連鑄中間包耐火材料的沖蝕特性與控流裝置的優(yōu)化設(shè)置

張美杰,黃 奧,顧華志,白 晨,張吉元

(武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,湖北武漢,430081)

連鑄中間包耐火材料的沖蝕特性與控流裝置的優(yōu)化設(shè)置

張美杰,黃 奧,顧華志,白 晨,張吉元

(武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,湖北武漢,430081)

中間包內(nèi)耐火材料的損毀是化學(xué)反應(yīng)、熱應(yīng)力與鋼液流動(dòng)的協(xié)同作用所致,中間包內(nèi)控流裝置發(fā)生侵蝕的主要原因是鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕。對(duì)設(shè)置有湍流控制器、擋渣堰、擋渣壩的中間包耐火材料的沖蝕特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算與分析,結(jié)果表明,中間包內(nèi)沖蝕最嚴(yán)重的部位是在湍流控制器及沖擊區(qū)包壁上部1/3處,其次是擋渣堰迎向鋼液流動(dòng)一側(cè)壁面;隨著擋渣堰與鋼液入口距離的增加,鋼液對(duì)擋渣堰、擋渣壩的沖蝕強(qiáng)度下降;根據(jù)停留時(shí)間分布(RTD)曲線設(shè)置中間包控流裝置時(shí),應(yīng)考慮鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕特性。

連鑄中間包;耐火材料;控流裝置;沖蝕;數(shù)值模擬

中間包用耐火材料的損毀原因主要包括化學(xué)侵蝕、機(jī)械破壞和鋼液的沖蝕[1]。以往,人們主要采用抗渣實(shí)驗(yàn)對(duì)耐火材料的化學(xué)侵蝕進(jìn)行研究,認(rèn)為化學(xué)侵蝕主要由擴(kuò)散過(guò)程控制[2],并通過(guò)計(jì)算反應(yīng)生成物在鋼液中的傳質(zhì)速率來(lái)分析耐火材料的侵蝕速率[3]。近年來(lái),研究人員通過(guò)建立耐火材料與熔渣之間化學(xué)反應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬熔渣對(duì)耐火材料的侵蝕速率[4]。對(duì)于耐火材料的機(jī)械破壞,則通過(guò)熱應(yīng)力計(jì)算及裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行分析[5]。隨著不潤(rùn)濕鋼液耐火材料的出現(xiàn),如含碳耐火材料、含鋯耐火材料等,鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕破壞已逐漸引起研究人員的重視[6-7],鋼液流動(dòng)參數(shù)對(duì)沖蝕的影響也通過(guò)水模實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)[6]。對(duì)于沖蝕的數(shù)值模擬研究,主要限于對(duì)耐火材料壁面處的剪切應(yīng)力進(jìn)行分析[7],或耦合鋼液流動(dòng)與傳質(zhì)過(guò)程,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)定義中間包內(nèi)耐火材料的損毀因子,考察中間包內(nèi)耐火材料的損毀情況[8]。Campbell等[9]將耐火材料的侵蝕分為3個(gè)過(guò)程:鋼渣向耐火材料內(nèi)的滲透、鋼渣與耐火材料的反應(yīng)以及生成物在剪切力作用下被沖蝕掉,分別建立了不同階段的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬計(jì)算。

中間包控流裝置(耐火材料)的損毀原因主要是鋼液的沖蝕。本文基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)建立中間包內(nèi)鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕預(yù)測(cè)模型,并計(jì)算了在控流裝置布置不同的情況下鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕強(qiáng)度,結(jié)合停留時(shí)間分布(RTD)曲線討論了中間包控流裝置布置的基本原則,以期為中間包內(nèi)控流裝置的優(yōu)化設(shè)置提供參考。

1 中間包耐火材料侵蝕機(jī)理

中間包內(nèi)存在復(fù)雜的多相流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,對(duì)耐火材料的侵蝕是由多相流動(dòng)、熱應(yīng)力、化學(xué)反應(yīng)及傳質(zhì)過(guò)程協(xié)同作用所造成的。在實(shí)際工況條件下,中間包內(nèi)的鋼液一直處于流動(dòng)狀態(tài)。渣線處工作層耐火材料的侵蝕是由熔渣與耐火材料的化學(xué)反應(yīng)及流體力學(xué)因素所致;其他區(qū)域工作層及控流裝置耐火材料基本不與鋼液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其侵蝕主要是由于流體力學(xué)因素所致。控流裝置受到?jīng)_蝕不僅影響中間包的使用壽命,而且影響其控流作用的發(fā)揮,惡化鋼液的流動(dòng)狀態(tài),不利于夾雜物的去除。因此,控流裝置的沖蝕損毀是中間包內(nèi)沖蝕研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

