第16卷第4期
2004年8月 钢铁研究学报
JOURNALOFIRONANDSTEELRESEARCH
Vol.16,No.4
Aug.2004
薄板坯连铸中间包内抑湍器的模拟研究
郑淑国, 朱苗勇
(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004)
摘 要:控制中间包内钢液的合理流动对夹杂物的排除有重要影响,为此建立了模拟薄板坯连铸中间包流动情况的水模型。通过测定停留时间分布(RTD)曲线,研究了不同组合控流装置对中间包流体流动特性的影响。结果表明,结构及尺寸合理的抑湍器能延长水口响应时间及平均停留时间、提高活塞流区体积分数及降低死区体积分数;抑湍器与单坝组合的控流装置在控制流体流动方面效果极佳,而抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合的控流装置的控流效果不太理想。关键词:板坯;连铸;中间包;抑湍器;水模实验
中图分类号:TF777.7 文献标识码:A 文章编号:100120963(2004)0420029204
ModelingStudyonTurbulenceInhibitorinThinSlabCastingTundish
ZHENGShu2guo, ZHUMiao2yong
(NortheasternUniversity,Shenyang110004,China)
Abstract:Theflowintundishhasagreateffectonthefloatationofnon2metallicinclusions.Thewatermodelwasbuiltforsimulatingathinslabcastingtundish,andtheeffectsofturbulenceinhibitorswithdifferentconfigurationandsizeonfluidflowbehaviorwereinvestigatedbymeasuringresidencetimedis2tributioncurves(RTD).Theresultsshowthatwiththereasonableusageofturbulenceinhibitorwithproperconfigurationandsize,theresponsetimeofthestrand,theaverageresidencetimeandplugflowvolumeincrease,thedeadzonevolumedecreases,andthecharacteristicsofflowintundishareimpoved.Theturbulenceinhibitorwithonedamshowsthebestcoordination,whiletheturbulenceinhibitorwithonedamandoneweiroronedamandtwoweirsseemstobeinefficientinfloatinginclusion.Keywords:thinslab;continuouscasting;tundish;turbulenceinhibitor;watermodelexperiment
中间包不仅是稳压、分配钢水、保证钢水连续浇铸的缓冲容器,而且还是防止钢渣进入结晶器和去除钢液中非金属夹杂物等保证铸坯质量的关键设备。中间包内控流元件的设置对包内非金属夹杂物的上浮起着至关重要的作用。抑湍器就是目前很受关注的控流装置[1]。它不仅可用来抑制钢包开浇及换包时高速注流产生的钢液飞溅,降低中间包内长水口注入区的湍流程度,从而抑制因吸入氢、氧对钢液造成的二次污染和表面卷渣,而且还能延长钢液在中间包内的停留时间,有利于夹杂物的上浮。另外,抑湍器还有减弱钢包注流对中间包冲击区包衬
耐火材料的冲刷,提高中间包使用寿命的作用。作者结合生产实际,就不同结构的冲击槽与不同控流装置的组合进行了薄板坯连铸中间包的水模型研究,并比较了有、无抑湍器时中间包的流动特性,得到了最佳组合的控流装置。
1 实验原理及方法
水模拟实验的理论基础是相似原理,即模型与实物中流体相似的基本条件是几何相似和动力相似。本实验确定模型与原型的几何相似比为1∶3。对于动力相似,要求模型与实物中流体的雷诺数Re
基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目(50274022)
作者简介:郑淑国(19792),男,博士生; 收稿日期:2003203231; 修订日期:2003211220
