（冶金工程专业论文）大方坯连铸中间包结构优化.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 以相似定律为理论基础，在实验室建立了连铸中间包物理模型，对鞍钢新轧 钢一炼钢大方坯4 机4 流连铸中间包结构进行了物理模拟和现场应用实验研究。 根据原型中间包的几何形状和尺寸，在实验室中以1 ：2 5 的几何相似比建立 了中间包的模型，在物理模拟实验中保持弗鲁德准数相等进行模拟实验。测定中 间包流体流动停留时间分布曲线，得到不同结构的中间包的流体流动特性。物理 模拟研究的结果表明，原结构的中间包同一侧的两流之间的流体流动特性存在很 大差异，与内侧流相比，外侧流的最小停留时间、峰值时间短和活塞体积分率小， 死区体积大的缺点。采用优化后的湍流控制器及导流隔墙组合的中间包控流装 置，外侧流和内侧流的停留时间分布曲线趋于一致，表明5 i - n 流和内侧流之间的 流动特性相接近。实验测定的结果表明，中| 、日j 包结构优化后，外侧流和内侧流之 间的最小停留时间相差1 秒，峰值时间相差0 秒，平均停留时间相差1 8 秒。 中问包结构优化后，各流的流动特性也得到了改善。与原方案相比，1 流和 2 流的最小停留时间分别提高了8 1 和2 2 ，峰值时间分别提高1 1 9 和1 5 ， 活塞流体积分率分别增加1 1 0 和1 7 ，死区体积分率分别下降3 5 和2 2 。 优化后的中间包结构现场应用结果表明，钢水和铸坯中的夹杂物的粒度小， 9 0 的夹杂物小于1 0 p m 。现场实验发现采用湍流控制器还可以减少中间包钢水 和铸坯中的不规则外来夹杂物。中间包结构优化后，夹杂物去除率提高，平均夹 杂物去除率由原来的5 1 2 5 提高到7 3 4 6 。 关键词：中间包，湍流控制器，结构优化，物理模拟，现场应用 查! ! 垄兰三堡翌主堂竺丝查 塑墨 s t u d yo nt u n d i s hc o n f i g u r m i o no p t i m i z a t i o ni nb l o o m c o n t i n u o u sc a s t i n g a bs t r a c t u s i n gl a wo fs i m i l a r i t ya st h ea c a d e m i cb a s e ，p h y s i c a lm o d e l i n ga n di n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt h e4 - s t r a n db l o o mt u n d i s hi na n g a n gn e ws t e e l c o ，l t db ym a d eat u n d i s hm o d e li nt h e l a ba n da tt h es t e e l m a k i n gp l a n to ft h e c o m p a n y , r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt og e o m e t r i cd i m e n s i o n so ft h eo r i g i n a lt u n i d i s h ，a1 ：2 5s c a l em o d e l w a sm a d ei nt h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fa c o n s t a n tr eb e t w e e nt h eo r i g i n a lt a n d i s ha n dt h em o d e l f r o mt h ee x p e r i m e n t s ， d i f f e r e n tf l o wp a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e di nt u n d i s h e sw i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o nb y m e a s u r i n gt h el i q u i df l o wr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc u r v e s t h er e s u l t ss h o w e dab i g d i f f e r e n c ee x i s t e db e t w e e nt l l ef l o wp a r a m e t e r si nt h et w os t r a n d sl a c a t e di nt h es a m e s i d eo ft h eo r i