連鑄中間包內流場控制優化水模實驗研究

周宇濤，晏　威，邦嘉文，周　佳，鄧葉群，賀道中

（湖南工業大學 冶金工程學院，湖南 株洲 412007）

連鑄中間包內流場控制優化水模實驗研究

周宇濤，晏威，邦嘉文，周佳，鄧葉群，賀道中

（湖南工業大學 冶金工程學院，湖南 株洲 412007）

根據相似原理，研究了原設計方案和優化改進方案對中間包流場的影響。采用刺激-響應實驗方法測得中間包流體的平均停留時間分布（RTD）曲線，并得到不同方案控流裝置對中間包流體流動的影響，從而優化對中間包流場的控制。研究結果表明：方案4中活塞區體積分數增大了42.44%，鋼液平均停留時間延長了500 s左右，并且提高了中間包各流之間的鋼液均勻性，從而促進夾雜物的上浮去除。

中間包；流場控制；V形擋墻；水模擬

0　引言

當前用戶對鋼材品質的要求越來越高，鋼材質量主要與精煉鋼液的潔凈度有關，因此中間包的精煉功能受到冶金工作者的廣泛關注。中間包是設置在鋼包和結晶器之間用于鋼液連續澆注的裝置，通過中間包冶金可以減少鋼液的二次氧化，改善鋼水的流動形態，促進鋼液中的夾雜物上浮與分離，進行鋼液成分微調和控制等［1］。目前，研究者主要是通過優化中間包內的控流裝置，改善鋼液的流動，使鋼液的溫度均勻分布，盡可能去除鋼水中的夾雜物，提高鋼液潔凈度。本文以某煉鋼廠四機四流方坯連鑄機中間包為研究對象，該廠主要產品有冷鐓鋼、簾線鋼等高品質鋼種，其對鋼中夾雜物類型、數量、大小、分布有著極其嚴格的要求，并且鋼水在澆注過程中，要求澆注溫度穩定。因此，有必要對中間包的結構進行優化，以保證最大程度地去除夾雜物和均勻溫度。Y.Miki等［2］對單流板坯中間包的鋼液流動、傳熱和夾雜物去除進行了數學模擬研究；鐘良才等［3］對中間包流場溫場進行了數學模擬，得出了采用改進的導流隔墻，可以使中間包鋼液的停留時間增加，死區體積變小。方坯多流中間包采用新型V形多孔控流裝置的有關研究較少，針對某廠T型中間包流場控制的水模研究未見報道。

本研究通過設計改進中間包控流裝置，對連鑄機中間包流場的控制優化。采用水模擬鋼液實驗研究中間包控流裝置改進前后鋼液的流場，實驗中所使用裝置為某廠20 t四流方坯中間包模型，實驗使用的控流裝置為V形擋墻和擋壩。實驗用飽和食鹽水做示蹤劑，采用“刺激-響應”技術測得中間包流體的平均停留時間分布（residence time distribution，RTD）曲線；采用藍色墨水做流場示蹤劑顯示流場。通過水模實驗以優化中間包流場的控制，提高中間包各流之間的鋼液均勻性，促進夾雜物上浮去除，提高鋼液潔凈度，改善鑄坯質量。

1　水模實驗原理和實驗方法

1.1實驗原理

水模擬實驗的理論依據是動量傳輸中的相似原理。本次實驗模型與原型的比例為1:4，原型中間包液面為1 200 mm，拉速為3 m/min，鑄坯斷面尺寸為240 mm×240 mm。流體流動時的湍流雷諾數十分接近，它只需要保證在湍流流動范圍的模型中間包與原型中間包的流動相似，即保證中間包模型和原型的弗勞德數Fr相等（即Frm= Frp），就可以保證模型和原型近似相似。從而有