—29—
2004年 钢 铁 研 究 学 报 第16卷
和弗劳德数Fr分别相等,而就恒温水模拟实验而言,在中间包系统中,水的流动主要是重力和惯性力起主导作用的湍流流动,故选用弗劳德数作为实验的决定性准数[2～4]。据此可计算出水力学模型实验中所对应于原型钢液流量的水流量。研究用水模型装置如图1所示。 研究中采用“刺激2响应”实验技术,即将一定量的浓度为20%的NaCl溶液快速注入钢包水口中;用电导探头测量中间包出口处的电导变化情况,并
将输出的电信号通过A/D板转换成数字信号后由微机实现数据的采集;通过数据处理得到停留时间分布(RTD)曲线。 根据改进的混合模型,可将中间包内的流体流动视为由三部分[2～4]组成,即活塞流区、全混流区和死区。这3个区域的体积分数可由实验所测得的RTD曲线计算得到[2],即:
θmin+θpeak(1) 活塞流区 Vp=2(2) 死区 Vd=1-θAV
(3) 全混区 Vm=1-Vp-Vd式(1)～(3)中,θmin=
tmintpeakta,θ,θ———peak=AV=tststs
无因次时间;ts,ta———理论停留时间和实际平均停
留时间;tmin———响应时间;tpeak———示踪剂浓度达到最大值时的时间。 作者研究了各种组合方案的控流装置对中间包流动特性的影响。其中具有代表性的方案如图2所示。
图1 水模型实验装置示意图
Fig11 Schematicofexperimentalset2up
0—无控流装置中间包; Ⅰ—单坝控流装置; Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ—(抑湍器+单坝)控流装置;
Ⅵ—单墙单坝控流装置; Ⅶ—(抑湍器+单墙单坝)控流装置; Ⅷ—单墙双坝控流装置; Ⅸ—(抑湍器+单墙双坝)控流装置
图2 各种方案的控流装置
Fig12 Schematicofvarioustypesofflowcontroldevices
—30—
第4期 郑淑国等:薄板坯连铸中间包内抑湍器的模拟研究 8月
为了使中间包能够最大限度地去除钢液中的夹杂物,实验中应注意以下优化原则:①延长出水口的响应时间tmin;②延长出水口的平均停留时间ta;③尽量增加活塞流区体积分数Vp和减少死区体积分数Vd;④提高活塞流区体积分数与死区体积分数之比Vp/Vd。
212 组合控流装置对中间包钢液流动特性的影响21211 不同结构及尺寸的抑湍器与单坝组合的控
流装置
方案Ⅱ～Ⅴ为不同结构(带顶缘和不带顶缘)及尺寸(大、小)的抑湍器与单坝组合的控流装置。从表1可以看出,相对于无抑湍器的单坝控流装置,它们的控流效果有如下特点:
) ①就结构而言,带顶缘的抑湍器(方案Ⅲ和Ⅴ的控流效果较差,它的加入明显降低了活塞流区的体积分数(分别降低42%和44%),Vp/Vd分别降
)低了34%和45%;不带顶缘的抑湍器(方案Ⅱ,Ⅳ的控流效果非常理想,其中尤以方案Ⅱ为最好,其中
间包出水口的平均停留时间ta延长了11%,Vp增加了26%,Vp/Vd提高了112倍。
) ②就尺寸而言,抑湍器尺寸较小(方案Ⅱ,Ⅲ)时,时的控流效果优于抑湍器尺寸较大(方案Ⅳ,Ⅴ
2 结果分析及讨论
各种控流装置方案的分析结果见表1,典型的
RTD曲线见图3。
211 抑湍器对中间包钢液流动特性的影响 从表1可知,无论是哪一种方案的控流装置,加)后,中间包出入抑湍器(方案Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅶ和Ⅸ水口的响应时间均有不同程度地延长。抑湍器的加入消除了短路流,防止了浇铸区中间包内的渣卷入钢液以及钢液的二次氧化,提高了铸坯质量。
表1 实验结果
Table1 Experimentalresults
方案空包
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ
tmin/s
tpeak/s
ta/s
Vp/%
Vm/%
Vd/%
Vp/Vd
22109291334113048102311614513359167751165015582197
991671751932161487010018810669194156165174170238108223190
372160393167437150405184407150391154433131402170450168428130
011268012138012685011229012288011201012253012758013006013196
01940160630129017226016201016956016774016132016383015726
