41水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究

水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究1水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究杨树峰1，2，李京社1，张立峰2，唐海燕1，石少清3（1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083,中国；2.密苏里科技大学冶金工程系，密苏里州罗拉市65401，美国；3.衡阳钢管公司技术中心,衡阳421001，中国）摘要：依据实际120mm圆坯水平连铸过程中15t中间包原型，采用1:1.5的相似比建立了水模拟系统,对原型中间包内钢液的流场进行了评估，并研究了中间包控流装置（坝和湍流控制器）对中间包内钢液流动特性影响。关键词：水平连铸；中间包；水模型；控流装置WaterModelingontheFluidFlowinaHorizontalContinuousCastingTunishYANGShu-feng1,2,LIJing-she1,ZHANGLi-feng2,TANGHai-yan1SHIShao-qing3(1.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;2.Depofmetallurgicalenginering,MissouriUniversityofScienceandTechnology,Rolla,MO65409-0330,USA3.Researchcentere,HengyangPipeCompanyLtd.,Hengyang421001,China)Abstract:Accordingtotheactualhorizontalcontinuouscastingtundishof15tand￠120mmroundbillet,thesystemofwatermodelwasestablishedbysimilarityratioof1:1.5,andtheflowfieldinthelocalhorizontalcontinuouscastingtundishwasexaminedTheeffectoftheapplicationofflowcontroldevice(damsandturbulenceinhibitor)ontheflowbehaviorinthehorizontalwasstudied..Keywords:HorizontalContinuousCasting,Tundish,WaterModelling，FlowControlDevice1前言随着中间包冶金技术的的发展和完善，中间包不仅把钢水均匀分配给各个结晶器和实现多炉连浇，而且承担了越来越多的精炼功能。净化钢水去除钢水中的夹杂物以及防止钢水二次氧化是现代连铸中间包的重要功能。中间包内钢水的流动状态，对延长钢水在中间内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物去除有重要作用，直接影响连铸坯的质量。水平连铸与弧形连铸在工艺上有很大差别，水平连铸结晶器与中间包封闭地联在一起，夹杂物只要随钢水进入结晶器就会被凝固坯壳捕捉。因此，水平连铸过程中，中间包是钢液中夹杂物去除的最后一个环节。与弧形连铸机中间包相比，水平连铸中间包的净化钢水的负担更重，结构上也差别很大。与弧形连铸的中间包相比，水平连铸的中间包熔池较深，出口在侧面、底部，因此内部的钢液流动也弧形连铸机中间包有很大的不同。关于水平连铸中间包的钢水流动的研究90年代初期以前曾有过报道1)，而后由于水平连铸机使用的减少，相关的研究不再多见，而关于弧形连铸过程中间包的研究一直比较多2-9)。衡阳钢管公司多年以来一直使用水平连铸浇注圆坯，用于石油钻杆。本研究通过水力学模拟实验，研究了水平连铸中间包内安装控流装置（坝和湍流控制器）对钢水流动的影响。2实验方法本研究中，依据相似原理，在几何相似和动力学相似（Froude准数相似，Fr=U2/gL）的条件下，以模型与原型之间1:1.5的相似比（＝0.67）建造有机玻璃水模型研究水平连铸中间包内钢水的流动。依据Froude准数相似Frm=Frp，因此长度、速度、流量的相似条件为：长度:Lm=λLp=0.67·Lp速度:Um=λ0.5·Up=0.82Up水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究2流量:Qm=λ2.5Qp=0.36Qp实际连铸生产过程中为两流，拉速为3m/min，圆坯直径为120mm。中间包原型和税模型的参数参见表1。表1中间包原型与模型对应的工艺参数Table1Parametersintheprototypetundishandthemodeltundish实验参数原型模型单个水口流量(kg/s)4.411.6水口流速（m/s）0.640.52工作液面(mm)1400933两流出口间距(mm)1200800水口插入液面深度(mm)350230建立的水模型系统参见图1,由上水系统、示踪剂加入系统、数据采集系统和排水系统四部分组成，具体包括大包、有机玻璃中间包模型、长水口、中间包内控流装置、示踪剂加入装置、电导探头、电导率仪和计算机等。实验过程中采用“刺激一响应”实验技术，将饱和KCl溶液快速注入钢包水口中，由电导探头测量两水口出口处的电导变化情况，利用计算机采集并保存数据，而后对数据进行分析处理得到停留时间分布曲线（RTD曲线）。通过RTD曲线可以直接得到从示踪剂加入到流到出口的最小停留时间（tmin）和示踪剂浓度达到最大的峰值时间（tmax）。而后根据Ahuja等人提出的模型10)计算出中间包内死区、活塞流和全混流的体积分数Vd、Vp、Vm。图1水平连铸中间包水模拟实验装置示意图Fig.1Schematicofthewatermodelingapparatus研究过程中对中间包水口、外形结构，以及内部控流装置进行改进，共设计了7组方案。本文仅对三种方案进行报告和分析（如图2）：a-原型中间包；b-在中间包底部加设湍流控制器；c-在中间包底部加设带孔挡坝。