坯質(zhì)量、穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)和中間包的有效利用有著重要意義。

筆者以某鋼廠六流連鑄中間包為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬的方法研究關(guān)閉不同水口對中間包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)和溫度分布的影響規(guī)律，為準(zhǔn)確把握在實際生產(chǎn)中進(jìn)行少流澆注情況時關(guān)閉水口選擇，確保連鑄穩(wěn)定進(jìn)行提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)某廠六流小方坯“T”型對稱中間包結(jié)構(gòu)建立幾何模型，幾何模型尺寸如圖1所示。由于六流中間包結(jié)構(gòu)對稱，因此只需建立一半的模型即可對其進(jìn)行模擬，如圖2所示（圖中數(shù)字1、2、3代表三個位置不同的出水口）。模型中具體參數(shù)：中間包鋼液深度為385 mm，長水口插入深度為10 mm，中間包入水口直徑為50 mm，中間包出水口直徑為30 mm。

圖1 中間包幾何模型尺寸

圖2 模型的網(wǎng)格劃分

1.1 邊界條件和控制方程

中間包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)視為湍流流動，采用FLUENT的k-ε湍流模型來模擬，利用連續(xù)性方程、動量方程及k-ε雙方程，建立六流中間包三維流動數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行流場和溫度場計算[15-16]。模擬計算的邊界條件如下：出口邊界為出口給出壓力邊界條件，相對靜壓力為0（參考壓力為1 atm）；中間包自由界面上所有變量梯度為零；固體壁面邊界條件采用無滑移邊界條件；入口邊界上，給出液相法向速度的大小。按拉坯速度為2 m/min，鑄坯斷面為150 mm×150 mm，根據(jù)體積流量進(jìn)行換算：

式中，Ain——入口的截面積，m2；QV——入口液相的體積流量，m3/min。

入口的k、ε通過混合長度模型來進(jìn)行計算[11]，關(guān)系式：

式中，Uin——入口的平均速度，m/min；i——湍動能強度，m2·s-2；D——混合長度，m。

1.2 物性參數(shù)

數(shù)值模擬物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

1.3 數(shù)值模擬方案

由于該中間包為中心對稱結(jié)構(gòu)，所以兩邊澆注區(qū)是完全對稱的。澆鑄的時候，鋼水從注流區(qū)通過擋墻導(dǎo)流孔進(jìn)入澆注區(qū)，如果一側(cè)關(guān)閉一個或者兩個水口，對于另一側(cè)沒有影響，對于模擬結(jié)果無影響。因此，制定方案時可以減少對稱性的重復(fù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬時只對模型一半進(jìn)行模擬即可，實驗方案見表2。

表2 數(shù)值模擬方案

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 關(guān)閉一個水口中間包速度場和溫度場結(jié)果分析

關(guān)閉一個水口時中間包速度場分布如圖3所示。

圖3 速度場分布

從圖3可以看出，方案1為關(guān)閉3號水口，3號水口為最靠近注流區(qū)的水口，在澆注區(qū)左側(cè)形成的回旋區(qū)較另兩組變大，且位置較低，使鋼液通過導(dǎo)流孔后經(jīng)過回旋區(qū)逐漸流向1號水口和2號水口，從而延長了鋼液在中間包中的流動路徑，有利于增加鋼液的停留時間以及包內(nèi)鋼液的均勻性和各流的一致性，對夾雜物的去除有利。方案3為關(guān)閉1號水口，在中間包遠(yuǎn)端上部形成回旋區(qū)且位置較高，不易產(chǎn)生死區(qū)。

方案1、方案2、方案3的溫度場分布情況如圖4所示，方案1、方案2、方案3的具體溫度對比情況見表3。

圖4 溫度場分布

表3 方案1、方案2、方案3的溫度對比

從圖3和表2可以看出，方案1的各流溫差處于中間水平，為1.91 K，但包內(nèi)溫差最小為16.5 K，整體溫度較均勻。方案3的各流溫差最小為0.97 K，各流溫度一致性較好。方案1、方案2、方案3包內(nèi)溫差和兩流之間的溫差對比如圖5、圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，三種方案各水口溫度差為方案2＞方案1＞方案3，中間包內(nèi)溫度差為方案2＞方案3＞方案1。

2.2 關(guān)閉兩個水口中間包速度場和溫度場結(jié)果分析

關(guān)閉兩個水口時中間包速度場分布如圖6所 示。

圖5 方案1、方案2、方案3包內(nèi)溫差對比

圖6 方案1、方案2、方案3兩流間溫差對比

圖7 關(guān)閉兩個水口中間包的速度場分布

從圖7可以看出，方案5和方案6在中間包1號水口上部區(qū)域都形成了回旋區(qū)，但位置不高，易在角部形成死區(qū)；方案4為只開最靠近外側(cè)的1號水口，延長了鋼液在中間包中的流動路徑，增加了鋼液的停留時間，有利于提高鋼液的均勻性，對夾雜物的去除有利。

方案4、方案5、方案6的溫度場分布情況如圖8所示，方案4、方案5、方案6 的具體溫度對比情況見表4。

圖8 方案4、方案5、方案6的溫度場分布

表4 方案4、5、6溫度對比

從圖8和表4可以看出，三個方案在水口 處的溫降都在5.5 K左右，相差不大，方案4中間包內(nèi)溫差最小為16.62 K，整體溫度較均勻，三種方案包內(nèi)最低溫度都位于中間包上表面角部位置，但是方案4中間包內(nèi)鋼液最低溫度的體積最??；方案5的各流溫差最小為5.46 K，但中間包內(nèi)整體溫差最大為20.58 K，均勻性較差。

方案4、方案5和方案6包內(nèi)溫差和水口處溫降對比分別如圖9、圖10所示。

圖9 方案4、方案5、方案6包內(nèi)溫差對比

圖10 方案4、5、6包內(nèi)溫差和水口處溫降對比

從圖9和圖10可以看出，三種方案各水口溫度差為方案4＞方案6＞方案5，中間包內(nèi)溫度差為5＞方案6＞方案4。

3 結(jié)論

多流中間包為了調(diào)配生產(chǎn)節(jié)奏需要關(guān)閉一個或者兩個水口進(jìn)行少流澆注，關(guān)閉不同水口對中間包內(nèi)流場和溫度場影響差別較大，需要對水口進(jìn)行選擇性關(guān)閉。通過數(shù)值模擬的方法研究某鋼廠六流小方坯“T”型連鑄中間包關(guān)閉一個水口和關(guān)閉兩個水口澆注時對鋼液流場和溫度場的影響。

（1）在只關(guān)閉一個水口澆注時，關(guān)閉3號水口有利于增加鋼液的停留時間，使鋼液混合更加充分，有利于夾雜物上浮。關(guān)閉3號水口各流溫差處于中間水平，為1.91 K，但包內(nèi)溫差最小為16.5 K，比關(guān)閉1號水口包內(nèi)溫差低5.7%，比關(guān)閉2號水口包內(nèi)溫差低11.8%，整體溫度更加均勻。

（2）在關(guān)閉兩個水口澆注時，關(guān)閉3號和2號水口可以延長了鋼液在中間包中的流動路徑，增加了鋼液的停留時間，有利于鋼液的均勻。方案4、5、6各流溫差都在5.5 K左右，但是方案4，即關(guān)閉3號和2號水口澆注時，中間包內(nèi)溫差最小為16.62 K，整體溫度較均勻。