012238011798010885011545011510011843010973011104010611011077
0157111931030179115101652132214841922197
而且各项参数皆佳。
抑湍器与单坝的合理组合将明显改善钢液流动特性。这是因为:抑湍器的加入使从大包出水口流出的钢液湍动能得到一定的消耗,并产生一个向上的流动,因此,其水口响应时间延长,钢液的流动性得到改善。
21212 抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合的控流装
图3 方案Ⅱ中间包的RTD曲线
Fig13 RTDcurvesoftypeⅡflowcontroltundish
置
)、 相对于无抑湍器的单墙单坝(方案Ⅵ单墙双
)控流装置来说,加抑湍器的单墙单坝(方坝(方案Ⅷ)、)控流装置,虽然活塞流区案Ⅶ单墙双坝(方案Ⅸ
体积分数略有提高,但减少了平均停留时间(分别减
—31—
2004年 钢 铁 研 究 学 报 第16卷
少7%和5%),提高了死区体积分数(分别提高了13%和76%)。由于无抑湍器的单墙单坝(方案)、)控流装置出水口的响应时间Ⅵ单墙双坝(方案Ⅷ
已经分别达到59s和50s,消除了短路流。因此,抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合的这两种类型的控流装置的控流效果不但没有提高反而恶化,其中后者的控流效果最差。 抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合控流装置之所以会恶化钢液流动特性,这是因为:单墙单坝、单墙双坝组合控流装置本身就能使从大包出水口流出的钢液湍动能得到适当的消耗,并产生一个向上的流动,而抑湍器的加入又进一步消耗钢液的湍动能,致使其湍动能消耗过多,削弱了向上流动流股的动能,缩短了流股的流动路径,因此,抑湍器的加入虽延长了水口的响应时间,但却恶化了钢液的流动特性。 综上所述可知:单从钢液稳态流动性方面考虑,方案Ⅷ应为最优方案,而且此方案也是普遍被采纳的方案;但从目前实际生产,特别是抑湍器的功能来看,抑湍器的首要作用应该是用来抑制过渡操作(开浇、换包)时高速注流产生的飞溅,抑制氢、氧吸入对钢液造成的二次污染及表面卷渣,而传统的挡墙挡坝没有优势。从实验数据可以看出,抑湍器也有助于改善稳态时中间包内钢液的流动性。因此,从现场应用角度来看,方案Ⅱ控流装置的结构简单,耐火材料消耗量少,钢液流动特性也较好,且抑湍器能削弱钢包注流对中间包冲击区包衬耐火材料的冲刷,
提高中间包的使用寿命。
3 结 论
(1)中间包内加入抑湍器后,能延长中间包出水口的响应时间,消除短路流,防止浇铸区中间包内的渣卷入钢液及钢液的二次氧化,提高铸坯质量。 (2)适当结构及尺寸的抑湍器与单坝组合的控流装置在控制流体流动方面效果极好,其中尤以不带顶缘的抑湍器与单坝组合最佳。 (3)使用抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合的控流装置将导致控流效果恶化,其中后者的控流效果最差。
(4)从稳态流动特性来考虑,方案Ⅷ为最优方案;从实际过渡操作考虑,方案Ⅱ比较好。
参考文献:
[1] 钟良才,张 立.湍流控制装置的结构对中间包流体流动特性
的影响[J].钢铁研究学报,2002,14(4):629.
[2] SahaiY.FluidDynamicsofContinuousCastingTundish2Physi2
calModeling[A].Warrendale,eds.SteelmakingConferenceProceedings[C].WashingtonDC:ISS2AIME,1986.6772687.[3] KnoepkeJ,MastervichJ.WaterModelingInlandSteel′sNo13
CombinationCasterTundish[A].Warrendale,eds.Steelmak2ingConferenceProceedings[C].WashingtonDC:ISS2AIME,1986.7772788.
[4] ChiangLK.WaterModelingofIPSCO′sSlabCasterTundish
[A].Warrendale,eds.SteelmakingConferenceProceedings[C].Toronto:ISS2AIME,1992.4372450.
—32—