g i n a lt u n i d s h c o m p a r e dw i t ht h ei n n e rs t r a n d ，t h eo u t e ro n eh a dl o w e r m i n i m u mr e s i d e n c et i m e ，p e a kc o n c e n t r a t i o nt i m ea n dp l u gv o l u m ef r a c t i o n ，a n d l a r g e rd e a dz o n ev o l u m e b ya d o p t i n gt h eo p t i m i z e dt u r b u l e n c ei n h i b i t o ra n dt w o n e w l yd e s i g n e db a f f l e sa st h et u n d i s hf l o wc o n t r o ld e v i c e s ，t h el i q u i df l o wp a r a m e t e r s c a r lb ei m p r o v e d i na d d i t i o n ，t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t e ra n dt h ei n n e r s t r a n d sw e r en e a r l yt h es a m e t h ed i f f e r e n tv a l u eo ft h em i n i m u mr e s i d e n c et h n e ， p c a kc o n c e n t r a t i o nt i m ea n da v e r a g er e s i d e n c et i m eb e t w e e nt h eo u t e rs t r a n da n dt h e i n n e ro n ew e r e1 ，0a n d18s e c o n d s ，r e s p e c t i v e l y t h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tb yu s i n gt h eo p t i m i z e dt u n d i s h c o n f i g u r a t i o n ，t h es i z eo ft h ei n c l u s i o n sw e r er e d u c e d ，a n d9 0p e r c e n to ft h e mw e r e l e s st h a n10um t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h et l l r b u l e n c ei n h i b i t o rc o u l dr e d u c e t h eq u a n t i t yo ft h ee x t e r n a li n c l u s i o n s i n c r e a s e df r o m51 2 5 t o7 3 4 6 k e yw o r d s ：t u n d i s h ，c o n f i g u r a t i o n a p p l i c a t i o n t h ea v e r a g ei n c l u s i o nr e m o v a ld e g r e ew a s o p t i m i z a t i o n ，p h y s i c a lm o d e l i n g ，i n d u s t r i a l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名： 寅l j 茜 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪言 第一章绪言弟一早珀苗 1 1 连铸技术的发展概况 连续浇铸是一项把钢水直接铸成钢坯的工艺。近几十年来，连续浇铸工艺 已经成为钢铁冶金过程中广泛采用的一种先进工艺，是钢铁生产的一次重大变 革。连续铸钢的最初设想是由英国转炉炼钢的发明者h b e s s m e r 于1 8 4 6 年提 出来的。但直到1 9 3 0 年才将连铸用于有色金属的生产。1 9 4 3 年，德国人容汉 斯( j u n g h a n s ) 建成第一台连铸机，并采用了结晶器水冷、结晶器振动、浸入 式水口和结晶器加保护渣等技术。到5 0 年代中期，连铸技术从实验室试验阶 段进入了工业性生产阶段。连续浇铸的普遍应用是在进入6 0 年代后，由于弧 形连铸机的出现和发展，才使连铸技术在世界范围内被大量采用。 