拉速對T形五流中間包流場的影響

金友林，張峻綱，趙振南，武鴻杰，凌海濤，徐其言

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼公司，安徽馬鞍山 243002；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

中間包是連鑄過程中最后一道精煉設(shè)備，最初是為了解決換包期間儲存鋼液和不停澆而出現(xiàn)的，但同時也發(fā)揮了促進夾雜物上浮、精煉、調(diào)溫等冶金功能。為了提升中間包的冶金功能，自上世紀70 年代以來，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究，并取得諸多重要成果[1-5]。中間包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)可分為短路流、活塞流、全混區(qū)及死區(qū)4 種，短路流和死區(qū)會使鋼液在中間包內(nèi)有效停留時間變短，導(dǎo)致夾雜物不能充分上浮，影響連鑄坯質(zhì)量[6]。因此，需要減少連鑄過程中死區(qū)和短路流比例。Yazdi等[7]通過水力學(xué)試驗證明，提高中間包工作液位可提高夾雜物去除率；儲成陽等[8]通過對比不同穩(wěn)流器對中間包流場的影響，發(fā)現(xiàn)采用適當?shù)姆€(wěn)流器可有效降低死區(qū)比例。

連鑄過程中非穩(wěn)態(tài)澆鑄是不可避免的，非穩(wěn)態(tài)換包過程中中間包內(nèi)液面波動大，鋼液流動不穩(wěn)定，易出現(xiàn)卷渣情況。談彪等[9]研究表明，非穩(wěn)態(tài)換包過程存在鋼水二次氧化、夾雜物增多等現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量降低；Zhang等[10]研究表明，喇叭形水口有利于中間包內(nèi)鋼液流動；王德永等[11]研究表明，非穩(wěn)態(tài)換包結(jié)束液位回升過程中，鋼液平均停留時間隨液位的上升而延長；張闖等[12]研究表明，非穩(wěn)態(tài)澆鑄過程中采用適當?shù)目亓餮b置可有效去除引流砂。

綜上可看出：前人對中間包流場的研究主要集中于穩(wěn)態(tài)澆鑄過程中死區(qū)比例降低及非穩(wěn)態(tài)換包過程夾雜物去除等方面，對于提高拉速對其的影響研究較少。鑒于此，以國內(nèi)某廠T 形五流中間包為研究對象，通過水模擬試驗研究提高拉速對中間包穩(wěn)態(tài)及換包過程中鋼液流動的影響，以期為優(yōu)化T 形五流中間包流場提供理論指導(dǎo)。

1 物理模擬試驗

1.1 試驗原理

水模擬試驗的理論基礎(chǔ)為相似定理[13-14]，通過模型與原型的幾何和動力相似使原型和模型內(nèi)的液體流動情況相似，進而通過模型內(nèi)的流場來反推原型的流場。幾何相似可取任意比例，根據(jù)試驗條件，參考文獻[15]，選取模型LM與原型LR的幾何相似比λ= 0.5。動力學(xué)相似要求雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr相等，考慮到本試驗中Re臨界值為1×104～1×105，試驗液體狀態(tài)已處于第二自?；瘏^(qū)，只需保證Fr相等便可得到動力相似。

模型與原型水口流速比：

從鋼包到中間包的入水口流量：

模型與原型的出水口流量比和平均停留時間比：

式中：g為重力加速度；vM，vR分別為模型和原型的水口流速；QM，QR分別為模型和原型的水口流量；tM，tR分別為模型和原型內(nèi)液體的平均停留時間；dM，dR分別為模型和原型的水口內(nèi)徑。

1.2 試驗過程

以國內(nèi)某廠連鑄五流中間包為原型，模型與原型的幾何相似比為0.5，兩者主要幾何參數(shù)見表1 。中間包模型和控流裝置均使用有機玻璃制作，試驗裝置如圖1。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

表1 中間包模型與原型的主要幾何參數(shù)Tab.1 Main geometric parameters of tundish modle and prototype