1.2實驗裝置

實驗模型裝置示意圖如圖1所示。主要實驗儀器DDLY-2005型電導率儀，DJ800型多功能監測系統均由中國水利水電科學研究院研制生產。實驗耗材有食鹽和墨水。按1:4的比例制作的中間包模型，其擋墻、擋壩可以自行安裝與拆卸，以便于不同情況的組合實驗。V形擋墻的設計制作方案是：V形直孔擋墻直徑為30 mm，其結構如圖2a所示；V形斜孔擋墻直徑有40 mm和50 mm兩種，孔中心線與水平線夾角為15°，其結構如圖2b所示。

圖1　水模擬實驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of water modeling devices

圖2　V形擋墻類型Fig.2　Types of the V-shaped retaining wall

1.3實驗方法

模型中間包用有機玻璃制成，用水作為模擬鋼水的介質，本研究用刺激-響應實驗方法測定流體在中間包內的RTD曲線。實驗中，從鋼包長水口處向注流處加入飽和食鹽水作示蹤劑，打開DJ800型多功能監測系統開始監測。通過插入1， 2流水口處的傳感器監測各流的電導率變化，由DJ800型多功能監測系統將信號放大、轉換、輸入計算機處理得出RTD曲線。同時，還能夠獲得從注入示蹤劑到各流水口產生響應的最短時間tmin和示蹤劑濃度達到最大時的峰值時間tmax，也可得到流體在中間包內各水口的實際停留時間［4］。實際平均停留時間的計算公式是

式中：Ci為水出口處示蹤劑的濃度；i為采樣次數；Δt為采樣時間間隔。

由于可以將NaCl的濃度看成與電導率呈線性關系，所以用電導率代替式（7）中NaCl的濃度并進行計算。

通過從漏斗中加入墨水做示蹤劑來顯示流場，墨水隨后會迅速擴散，從而勾勒出流場的大概輪廓，用攝像機記錄下不同時刻中間包的流場圖。中間包各區域的體積分數可根據測得的RTD曲線計算求得，計算公式如下。

活塞區體積分數

死區體積分數

混流區體積分數

1.4實驗方案

原中間包控流裝置設計方案是由開有4個導流孔（孔徑均為30 mm）的V型直孔擋墻和長度為70 mm的直擋壩組成，擋墻、擋壩厚度均為30 mm。中間包結構及控流裝置如圖3所示。

為改善該中間包內流體的流動狀態，最大可能地去除鋼液中的夾雜物，并使中間包內的溫度分布更加均勻，需對其進行優化改進。優化改進的主要思路應是：增大活塞區體積分數Vp，增大實際平均停留時間tav，減小死區體積分數Vd。因此，在原設計中間包結構的基礎上，并參考文獻 ［5-7］中關于中間包結構優化的觀點，設計出了如下4種水模實驗優化方案，見表1。通過對不同擋墻與擋壩的組合進行水模實驗，分析比較得出最優方案，從而為某煉鋼廠生產優質鋼種提供理論指導。

圖3　中間包結構及控流裝置示意圖Fig.3　A sketch for the tundish structure and schematic diagram of flow control devices

表1　優化實驗方案Table 1　Optimized experimental schemes

2　水模實驗結果與分析

2.1原中間包控流裝置設計方案分析

在原中間包控流裝置下進行水模實驗，實驗結果如表2所示。根據實驗結果繪制出原設計方案的中間包停留時間分布（RTD）曲線，如圖4所示。

表2　中間包結構優化前的實驗結果Table 2　Experimental results of the original tundishes

圖4　原方案中各流的RTD 曲線Fig.4　Residence time distribution curves of the outletsin the original scheme

由表2中的實驗數據可知：在原設計方案的擋墻形式下，流體在離鋼包注流點近的1號水口與離鋼包注流點遠的2號水口的實際平均停留時間相差較大；流體在2號水口的響應時間為1號水口的1.6～1.7倍。原設計方案中間包中，死區體積分數較大，混流區體積分數高達50%以上，活塞區體積分數較小。因此，在生產中采用這樣的直孔擋墻與直擋壩搭配的控流裝置，會造成中間包內的鋼液流動狀態較差，各流的溫度分布不均和實際平均停留時間相差大，鑄坯質量不均勻，從而不利于鋼液中夾雜物上浮去除。

