53马钢板坯连铸中间包流场的水力学模型研究1，7-22

1马钢常规板坯连铸中间包流场的物理模拟研究及应用潘远望1、2尹国才2史向英2（1.安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山243000；2.马钢技术中心，安徽马鞍山243000）摘要:本文根据相似原理，运用正交实验设计了9种中间包湍流控制器的实验方案，采用水力学模型和数学模型研究了中间包湍流控制器对马钢板坯连铸中间包流体流动的影响。合理结构的湍流控制器能够改善中间包流体流动特性,平均停留时间增加,活塞流体积提高,死区体积下降。实验研究结果和生产实践表明，10＃湍流控制器的中间包流场较合理；采用10＃湍流控制器能改善中间包的温度场和流场，中间包的T.O小于15ppm。关键词:中间包湍流控制器水模数模应用PhysicalSimulationResearchandApplicationofFlowFieldinTundishforConventionalCCSlabofMaSteelPanYuanwang1,2YinGuocai2ShiXiangying2(1.MetallurgyandResourceSchool,AnhuiUniversityofTechnology2.TechnologyCentreofMaSteel）Abstract:9testprogramsfortheturbulencecontrollerintundishweredesignedthroughorthogonaltestsbasedonthesimilarityprinciple.TheinfluencesoftheturbulencecontrolleronthefluidflowintundishduringcontinuouscastingoftheslabinMaSteelwerestudiedbythehydraulicsmodelandthemathematicalmodel.Theturbulencecontrollerwithrationalstructurecouldimprovethebehaviorofthefluidflowintundish,extendtheaverageresidencetime,increasethevolumeoftheplugflowandreducethedeadzone.Theresultsoftheexperimentalresearchandtheproductionpracticeshowedthattheflowfieldofthe10#turbulencecontrollerwasmorerational.Thetemperaturefieldandflowfieldintundishcouldbeimprovedbyuseofthe10#turbulencecontroller.TheT.Oofthetundishwaslessthan15ppm.Keywords:tundishturbulencecontrollerhydraulicsmodelmathematicalmodelapplication1前言中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术,是从熔炼到铸坯这个生产流程中保证钢质量优良的关键一环。从冶金反应工程学的角度来看，钢水在中间包中存在湍流流动以及伴随湍流流动的传质、传热、夹杂物碰撞和排除等物理现象。近年来，就净化钢液的措施而言，除中间包的几何结构和容量外，中间包内钢液的流动状态也起到关键的作用。通过在中间包中安装一些控流装置，以改变钢水在中间包的流动特性，提高夹杂物的去除率［1］。本文针对马钢常规板坯中间包进行内腔结构优化，确定了适合该中间包的湍流控制器。2试验原理和方案2．1试验原理本试验的主要理论基础是相似三定理。模型与实型中液体流动相似的基本条件是几何相似和动力相似[2]。为方便实验，选择实验模型与实型的几何相似比例为0.3：1。试验中中间包内钢液受到的力主要有重力、惯性力、粘性力，因此只要保证Fr准数和Re准数相等即可保证动力相似。通过计算，原型实际流体流动的Re准数与水模型中流体流动的Re准数都超过10000，进入第二自模化区，因此只要保证Fr准数相等，就可以保证原型和模型的动力相似。模型与原型相关参数对应关系如表1所示。2表1实际拉速与模型流量的对应关系Table1Correspondingrelationsbetweentheactualcastingspeedandtheflowrateofthemodel原型模型拉速长水口浸入深度中间包液面高度每个水口的流量长水口浸入深度中间包液面高度1.5(m/min)300mm1100mm1590（L/h）90mm330mm本文在拉速为1.5m/min下，通过改变湍流控制器参数（即挡墙和坝的尺寸及其安装位置参数），利用正交实验设计了9种（四因素三水平）实验方案。对这9种方案进行水力学模型实验，比较优化出适合板坯连铸的最佳挡墙和挡坝的尺寸及安装位置。因素水平表和设计方案如表2和表3所示，安装位置示意图见图1所示。表2因素水平表Table2Thefactorsandlevels图1中间包安装示意图Figure1Schematicdiagramoftundishinstallation表3挡墙和挡坝的设置实验方案表/mmTable3Testprogramsforthedamsetting/mm2.2实验方案在以上设计的9种实验方案中，通过加入示踪剂来测量流体在中间包内停留时间，运用RTD曲线分析计算中间包内流体的流动模式(包括：平均停留时间、最短停留时间、活塞流、混返流和死区的百分比等参数信息)。