1.2.1 中間包穩(wěn)態(tài)試驗

選取4 種拉速(0.52，0.56，0.58，0.60 m/min)進行中間包穩(wěn)態(tài)模擬試驗，模擬鋼液的水流經(jīng)長水口、中間包模型、出水口、流量計，最后進入排水池；將示蹤劑(飽和NaCL 溶液、墨水)從加入口加入中間包，通過出水口內(nèi)的電極采集電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，采用電導(dǎo)率儀及DJ800 系統(tǒng)將電導(dǎo)率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)處理得到流場的停留時間分布(remain time distribution，RTD)曲線及刺激相應(yīng)時間、平均停留時間、峰值時間等。模擬的中間包為T 形五流對稱結(jié)構(gòu)，故采集右起1流、2流、3流水口的數(shù)據(jù)即可。

1.2.2 中間包非穩(wěn)態(tài)換包試驗

選取拉速為0.58 m/min，換包液位為350，400，450 mm，大包流量為6，9，12 m3/h 進行換包模擬試驗，試驗方案如表2。為分析不同試驗方案下?lián)Q包液位、大包流量對中間包鋼液流動及卷渣情況的影響，使用Photoshop軟件統(tǒng)計不同方案下鋼液裸露面積和沖擊區(qū)面積的像素，兩者像素比為鋼液最大裸露面積占比，卷渣情況根據(jù)澆鑄區(qū)乳化情況判斷。

表2 非穩(wěn)態(tài)換包過程試驗方案Tab.2 Test scheme of unsteady switching process

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 中間包穩(wěn)態(tài)條件下的流場

中間包穩(wěn)態(tài)模擬試驗過程中，不同拉速條件下流場的RTD曲線如圖2。

圖2 不同拉速下的RTD曲線Fig.2 RTD curves of at different pulling rates

分析圖2可知：不同拉速條件下，各流水口的電壓信號均在試驗開始較短時間內(nèi)響應(yīng)，且快速升至峰值，然后緩慢降低至0；同一拉速條件下，各流水口的快速響應(yīng)略有差異，拉速為0.52，0.56，0.58 m/min 時2 流水口電壓信號響應(yīng)最快，拉速為0.60 m/min時1流水口電壓信號響應(yīng)最快。通過分析電壓信號隨時間的變化規(guī)律可得不同拉速下中間包的特征數(shù)值，結(jié)果如表3。

表3 不同拉速下中間包的特征數(shù)值Tab.3 Characteristic values of tundish at different pulling rates

分析表3中各流水口響應(yīng)情況知：拉速由0.52 m/min提高至0.58 m/min時，1流水口響應(yīng)時間由89 s縮短至60 s，2流水口響應(yīng)時間由46 s提高至54 s，3流水口響應(yīng)時間變化不大，水口響應(yīng)時間一致性從51.7%提高至74.0%；進一步提高拉速至0.60 m/min時，水口響應(yīng)時間一致性反而降至56.8%；0.58 m/min拉速條件下，水口響應(yīng)時間一致性明顯高于0.52，0.56，0.60 m/min，說明在0.58 m/min拉速下各流水口響應(yīng)差異性較小，這有利于鋼液成分與溫度的均勻，提升鑄坯質(zhì)量。

分析表3中中間包死區(qū)體積分數(shù)可知：拉速0.52 m/min時死區(qū)體積分數(shù)為27.6%，拉速提高至0.58 m/min時死區(qū)體積分數(shù)降至21.9%，有效增加了中間包有效容積，利于提高中間包的利用率；拉速進一步提高至0.60 m/min，死區(qū)體積分數(shù)進一步降低，為16.8%?？紤]到在拉速0.58 m/min 下，中間包各流水口響應(yīng)時間一致性較0.60 m/min提高了17.2%，認為中間包拉速提高至0.58 m/min較為合適。

2.2 中間包非穩(wěn)態(tài)條件下的流場

在0.58 m/min拉速下不同方案沖擊區(qū)鋼液裸露面積的統(tǒng)計結(jié)果如表4，表中未統(tǒng)計方案的為沖擊區(qū)鋼液基本不發(fā)生裸露。分析表4 可知：方案7 沖擊區(qū)內(nèi)鋼液裸露面積最大，占比為9.26%；方案4、方案8 鋼液裸露面積較少，占比分別為2.16%，2.68%。方案7 沖擊區(qū)內(nèi)鋼液裸露面積、導(dǎo)流孔位置和澆鑄區(qū)乳化現(xiàn)象見圖3。