2.2優化改進型方案分析

在中間包內采用4種方案加設不同的擋墻與擋壩進行控流實驗，實驗所測數據如表3所示。表3中的數據表明，中間包內流體的流動狀態得到了不同程度的改善。流經1號水口與2號水口的流體相對原方案均勻；流體在中間包各水口中的開始響應時間和實際平均停留時間都有較大增加；各水口之間的tmin和tav差異也大為減少。活塞區體積分數Vp增大，死區體積分數Vd減小。通過對4種方案的RTD曲線的分析發現，方案4為最佳方案。方案4對鋼液流場和流動狀態改善效果最為明顯，活塞區體積分數增加了42.44%，這表明1號與2號水口流動狀態趨于一致。方案4中各流的RTD曲線如圖5所示。

表3　中間包結構優化后的實驗結果Table 3 Experimental results of optimized tundishes

圖5　方案4中各流的RTD 曲線Fig.5　Residence time distribution curves of the outlets in scheme 4

通過在注流口加入墨水，對中間包內流體進行攝像顯示：墨水經長水口進入后，通過50 mm斜孔擋墻上的導流孔迅速向兩端擴散，部分會擴散到表面，同時也向下擴散；又在70 mm斜擋壩阻擋作用下，一部分流體返回2流水口，另一部分從上部流向1流水口處，示蹤劑的擴散時間被延長，最終達到擴散均勻。最佳方案中流體流動軌跡如圖6所示。

圖6　方案4中的中間包流場Fig.6　Fluid flow in tundishesin scheme 4

3　結語

通過對某廠20 t連鑄中間包流場優化的水模實驗研究，可得以下結論。

1）原中間包控流裝置中，死區體積分數較大，混流區體積分數達50%以上，活塞區體積分數較小。兩流中的流體實際平均停留時間相差較大，因此采用原方案不利于實際生產中鋼液中夾雜物的上浮去除，不能滿足生產優質鋼種的需要。

2）采用不同的斜孔擋墻與斜擋壩的組合后，中間包內流體的流動狀態得到了不同程度的改善，流經1號與2號水口的流體相對原方案更加均勻。方案4（50 mm斜孔擋墻與70 mm斜擋壩組合）效果最為明顯。

3）方案4為最佳方案，其活塞區體積分數增大了42.44%，流體的平均停留時間延長500 s左右。采用方案4可以使實際生產中鋼液的流動狀態較為理想，能較好地滿足生產高品質鋼種的需要。

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（責任編輯 ：鄧光輝）

A Research on Water Modeling of the Flow Control Optimization in Continuous Casting Tundishes

ZHOU Yutao，YAN Wei， BANG Jiawen，ZHOU Jia，DENG Yequn， HE Daozhong
（School of Metallurgical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Based on the principle of similarity， a study has been conducted on the effects of the original design and the optimized design upon the flow field in tundishes.With the stimulus-response approach adopted， the average residence time distribution （RTD） curves of the tundish fluid flow can be obtained and the effect of the two sets of flow control devices on the fluid flow behavior in tundishes can be worked out， thus optimizing the control on the flow field in tundishes.The results show that the plug flow volume has been increased by 42.44%， the average residence time of steel liquid flow in the tundish has been extended by approximately 500 s， and the homogeneity of the molten steel flow in each outlet has been improved， thus facilitating the removal of the floating inclusions.

tundish ；flow field control ；V-shaped retaining wall ；water modeling

TF03

A

1673-9833（2016）04-0048-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.04.010

2016-04-26

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃基金資助項目（湘教通［2015］269-323），湖南省教育科學十二五規劃課題基金資助項目（XJK012BGD020）

周宇濤（1992-），男，湖南衡陽人，湖南工業大學學生，主要研究方向為鋼鐵冶金工藝與夾雜物控制，E-mail：1175295057@qq.com

賀道中（1967-），男，湖南津市人，湖南工業大學教授，主要從事潔凈鋼冶煉理論與新工藝方面的研究，E-mail：hdzhong1968@163.com