连铸技术之所以能够得到迅速发展是因为连铸与模铸相比有如下优点： ( 1 ) 金属收得率提高1 0 1 5 ； ( 2 ) 能源消耗降低7 0 8 0 ； ( 3 ) 成本降低1 0 2 0 ； ( 4 ) 基建投资减少3 0 4 0 ； ( 5 ) 占地面积减少3 0 左右； ( 6 ) 设备费用降低7 0 ； ( 7 ) 耐火材料消耗降低1 5 ； ( 8 ) 产量可以提高1 0 以上； ( 9 ) 改善了劳动条件以及为生产连续化和自动化创造了条件。 正是由于连铸技术越来越显示了它的优越性，世界各国纷纷采用此技术， 使得连铸比不断上升。二十世纪6 0 年代以后连铸进入了稳步发展时期，出现 了立弯式连铸机，连铸速度显著提高。到6 0 年代末，全世界连铸机已达2 0 0 余台，年生产铸坯能力达4 0 0 0 万吨以上。7 0 年代，连铸进入了迅猛发展时期。 各类连铸机由7 0 年代初的3 0 0 余台增加到1 4 0 0 余台。连铸生产技术围绕提高 连铸生产率、改善连铸坯质量、降低连铸坯能耗这几个中心课题已有了很大的 进展。先后出现了结晶器在线调宽、带升降装置的钢包回转台、多点矫直、压 缩浇注、气雾冷却、电磁搅拌、保护浇注、中间包冶金、上装引锭等一系列新 技术、新设备。与此同时增大连铸坯断面，提高拉速，增加流数，涌现出一批 东北大学硕士学位论文 第一章绪言 月产量2 5 万吨以上的大型板坯连铸机和一大批全连铸车间。8 0 年代以来，连 铸进入了完全成熟的全盛时期1 2 1 。连铸比以每年4 的速度增长，以逐步实现 连铸坯热送和直接轧制，并且薄板坯连铸正在兴起。进入9 0 年代，连铸技术 日臻完善，1 9 9 8 年日本的连铸比超过9 0 ，特殊钢的连铸比达到9 1 2 。目前， 在世界钢铁工业范围内，连铸比逐年增高，连铸比的高低已成为钢铁工业的综 合技术水平的标志。 1 2 我国连铸技术的发展及现状 我国是在炼钢生产中研究、应用连铸技术较早的国家之。2 0 世纪5 0 年 代中期，当连铸技术在前苏联、英国、意大利、加拿大等国进入工业性试验阶 段时，我国即着手进行试验研究工作。1 9 5 7 年在上海钢铁公司中心试验室建成 一台高架立式方坯连铸机，1 9 5 8 年在唐山钢铁厂建成了第一台工业生产的立式 连铸机，同年在重庆第三钢铁厂建成第一台工业性生产的连铸机，这是世界上 最早出现的几台连铸机之一f 2 】o1 9 6 0 年在唐山钢铁厂建成一机一流，配合5t 转炉浇铸1 5 0 m m 1 5 0 m m 小方坯的立式连铸机。 虽然我国是连铸生产起步较早的国家，但由于2 0 世纪5 0 年代7 0 年代 我国的炼钢厂以平炉炼钢为主，平炉炼钢生产节奏慢，不适应连铸生产：另外， 我国发展的连铸机型大多为立式连铸机，生产效率低。因此，我国连铸生产的 发展极其缓慢，到1 9 7 8 年我国的钢产量为3 1 7 8 万t ，其中平炉钢i1 2 7 万t ， 占总钢产量的3 5 4 6 ，连铸比仅为3 5 。为了改变我国连铸生产发展的落后 状况，1 9 7 4 年，我国从原西德施罗德一西马克和德马克公司引进了3 套弧形板 坯连铸机；1 9 8 0 年，我国又与原西德曼内斯曼一德马克公司签定了引进小方 坯连铸设备及技术转让与合作制造合同，在国内增建一批旨在浇铸9 0 m m x 9 0 m m ，1 2 0 m m 1 2 0 m m 及1 5 0 m m 1 5 0 m m 供成品轧机成材使用的小方坯连 铸机。这些引进的具有国际先进水平的连铸机，装备水平高，为我国消化引进 连铸技术，提高连铸技术开辟了新的途径，大大促进了我国连铸生产的发展口j 。 在7 0 年代末期我国有连铸机3 2 台，到1 9 8 2 年国内连铸机共有3 8 台，其 中弧形板坯机9 台，弧形方板坯两用机9 台，弧形方坯机为1 8 台，立式方坯 机2 台，总设备生产能力5 0 0 万吨。直到1 9 8 6 年国内已建成各类连铸机1 4 3 台，连铸生产能力可达1 2 0 0 万吨。 我国连铸经历了起步、艰难发展、引进移植、自创体系、快速发展、高效 化改造等阶段。近十几年来，我国连铸发展的速度已达到世界主要产钢国连铸 增长的水平，并且在连铸技术及装备的研究方面取得了突破性进展。 东北大学硕士学位论文第一章绪言 1 9 9 0 年，我国第一台完全国产化的方坯连铸机在凌源钢铁厂问世。该机 采用了1 0 多项先进技术，性能可靠，达到国际先进水平。1 9 9 4 年8 月，我国 自行设计的第一台八机八流方坯连铸机在武钢落户。 1 9 9 6 年原冶金部将连铸机高效化改造作为“九五”重点攻关课题，由此 拉开了我国连铸高效化改造的序幕，并于1 9 9 8 年提出了“钢铁工业以发展连 铸为中心，提高成材率”的战略决策，“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为 保证”搞好连铸生产的技术指导方针，有力地促进了连铸的发展。近几年每年 连铸坯产量增加近1 0 0 0 万吨。