通过以上实验，优化挡墙和挡坝，中间包挡墙优化的主要准则：通过RTD分析后具有：（1）最大活塞流；（2）最小死区；（3）尽量大的示踪剂响应时间；（4）尽量大的平均停留时间；运用正交试验直观分析法选择比较合理的湍流控制器参数进行如下试验：①加入黑墨水，观察中间包采用该湍流控制后中间包内流体的流动规律，并对流场进行摄像；②运用CFX软件计算采用该湍流控制器后中间包内流体的流场和温度场；对比分析以上实验结果，选择一个比较合理的湍流控制器参数。3试验结果分析3.1中间包RTD测试结果分析钢液在中间包内停留的时间及其分布的测定采用刺激响应法进行，即随着钢包水口注流迅速向中间包内加入示踪剂（即δ刺激信号），同时在中间包出水口处测定示踪剂的浓度变化曲线，称为RTD曲线[3]，RTD水平因素L1L2H1h2112035307592150453376931805536779实验号L1L2H1H21120353075921204533769312055367794150353377951504536759615055307697180353676981804530779918055337593曲线分析结果如表4所示。表4中间包钢液的RTD曲线分析结果Table4AnalysisresultsoftheRTDcurve实验号实际平均停留时间，S死区体积分数活塞流体积分数混合区体积分数1246.337%7%56%2297.124%6%70%3279.128%7%64%4254.635%7%59%5302.922%7%70%6305.322%7%71%7303.222%6%72%8323.317%7%76%9294.924%7%69%根据正交试验的直观分析法分析可以得出最优的参数如下表5所示。表53个指标分别对应的最优参数方案Table5Theoptimizedparameters表6优化后的试验方案correspondingtoeachofthe3indexes.Table6Optimizedtestprograms指标L1L2H1H2死区体积分数1804533769活塞流体积分数1804533769混合流体积分数1804536769综上分析，选择设计10和11＃方案进行流场拍照和数模试验。10＃和11＃方案如表6所示。3.2中间包流场分析对10＃和11＃试验在钢液注入口处加入黑墨水，然后用摄像机对流场进行拍摄。3.2.110＃试验方案的流场10＃试验方案的流场图如下图2所示。图210＃试验方案中间包流场图Figure2Photosofthetundishflowfieldin10#testprogram从图3照片可以看到，钢液从钢包长水口注入中间包后，钢液冲击到中间包底部然后向上流到钢液的上部，这样使大部分流体在中间包内的平均停留时间延长，利于夹杂物的上浮和去除，无短路流产生，中间包流场较合理。3.2.211＃试验方案的流场11＃试验方案的流场图如下图3所示。实验号L1L2H1H210＃180453376911＃18045367694图311＃试验方案中间包流场图Figure3Photosofthetundishflowfieldin11#testprogram对比10＃和11＃方案的流场来看，它们的差别不是很明显。4流场和温度场数值模拟运用CFX软件对10＃和11＃试验方案的中间包流场和温度场进行计算。4.1中间包流场计算结果分析10＃和11＃试验方案中间包的流场计算结果如图4和图5所示。图410＃试验方案中间包流场图图511＃试验方案中间包流场图Figure4DiagramoftheflowfieldFigure5Diagramoftheflowfieldin10#testprogramin11#testprogram计算结果表明，10＃试验方案对应中包液面区域的钢液流速最大为0.17m/s；11＃试验方案对应中包液面区域的钢液流速最大为0.31m/s，这说明11＃试验方案很有可能引起卷渣情况发生。4.2中间包温度场计算结果分析10＃和11＃试验方案中间包的温度场计算结果如图6和图7所示。图610＃试验方案图711＃试验方案中间包中心纵截面温度场云图中间包中心纵截面温度场云图5Figure6CloudpictureoftemperatureFigure7Cloudpictureoftemperaturefieldonlongitudinalsectionoftundishfieldonlongitudinalsectionoftundishcentrein10#testprogramcentrein11#testprogram从计算结果看，10＃试验方案中间包内钢液的最高温度和最低温度相差10℃，11＃试验方案中间包内钢液的最高温度和最低温度相差8℃，这两个试验方案对应的中间包流场温差基本相当。5实际应用效果将10＃试验方案对应的湍流控制器在马钢常规板坯中间包上进行了应用实验，实验钢种为X80管线钢。在大包浇注100t和200t时采用专用取样器在中间包各取一个试样，分析中间包的T.[O]含量（样本数为20炉），见图8；从分析的结果来看，中间包T.[O]含量平均值为12.5ppm，最大值为14.6ppm。10111213141513579111315171921232527293133353739试样号T.O/ppm图8X80管线钢中包全氧含量Figure8TheT.[O]contentintundishofX80pipeline6结论通过以上分析可以得出以下结论：从中间包流场图来看，10＃和11＃试验方案的流场差别不大，流场都比较合理。从CFX软件的计算结果看，10＃试验方案对应的中间包液面波动小于11＃试验方案；这两个试验方案对应中间包的温度场基本相当。从实际应用效果看，采用10＃试验方案可以满足生产的要求，充分发挥了中间包的冶金功能。参考文献：[1]钟良才，李丽颖，王彪，等连铸中间包气幕隔墙水模实验研究[P]第十三届全国炼钢学术会议论文集，昆明，2004，416－410[2]张先槕冶金传输原理[M]北京：冶金工业出版社，1987[3]蔡开科连续铸钢[M]科学出版社，1990