酒钢方坯中间包冶金性能模拟评价

第34卷第6期 2012年12月 甘肃冶金 4 2012 文章编号：1672012)06钢方坯中间包冶金性能模拟评价 黄文胜 (酒泉钢铁(集团)宏兴股份有限公司炼轧厂，甘 肃嘉峪关735100) 摘要：以相似原理为基础，用水模拟钢液研究中间包内的钢水流动特征，通过测定模型中问包内液体的停留时间 分布曲线(计算其平均停留时间及死区、活塞区和混合区的体积。 关键词：连铸；中间包；水模试验；流场；图分类号： 文献标识码：A eno，35100，on is on of in is on of TD 引言 随着连铸技术的发展，对钢材洁净度要求的进 一步提高，中间包的精炼功能也越来越受人们的关 注，研究中间包内钢水的流动特性，保持浇注过程稳 态浇注、排除非稳态的干扰或者把非稳态浇注时间 缩到最短，成为本次实验的目标之一。如何把非稳 态浇注铸坯洁净度提高到稳态浇注水平，对钢水中 夹杂物的上浮分离起到十分重要的作用，因此控制 中间包内钢液的流动状况，以便选择合理的流动模 式充分发挥中间包的冶金功能，为生产实践提供 数据服务，成为本次实验的目的。 2 实验原理与方法 21实验原型 酒钢中间包主要参数： 大包容量60 t，浇注周期30 包浇口中心 线距中包水口中心线400 作液面800 中包耐材厚度：底面永久层160 作层80 侧面永久层100 作层80 注钢种：主 要以普碳、坯断面：150 50 作拉速：23 m速范围：1826 m 包液面范围：600800 流液面：850 2 实验原理 对连铸中间包的水模型研究，通常要保证数在同一自模化区条件下，考虑几何相似和相等。 ： ：墨 (1) 式中：kgm ；流体流动的特征速度，ms；中间 包液面深度，m； 一钢液和水的动力黏度，kgmS。 ： (2) 孑D P 在实验中，参照有关文献的报道并结合本课题 实际情况，确定 为1：3。这样就可以根据实际连 铸的拉速和水口大小确定实际钢液流量，来求得水 模型的实验水流量。从表1可以设定实验中的拉 速，来测定中间包内示踪剂的停留时间。 10 甘肃冶金 第34卷 表1 酒钢连铸机拉速和中间包水模型出口流量对应关系 23中间包混匀效果的评定 图1是典型的采用刺激 等 窳 间曲线。对曲线的分析是了解中间包内流动行为的 重要内容之一。当实验开始时，中间包内流动保持 稳定状态，然后加入开始计时和观察 中间包水口出口电导率的变化情况，一旦发现电导 率明显升高时，这时所花费的时间定义为滞止时间。 随着时间的进行，电导率会出现一个峰值，这时的时 间定义为到达峰值的时间。 图1 刺激响应法混匀时间测定曲线示意图 对平均停留时间的计算，可以通过以下方法进 行计算： 一f tC(t)dt t。= 一 (3) C(t)中：(t)为度，与电导率有线性 应关系。如果按照分段间 歇计算可以得到： _Ci(t)C (t)工程学科定义其为流体的停留时间大于2倍理论 停留时间的区域。 入口 囤可国 口 l 1 l l 固 ，、 图2中间包流动混合模型简单示意图 4) Ci(t)为t 为微元时间间隔，在 本实验中为05 s。 对于测定的结果，最重要的是从所测定的t 与 理论平均停留时间的差距来分析中间包内的液体流 动行为，理论平均停留时间是表征外来溶质元素从 进人中间包并完全混合后，最后全部流出所需要的 时间。而实测的t。则为实际模型工况条件下加人示 踪剂在中间包内的停留时间，显然，一般实测状态下 不可能完全混合，也就是t 要小于理论平均停留时 间有当实测工况确实能做到完全昆合时，两 者才会接近。两者差距愈大，说明混合愈差。习惯 上把形成两者差距的原因归结于在流体内形成了不 活跃区，简称“死区”。，l 在为活塞流和全混流串联再和死区并联组合成的混 合模型，其简单示意图如图2。活塞流的特征是流 体在流经反应器时，所有微元(或微团)在反应器中 的停留时间相等；全混流的特征是在反应器内空间 的所有位置上，对于任一时问流体的流动状态，流体 中各组分的浓度，流体的温度都相同。