中間包內(nèi)高速流動(dòng)的鋼液與耐火材料壁面之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生剪切應(yīng)力,從而不斷地撕裂、剝落表面耐火材料。鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕強(qiáng)度可以表示為剪切應(yīng)力與湍流強(qiáng)度的函數(shù)[10-11],即

式中:Wff為鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕強(qiáng)度,kg/m2;τ為壁面剪切力,Pa;I為湍流強(qiáng)度;x、y、z分別為位置坐標(biāo),m。

由于鋼液中夾雜物含量很少,通常僅為百萬(wàn)分之幾,因此相對(duì)于鋼液來(lái)說(shuō),夾雜物對(duì)耐火材料的沖蝕可以忽略不計(jì)。

2 計(jì)算條件

以某煉鋼廠的二流板坯中間包為研究對(duì)象建立模型,圖1為中間包及控流裝置結(jié)構(gòu)布置示意圖。

圖1 中間包結(jié)構(gòu)及其控流裝置圖Fig.1 Schematic construction of continuous casting tundish and flow controls

根據(jù)該廠的實(shí)際生產(chǎn)情況,拉坯速度設(shè)為1.1 m/m in,鑄坯尺寸為1.0 m×0.23 m,長(zhǎng)水口(入口)內(nèi)徑為95 mm,出口直徑為75 mm。另外,假設(shè)鋼液密度等于常數(shù),為6 940 kg/m3,鋼液黏度為6.293×10-3Pa·s。鋼液流動(dòng)及示蹤劑傳輸方程參見文獻(xiàn)[12]。

采用商業(yè)CFD軟件求解中間包內(nèi)鋼液的湍流流動(dòng)[12],鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕強(qiáng)度根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

在其他設(shè)置保持不變的情況下,改變擋渣堰與入口的距離,分別計(jì)算和分析擋渣堰距離入口750、1 200、1 550 mm時(shí)鋼液的RTD曲線及耐火材料沖蝕情況。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 鋼液沖蝕強(qiáng)度分布

由于中間包為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此僅取其1/4進(jìn)行分析。高溫鋼液通過(guò)鋼包長(zhǎng)水口以較快的速度沖擊到湍流控制器內(nèi),然后越過(guò)湍流控制器、擋渣堰、擋渣壩等控流裝置流向出口,如圖2所示。

圖2 中間包中心截面鋼液流場(chǎng)Fig.2 Velocity field of molten steel in the longitudinal symmetry plane

在受限的湍流控制器及注入?yún)^(qū)內(nèi),鋼液進(jìn)行著強(qiáng)烈地湍流流動(dòng),并與耐火材料壁面之間不斷碰撞,對(duì)其進(jìn)行快速?zèng)_刷,從而造成耐火材料的沖刷磨蝕。圖3為擋渣堰、擋渣壩在距離入口不同位置時(shí)鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕強(qiáng)度分布圖。

圖3 控流裝置布置情況不同時(shí)鋼液對(duì)耐火材料的沖蝕強(qiáng)度分布Fig.3 Erosion-corrosion of molten steel flow to refractory with different flow controls schemes

由圖3可見,在該中間包內(nèi),鋼液對(duì)耐火材料沖刷最嚴(yán)重的部位是湍流控制器及沖擊區(qū)包壁上部1/3處,且不隨擋渣堰與入口距離的變化而改變,其次則是擋渣堰迎向鋼液一側(cè)、塞棒底部的出口區(qū)域。

本文計(jì)算結(jié)果與中間包使用后內(nèi)腔損毀實(shí)際測(cè)量結(jié)果一致[7]。另外,湍流控制器的損毀會(huì)改變鋼液的流動(dòng)狀態(tài),影響控流裝置發(fā)揮作用,并成為影響中間包使用壽命的薄弱環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)中,為了保持整個(gè)中間包使用壽命一致,湍流控制器底部的厚度通常比包底其他區(qū)域高60～100 mm[13-14],這也間接驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果。

在擋渣堰距離入口較近時(shí),擋渣堰靠近注入?yún)^(qū)一側(cè)的上部1/4左右區(qū)域沖蝕較嚴(yán)重,往往成為制約擋墻使用壽命的關(guān)鍵因素;隨著擋渣堰與入口的距離增加,鋼液對(duì)擋渣堰、擋渣壩的沖蝕強(qiáng)度下降,其使用壽命得到延長(zhǎng)。

3.2 RTD曲線

在進(jìn)行中間包控流裝置優(yōu)化設(shè)置時(shí),常根據(jù)RTD曲線判斷鋼液流動(dòng)特性的優(yōu)劣。圖4為擋渣堰、擋渣壩處于不同位置時(shí)鋼液在中間包內(nèi)的RTD曲線,表1為RTD曲線分析結(jié)果。

