四流T型連鑄中間包流場優化研究①

張 馳 包燕平 王 敏 安航航 馮桂萍趙 敏 張廣軍 張書巖

(1:北京科技大學鋼鐵冶金技術國家重點實驗室 北京 100013；2:撫順特殊鋼股份有限公司技術中心 遼寧撫順 113001；3:中鋼設備有限公司 北京 100080)

1 前言

中間包作為連接鋼包和結晶器的反應器，其重要性被越來越被人們意識到。其冶金作用不僅是維持鋼液面的穩定，同時作為生產潔凈鋼的反應容器，在去除非金屬夾雜物和調節鋼液溫度與成分上也發揮著重要的作用[1][2]。中間包內物質和能量的傳遞由包內的流場特性決定，研究中間包內鋼液的流場特征的重要性不言而喻，因此需要設計合理的控流裝置來保證中間包冶金的冶金效果[3]。

本文對國內某鋼廠現用四流T型中間包存在的兩流之間鑄坯質量和溫度相差較大的現象，采用物理模擬結合數值模擬的實驗研究方法，找出原型中間包鋼液流動特性的較差的限制性因素，針對原型中間包的控流裝置存在的問題，設計新型優化結構方案，采用正交試驗研究不同控流裝置組合對中間包流場特性的影響，同時結合數值模擬對中間包內溫度場的計算結果，得到該中間包的最佳優化方案。

2 物理模擬試驗原理及方法

2.1 試驗原理

中間包水模型實驗的原理是相似原理，為保證試驗結果的準確性，需要保證原型和模型的幾何相似和動力學相似[4]。動力學相似要求模型的Fr準數和Re準數與原型的相等。在本實驗條件下，水模型和原型的流體的流動處于第二自模化區，流體的流動和流速對Re準數的影響較小，因此模型(下標用m表示)和原型(下標用s表示)的Fr準數相等，就可以保證滿足動力學相似條件[5]：

(1)

由式(1)計算可以得出模型對應原型的體積流量和水口流速，即：

Qm=λ2.5Qp

(2)

um=λ0.5up

(3)

本實驗采用的模型與原型的幾何相似比λ=0.4，中間包模型的尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 中間包模型尺寸示意圖 (單位：mm)

2.2 停留時間分布曲線的測定

此次實驗所采用的方法為“刺激-響應”法[6][7]，潔凈的水從長水口注入中間包，當中間包內的液面穩定在給定高度時，從長水口管道上的示蹤劑加入裝置脈沖加入150ml飽和KCl溶液，同時位于中間包1號(邊部)和2號(中部)的出口處的電導率開始測量液體的電導率變化，并將數據傳輸至數據采集系統和計算機。

為保證DJ800系統測量測得停留時間分布曲線(RTD曲線)的完整性，從示蹤劑加入開始計時，試驗測量時間為中間包理論停留時間的2.5倍。從獲得的RTD曲線上可以直接得到從加入示蹤劑流至出中間包出水口時的滯止時間tmin和示蹤劑達到最大濃度的峰值時間tmax。通過對停留時間曲線積分，還可以得到各流體微元在中間包內的實際平均停留時間tav。

(4)

理論平均停留時間ts=VR/Q。以理論停留時間ts為基準時間，除以停留時間t，可以得出無因次停留時間θ：

(5)

按照混合模型理論，死區、活塞區和全混區占中間包流體體積的比例按照以下公式(6)計算：

Vd=1-θav,Vp=θmin,Vm=1-Vd-Vp

(6)

2.3 中間包流場顯示試驗

采用高錳酸鉀溶液作為流場示蹤實驗的示蹤劑，從長水口管道上的示蹤劑加入裝置脈沖加入示蹤劑后，開始計時拍攝中間包內流體的流動狀態。由于試驗所用中間包對稱型中間包，因此僅需要對一側的包體進行拍攝即可。

3 物理模擬試驗結果分析

3.1 原型中間包物理模擬實驗結果

原型中間包所采用的擋壩和堰作為控流裝置，其物理模型尺寸示意圖如圖2所示。試驗所得原型中間包RTD曲線如圖3所示，RTD曲線分析結果如表1所示，流場顯示試驗的結果如圖4所示。

結合圖3和表1可知：原型中間包兩流之間的最小停留時間相差53s，峰值時間相差75s，說明兩個水口的一致性很差，造成鑄坯質量不均勻。兩個水口的平均死區比例達46.15%，平均停留時間僅為315s，說明包內存在明顯的短路流，不利于鋼液中的夾雜物上浮去除。

圖2 擋壩和堰的尺寸(單位：mm)

圖3 原型中間包RTD曲線

水口tmin/stmax/stav/sVp/%Vd/%Vm/%中部2013525428.2037.3034.50邊部7321037613.7055.0031.30

結合流場顯示圖4能更加直觀地觀察到：流體在中間包內經過擋壩后，部分流體直接下沉，短路進入中部的水口，這造成兩水口存在較大的差異性。同時由于擋壩對流體的上揚作用不明顯，使得流體動能較小無法在包內均勻混合，造成在邊部水口上部存在著明顯的流動死區。