对于死区，反 本实验根据如下： (1)死区体积(采用Y方法)： 2 Q c ( )=一 Q (t)5) (2)活塞区体积(采用Y修正混合模型计算方法)： ： (6)9 T， f 、 其中，。 (3)混合区体积： =1 一 (7) (3)混合区体积： =1 一 (7) 应用上述模型得到每一流的死区、活塞区、混合 区体积分数。对于内外流(1、4流以及2、3流的平 均值)进行平均停留时间、滞止时间、达到峰值时 间、峰值浓度的比较，采用标准偏差，公式如下： (8) 第6期 黄文胜：酒钢方坯中间包冶金性能模拟评价 滞止时间的长短主要决定于流体流动所经过的 距离，滞止时间越长，混合性能越好，但过长的滞止 时间，有时也会造成挡墙侵蚀的增加、中间包覆盖剂 的卷入及温度损失增加等负面效果。如果滞止时间 短、到达峰值时间短、峰值所能达到的最大值大，混 合性能较差。 综上，为了较为直观地评价各个方案的合理陛， 本研究我们认为有综合评定效果的主要参数应该是 实际停留时间，同时根据情况，应用中间包墨水示踪 流场照片以及此，在本 课题实验中，采用的评定效果有以下两方面：(1)对比 不同方案实际停留时间2)对比1、4流和 2、3流之间的均匀性。 3 实验方案 31装置的选择 实验采用，用1、4流(中间包边部两流)的平均值和2、3流 (中问包中间两流)的平均停留时间标准差来衡量 四流之间的均匀性。 图3是四条不同的电导率曲线代表中间包四流 不同的出口信号特征。每次实验均要重复3次，确 保实验的真实性和可重复性。 图3 典型的电导率测量结果曲线 32 研究目标和内容的确立 根据酒钢中间包相关尺寸制作1：34的实验 用模型，经过相关水力学模拟研究。在具体实验中 考虑中间包不同工艺因素(液面高度、拉速)对中间 包内钢液流场的影响。 图4是新中间包模型基本尺寸。流间距400 有控流装置，只有塞棒。 图4模型中包尺寸确定 4研究结果及分析 5)，220280 均停留时间随着拉速变化并无规律性， 各流之间差异较大。从人口区注入的钢水流动非常 混乱，不利夹杂物的上浮。 由图6和图7可以看到，注流的墨水在中间包 底部向两侧发展，使得在很短的时间到达内(中间) 流( S)，而在20 5 il i 。 ，E e-，m：。a ； ： 12 甘肃冶金 第34卷 (边)流，且内流峰值浓度约为外流的三倍，内外流 之间差异较大，流场设计不合理。无控流装置时近 水口响应时间短且示踪剂浓度达到最大值时时间 短，近水口与远水口响应时间峰值时间及峰值浓度 差别大。很大一部分新注入的钢液直接流向近水 口，短路流严重，中间包内钢液混合程度差。 图7方案2液面高度变化结果(图8) 均停留时间无规 律，内外流差异大。 晴 理 翟 鼬 逝 嚣 譬_ 7丽高艘8方案 结语 (1)无控流装置或仅用湍流抑制器控流的中间 包，停留时间很低，不利于发挥中间包成分温度均匀 化和促进夹杂物上浮的效果。 (2)钢液从钢包流出注人中间包后，由于速度大， 穿透深度也很大，直达中间包底部，迅速向四周铺 开。在铺开的时候靠近侧墙一侧流体迅速向两个侧 角分开，然后沿侧壁上升，钢水上升到液面后，向钢 包注人口处汇集，形成卷吸循环区。 (3)提高拉速和降低中间包液面高度会明显缩短 钢液在中间包内的停留时间。因此在进行较高拉速 浇注时，要对钢液的精炼洁净度和温度控制提出更 高的要求。同时要尽可能保持稳定的高的中间包液 面高度。 (4)相关的数值计算描述了有关钢液流动的基本 规律，与所获得的物理实验结果和现象相符。 (5)酒钢现用的中间包，其停留时间220280 s， 随着拉速变化并无规律性，中间流与边流之间差异 较大，流场设计不太合理，应加以改进。 参考文献： 1 王建军，包燕平，曲英中包冶金学M北京：冶金 工艺出版社，1996 2李诗久工程流体力学M北京：机械工艺出版社， 1979 3曲英，刘今冶金反应工程学导论M北京：冶 金工艺出版社，1987 4 袁己百三流中间包流场的数学物理模拟D武汉： 武汉科技大学，2002 5 许南平钢铁冶金试验技术及研究方法D鞍山：鞍 山钢铁学院，1994 6李志月