a)b）c)图2三种水模型实验方案a)原型中间包b)底部加设湍流控制器c)底部加设挡坝Fig.2Threedesignsofthetundishinvestigatedinthecurrentstudya)originaltundishb)tundishwithaturbulenceinhibitorc)tundishwithdams水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究33试验结果与讨论3.1原型中间包流场的评价各种方案的RTD曲线和停留时间的分析结果见图3和表2。对于原型中间包，从原型的RTD曲线图3(a)以及混合模型的结果表2可以看出：（1）滞止时间最短只有11S，即从示踪剂加入到出口之间检测到信号的间隔很短只有11s，形成了短路流（2）曲线变化非常急剧，很快达到峰值然后又迅速减小。造成钢液在中间包内来不及混匀就从水口流出，钢液在中间包的停留时间很短，不利于夹杂物的上浮；另外由于钢液没有混合均匀，而在很短时间内流出水口的钢液的温度相对较高，水口周围的耐火材料承受的温度不稳定，导致水口周围耐火材料的脱落。本实验通过加入墨汁作示踪剂，通过录像来观察中间包内的流动情况。这是一种非常直观的研究流场的办法，通过观看录像可以明确钢水在中间包内的流动轨迹和死区的大小，经过较长时间墨汁不能扩散到的地方则为死区，原型中间包流场显示录像如图4所示：通过第二张照片可以看到从水口流出的墨汁到达中间包底部后沿底向四周展开，到第三张照片墨汁已到达四周并沿四壁上起，墨汁也到达了水口周围，通过录像能很清楚地看到墨汁沿中间包底部向四壁和水口流动的速度相当快，这势必会造成对四周包壁和水口的冲刷，从最后两张照片可以看出中间包内的墨汁没有全部扩散均匀，在中间包的中上部的前部和后部有两个区域仍是透明的，墨汁没有扩散进去，这说明有明显的死区存在。01002003004005006007000100200300400500600Relativeconductivity(S.cm-1)Time(s)OriginalTunishUseingturblenceinhibitor01002003004005006007000100200300400500600700Relativeconductivity(S.cm-1)Time(s)OriginaltunishAddingdama)b)图3RTD曲线:：a)原型中间包与加湍流控制器中间包b)原型中间包与加挡坝中间包Fig.3RTDcurvesmeasured:a)originaltundishandtundishwithaturbulenceinhibitorb)originaltundishandtundishwithdams表2测量得到的停留时间(s)和个流动模式所占的体积分数(%)Table2Fluidflowcharacteristicsinthewatermodel滞止时间,tmin峰值时间,tmax实际平均停留时间理论平均停留时间流动模式（%）活塞区死区全混区方案a(原型)113450413470.8261.7637.42方案b(加湍流控制器)275387613472.0032.9765.03方案c(加带孔坝)254770513471.8645.8152.33水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究4图4原型中间包流场显示（间隔为8s）（虚线部分为观察得到的死区区域）Fig4Timeshotoftheinkdispersioninoriginaltundishes(8stimeintervalbetweeneachphot3.2包底安装湍流控制器和挡坝对中间包内钢液流动的影响如表2所示，中间包底部安装湍流控制器后测得的滞止时间和峰值较原型都有所改进，分别提高了16s和18s。实际平均停留时间从原型的504S增加到876S；死区体积得到很大的改进，从原型的62.81%减小到32.97%。另外，湍流控制器明显缓冲了注流钢液的对水口的冲击程度。在原型中间包的冲击位置处加设湍流控制器，还可以改变中间包内钢液的流动特性，当钢液冲击到湍流控制器后大部分向上返回，而不是沿中间包底流动，增加了垂直流动，减少了短路流，即有利于夹杂物的上浮，又减少了钢液对中间包壁的冲刷。由图4b可以看出，安装湍流控制器后，RTD曲线的走势趋于平缓。在中间包的主流冲击点两侧安装带三孔的挡坝，可以阻止钢液直接流向水口形成短路流。从表2看出，加设挡坝后，滞止时间由原来的11S增加到了25S，而且实际平均停留时间比原型中间包延长了40%，这为夹杂物的上浮提供了机会。死区体积也由原型的62.81%减小到45.81%，死区减小的原因是：坝阻止了高速钢水的流出，减少中间包内钢液动能的损失，使中间包内的钢液更活跃。当钢液冲击到中间包底部后沿包底快速向四周流去，当到达坝和中间包前后壁后就沿坝和中间包壁向上运动到一定高度，然后向下流向水口，形成较大的循环流动水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究5图5中间包底部安装湍流控制器的流场显示（间隔为8s）（虚线部分为死区区域）Fig5Timeshotoftheinkdispersioninthetundishwithaturbulenceinhibitor(8stimeintervalbetweeneachphoto)水平连铸中间包内钢水流动的水模型研究6图6中间包底部安装带孔坝之后的流场显示（间隔为6s）（虚线部分为死区区域）Fig6Timeshotoftheinkdispersioninthetundishwithdams(8stimeintervalbetweeneachphoto4结论（1）原型水平连铸中间包内存在明显的短路流，中间包底部钢液流速较大，对中间包壁及出口冲刷较大；滞止时间和实际平均停留时间较短，不利于夹杂物上浮；死区比例较大，不利于成分和温度的均匀。（2）使用湍流控制器和挡坝，阻止了钢液直接流向水口，避免了短路流，保护了水口不受冲刷并且都能显著降低中间包内的死区比例，但对滞止时间的延长有限。所以使用湍流控制器和挡坝