3.2 優化試驗及結果分析

由于原型中間包長寬比較大，屬于狹長型中間包，壩對鋼液的上揚作用無法使鋼液在中間包內混合均勻，考慮采用帶導流孔的擋墻對中間包進行優化，同時為了增加流體從沖擊區流出時的動能，采用帶導流孔的擋墻作為新型堰，替代原型懸掛式堰。5種不同類型的擋墻和1種新型堰的模型尺寸如圖5所示。采用正交方法開展10組試驗，從中找出最佳實驗組合方案。試驗方案如表2所示。

圖4 原型中間包流場顯色實驗結果

圖5 擋墻和新型堰的尺寸 (單位：mm)

表2 優化試驗方案表

方案編號壩/擋墻堰11號擋墻原型21號擋墻改進型32號擋墻原型42號擋墻改進型53號擋墻原型63號擋墻改進型74號擋墻原型84號擋墻改進型95號擋墻原型105號擋墻改進型

通過對各方案的RTD曲線分析發現，方案8的優化效果最為理想，其試驗結果如圖6和表3所示。在方案8中，兩水口的最小停留時間之差減少至7s，峰值時間相差僅23s，兩流的一致性得到很大的提升。兩個水口的平均死區比例從46.15%降低到20.05%，平均停留時間為536.5s，相較于原型中間包延長了221.5s，中間包內的流場特性得到了很大提升。

從方案8的流場顯示圖(如圖7所示)可以觀察到：流體在通過擋墻上的導流孔后具備較大的動能，從而可以在中間包內流動更遠的距離，明顯消除邊部水口處的流動死區，使流體在中間包內均與性得到明顯的提升。同時向上傾斜的導流孔促使流體向上流動，有利于夾雜物的上浮去除。

圖6 方案8的RTD曲線

表3 方案8中間包各水口流動參數

水口tmin/stmax/stav/sVp/%Vd/%Vm/%中部1416452723.6020.3056.10邊部2118754625.5019.8054.70

圖7 方案8的中間包流場顯色實驗結果

4 數值模擬試驗結果分析

4.1 控制方程和基本假設

鋼液在中間包內的流動是一個十分復雜的過程，在本次數值計算所用控制方程由連續性方程、動量方程(Navier-Stokes方程)以及紊流k-ε雙方程進行描述。在計算過程中，在對計算結果影響較小的前提下，為了方便計算進行如下基本假設：(1)鋼液為黏性不可壓縮的牛頓流體；(2)中間包內鋼水的流動為穩態；(3)鋼水液面設為自由液面，忽略鋼水液面的波動；(4)中間包內鋼水的傳熱過程為穩態傳熱[8][9]。

4.2 邊界條件

根據中間包內流體的實際流動，對中間包數學模型的邊界條件做以下處理：

1)中間包的入口取速度入口，鋼液的流速根據入口的體積流量計長水口截面積得出，入口的湍動能及湍動能耗散率根據以下公式計算：

(7)

(8)

式中vin為入口速度，m/s；Din為長水口直徑，m；

2)中間包出口處設為outflow；

3)中間包的液面設為自由表面，其剪切力設為零；

4)中間包的固體壁面為無滑移壁面，近壁面處采用標準的壁面函數，法向上的梯度均為零。

對于中間包內流體為鋼液的數值模擬，建立與原型尺寸相同的數學模型，入口流體的速度、湍動能及湍動能耗散率見下表4所示，中間包各邊界散熱強度如表5所示[2][10]。

表4 中間包鋼液的入口條件

表5 中間包各邊界散熱強度(w/m2)

4.3 數學模型計算結果

根據數值模擬條件，對原型中間包和方案8進行模擬計算，將中間包橫向出口截面溫度場進行處理并作圖，如圖8所示。同時為了驗證數值模擬結果，對原型中間包邊部塞棒處和中部塞棒處進行現場測溫，實際測溫結果與數值模擬結果如表6所示。

表6 中間包實際測溫結果與數值模擬結果對比(K)

從表6中可以發現，中間包實際測溫結果與數值模擬結果基本一致，對數值模擬的結果進行驗證，中部塞棒處的溫度比邊部塞棒處的溫度高出4～6℃，原型中間包兩流之間存在較大溫差。

從圖8(a)可知，在原型中間包中壩對鋼液的上揚作用不明顯，導致在邊部塞棒處存在較大的溫度死區，中間包內最大溫差達到35℃，同時兩流之間溫差在4～7℃，對鑄坯的質量影響較大。從圖8(b)可知，方案8可以明顯減弱中間包內的邊部塞棒處的溫度死區，中間包內整體最大溫差異減小為20℃，兩流之間的溫度差異<1℃，方案8對中間包內溫度場的優化效果較為明顯。

圖8 中間包出口截面溫度場 (a)原型中間包；(b)方案8

5 結論

1)原型中間包平均死區比例達46.15%，平均停留時間僅為315s，兩流之間流動一致性差，中間包內流場特性較差，嚴重影響鑄坯質量。

2)方案8中，平均死區比例降低到20.05%，平均停留時間為536.5s，相較于原型中間包停留時間延長了221.5s，兩水口的最小停留時間和峰值時間均得到明顯改善，中間包各流一致性得到和大程度提升。

3)原型中間包內整體最大溫差達35℃，兩流溫差4～7℃，優化方案8中間包內整體最大溫差降低到20℃，兩流溫差小于1℃，優化方案8對中間包溫度場的優化效果較為明顯。