表4 各方案沖擊區(qū)最大裸露面積像素統(tǒng)計Tab.4 Pixel statistics of the maximum exposed area in the impact zone of each scheme

圖3 方案7沖擊區(qū)裸露和澆鑄區(qū)卷渣情況Fig.3 Exposed impact area and slag entrapment in casting area of scheme 7

從換包液位看：在大包流量6 m3/h條件下，所有方案中間包沖擊區(qū)未出現(xiàn)裸露現(xiàn)象，澆鑄區(qū)無卷渣；在大包流量9 m3/h條件下，僅方案4沖擊區(qū)出現(xiàn)裸露，最大裸露面積占沖擊區(qū)總面積的2.16%，同時澆鑄區(qū)出現(xiàn)少量卷渣。在大包流量12 m3/h 條件下，方案7 沖擊區(qū)出現(xiàn)大面積裸露(圖3(a))，沖擊區(qū)鋼液裸露面積占比為9.26%；同時澆鑄區(qū)出現(xiàn)大量細小油滴(圖3(b))，導(dǎo)流孔附近出現(xiàn)乳化現(xiàn)象；澆鑄區(qū)表面有覆蓋劑聚集且出現(xiàn)大量卷渣。方案8出現(xiàn)少量裸露及卷渣，裸露面積占比為2.68%，方案9未出現(xiàn)上述現(xiàn)象?？傮w看，同一大包流量下選取較低的換包液位時，從中間包入口處流入的鋼液對沖擊區(qū)影響大，沖擊區(qū)鋼液裸露面積較大，造成鋼液二次氧化，不利于鑄坯質(zhì)量；但保持高換包液位會縮短換包時間，給換包過程操作帶來困難。綜合考慮，換包液位保持在400 mm較好。

從大包流量看：在換包液位350 mm 條件下，方案4 出現(xiàn)少量沖擊區(qū)裸露及卷渣，方案7 出現(xiàn)大量沖擊裸露及卷渣，方案1未出現(xiàn)大量沖擊裸露及卷渣；在換包液位400 mm 條件下，方案2、方案5均未出現(xiàn)沖擊區(qū)裸露及卷渣，僅方案8 出現(xiàn)少量沖擊區(qū)裸露及卷渣；在換包液位450 mm 條件下，所有方案沖擊區(qū)均未出現(xiàn)裸露，澆鑄區(qū)均未發(fā)現(xiàn)卷渣?？傮w看，在相同換包液位條件下，偏大的大包流量會使注流帶入大量氣體進入沖擊區(qū)鋼液，沖擊區(qū)出現(xiàn)上升流沖擊覆蓋劑，造成鋼液裸露，同時使覆蓋劑卷入鋼液至澆鑄區(qū)形成卷渣，降低鋼液純凈度，影響鑄坯質(zhì)量；但較小的大包流量會導(dǎo)致充包時間過長，影響中間包液體流動。因此，大包流量保持在9 m3/h時較好。

3 結(jié)論

以某廠五流T 形中間包為研究對象，通過水模擬試驗研究提高拉速對中間包流場以及非穩(wěn)態(tài)換包過程中大包流量、換包液位對沖擊區(qū)裸露面積及卷渣的影響，得出以下主要結(jié)論：

1)對于穩(wěn)態(tài)澆鑄，提高拉速有利于改善中間包流場，降低死區(qū)比例，提高中間包的利用率，但隨著拉速的提高中間包2 流響應(yīng)時間及峰值時間縮短，易出現(xiàn)短路流；提高拉速可降低鋼液在中間包內(nèi)停留時間，不利于夾雜物充分上浮，影響鑄坯質(zhì)量。綜合考慮，對于T形五流中間包，拉速選擇0.58 m/min較為合適。

2)對于非穩(wěn)態(tài)換包，隨著換包液位的降低，換包過程中沖擊區(qū)出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，且沖擊區(qū)內(nèi)覆蓋劑經(jīng)過導(dǎo)流孔進入澆鑄區(qū)形成卷渣；增大大包流量會使沖擊區(qū)鋼液出現(xiàn)較大裸露，造成鋼液二次氧化。綜合考慮，對于T形五流中間包，換包液位保持在400 mm、大包流量9 m3/h較為合適。