由表1可見,擋渣堰、擋渣壩與入口的距離對(duì)

圖4 控流裝置布置情況不同時(shí)鋼液的RTD曲線Fig.4 RTD distributions of molten steel in the tundishes with different flow controls schemes

表1 RTD曲線分析結(jié)果Table 1 Analysis results of RTD curves

注:tmin、tpeak、tav分別為鋼液在中間包出口的響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間以及在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間;Vd、Vp、Vm分別為鋼液在中間包內(nèi)流動(dòng)時(shí)的滯止區(qū)體積、活塞流體積與混合區(qū)體積,m3;V為中間包的有效容積,m3。鋼液在中間包內(nèi)停留時(shí)間的影響不大。因此,在設(shè)置中間包控流裝置時(shí),應(yīng)著重考慮鋼液的沖蝕強(qiáng)度分布情況,選用鋼液對(duì)耐火材料沖蝕強(qiáng)度較小的布置方式,針對(duì)本文研究對(duì)象,即擋渣堰距離入口1 500 mm為宜。

4 結(jié) 論

(1)鋼液對(duì)中間包耐火材料沖蝕最嚴(yán)重的部位為湍流控制器及沖擊區(qū)包壁上部1/3處,其次是擋渣堰迎向鋼液一側(cè)、塞棒底部的出口區(qū)域。

(2)中間包擋渣堰距離入口較近時(shí),鋼液對(duì)擋渣堰的沖蝕較嚴(yán)重;隨著擋渣堰與入口的距離增加,鋼液對(duì)擋渣堰和擋渣壩的沖蝕強(qiáng)度下降,其使用壽命延長(zhǎng)。因此,在鋼液的RTD曲線變化不大的情況下,應(yīng)將擋渣堰布置在距離入口稍遠(yuǎn)的區(qū)域。

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Flow control devices establishment and erosion corrosion of refractory in the continuous casting tundish

Zhang M eijie,H uang Ao,Gu H uazhi,Bai Chen,Zhang Jiyuan
(The State Key Laborato ry Breeding Base of Refractories and Ceramics,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The combined effect of chemical reactions,thermomechanical stress and molten steel flow erosion contribute to the damage of the tundish refracto ry.The molten steel flow erosion mainly accounts for the damage of flow controls.In this regard,the erosion corrosion in a two strand continuous casting tundish equipped w ith turbulence inhibitor,dam s and weirswere numerically simulated by commercial software computer fluid dynamics(CFD).The results show the maxim um erosion strength position w asmainly found in the turbulence inhibito r and the wo rking lings near slag line around the injection zone,and then in theweirwalls faced to the flow direction.With the distance from the weir to the entrance increases,the erosion corrosion strength decreases.So,the erosion corrosion to refractories should be considered in op timization design of flow control devices based on the analysis of RTD curves.

continuous casting tundish;refracto ry;flow control devices;erosion corrosion;numerical sim ulation

TF063

A

1674-3644(2010)05-0449-04

[責(zé)任編輯 尚 晶]

作者介紹:張美杰,女,1972年出生,1995年武漢冶金科技大學(xué)無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)工學(xué)學(xué)士畢業(yè),2006年武漢科技大學(xué)材料學(xué)博士畢業(yè),2007—2008年在教育部資助下,作為青年骨干教師在清華大學(xué)做訪問(wèn)學(xué)者。武漢科技大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。近十年來(lái)發(fā)表論文40余篇,其中被EI檢索8篇,SCI檢索3篇,ISTP檢索6篇,出版專著2部,參與編寫專著2部。近年來(lái)主持湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng),作為主要參與人完成國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng),湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng),正在承擔(dān)國(guó)家“973”基礎(chǔ)研究預(yù)研項(xiàng)目1項(xiàng),國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng),湖北省科技廳重大項(xiàng)目1項(xiàng),主持或承擔(dān)多項(xiàng)企業(yè)合作項(xiàng)目。獲湖北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。2010年被評(píng)為武漢科技大學(xué)“三育人”教書育人代表, 2003年被評(píng)為武漢科技大學(xué)優(yōu)秀班主任。主要研究方向?yàn)槟突鸩牧蠎?yīng)用中的數(shù)值模擬研究、場(chǎng)協(xié)同理論在工業(yè)爐中的應(yīng)用、紅外熱像無(wú)損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)機(jī)材料工業(yè)窯爐的設(shè)計(jì)與改造。

2010-07-08

國(guó)家“973”計(jì)劃前期研究專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2009CB62600);湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2009CDZ010).

張美杰(1972-),女,武漢科技大學(xué)副教授,博士.E-mail:majo r6886@126.com