1 9 9 8 年6 月，马钢投资近5 亿元兴建的年产6 3 万吨三机三流异型坯连铸生产线，热负荷试车成功，拉出了第一根异型坯，为 马钢大h 型钢生产提供了原料保证。本钢两台大板坯连铸机是分别于1 9 9 8 年 1 1 月1 5 同和2 0 0 0 年9 月1 2 日投产的。投产时间不长，但达产率增长很快， 2 0 0 1 年1 月生产连铸坯2 7 0 6 万t ，达产率9 1 5 8 。 到1 9 9 9 年底，我国已建成小方坯( 1 5 0 m m 1 5 0 n m l 以下) 连铸机1 7 3 台， 6 2 9 流，设计生产能力3 6 6 8 力t ，大方坯( 1 6 0 m m 1 6 0 m m 以上) 连铸机9 9 台，3 5 0 流，设计生产能力2 3 0 4 万t ；板坯连铸机5 4 台，7 5 流，设计生产能 力3 5 5 0 万t ；薄板坯连铸机2 台，设计生产能力1 8 0 万t 。总计各种连铸机3 4 9 台，1 3 9 8 流，设计生产能力9 9 2 0 力- t ，连铸比上升到7 5 7 2 的新水平。其中 4 2 家钢厂实现了全连铸。到目前我国共有钢铁企业1 5 8 家，其中有在线生产、 在建的有1 5 4 家，占9 7 5 0 。连铸的总产量达1 3 8 2 0 万t ，连铸总产量比上年 实际量增加了2 3 7 0 万t ，增长2 0 7 。新增全连铸单位1 6 个，累计1 4 4 个，占 已有连铸单位总数的8 2 3 。到2 0 0 4 年，我国连铸坯产量为2 6 0 9 6 万吨 连铸比 达9 6 3 。目前我国已形成钢种多样、机型齐全、技术成熟的连铸生产体系1 4 1 。 1 3 本课题研究的目的和意义 提高连铸比不能仅仅靠增建铸机来实现。因此，如何发展现有设备的生产 能力，实现“高效连铸”便成为我国连铸技术研究发展的主要方向。 高效连铸是指高作业率、高质量铸坯、高连铸率。以高拉速、高作业率和 高质量为目标，对连铸机进行现代化改造，近几年来在工业发达国家有很大进 展。目前，高效连铸技术在f = | 本、美国、韩国、欧洲等钢铁发达国家中的些 现代化钢厂已得到了普遍应用，并取得了巨大的经济效益。高效连铸不只是连 铸的单体技术，也不仅仅是连铸单元工序的技术，它是一项系统的整体技术， 覆盖了铁水供应预处理一炼钢一炉外精炼一连铸生产流程全系统，并且前接 炼铁生产系统，后联轧钢生产系统，是影响整个钢铁制造流程的重点技术。为 东北大学硕士学位论文 第一章绪言 实现高效连铸，连铸设备及工艺均应采用相应措施。其中洁净钢水的无缺陷铸 坯生产技术是高效连铸的基础。因此，如何提高钢水的洁净度，严格控制钢水 成分已成为连铸生产中最为关心的问题之一。 连铸中间包是钢水进入结晶器之前的最后一个冶金容器，其作用已不仅仅 是传统意义上的钢水分配器。随着科学技术的不断发展，对钢水的质量要求越 来越高。为此除了在冶炼及炉后处理中严格控制钢中夹杂物外，对钢水在中间 包内的流动特性也应该非常重视。因此，中间包正朝着促使夹杂物上浮、分离、 对夹杂物进行变性处理及对钢水进行微合金化的精炼器方向发展、应用。随着 连铸的发展，拉速不断提高，钢水在中问包内的停留时间相应减少，不利于夹 杂物上浮去除，铸坯质量将会受到影响。另外，中间包的湍流对于中间包的夹 杂去除是十分不利的，它的形成是出于大包的高速注流而造成的。在稳态下是 可控的，然而当中问包的液位不够，换钢包以及其它非稳态操作时，湍流变得 不可控制。湍流可以造成卷渣并会加重耐火材料的侵蚀，并且妨碍夹杂物上浮。 本实验的目的是要优化鞍钢一炼钢四机四流大方坯连铸中间包内的控流 装置，改善中间包内钢水的流动特性，延长钢水在中间包里的停留时间，控制 中间包内湍流的产生，从而使中间包的去夹杂能力达到最大。 1 4 本课题的实验内容 本实验以鞍钢第一炼钢厂四机四流大方坯连铸机中间包为原型，对中间包 内部结构进行优化水模型研究。其主要研究内容如下： 1 ) 对不同的中间包结构进行模拟实验，研究中间包内部流体流动特性： 2 1 对湍流控制器几何结构及尺寸进行优化； 3 ) 最佳湍流控制器与导流隔墙的组合优化； 4 1 通过对不同的中问包进行研究分析，最后确定最佳中间包结构； 5 ) 对鞍钢一炼钢现场进行最佳中间包结构应用研究。 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义i 瓢琢怂 2 1 中间包冶金发展的概况 中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从钢的熔炼和精炼到制成固态连 铸坯这个生产流程中保证获得优良钢质量的关键一环。中间包是钢包与结晶器之 间的中间容器，在连铸过程中起到重要的作用。使用中间包的目的是减少钢水的 静压力，使钢流平稳，减少钢流对结晶器内钢液的冲击力和搅拌；钢水在中间包 内停留时，使非金属夹杂物有机会上浮；在多流连铸机上，可以通过中间包将钢 水分配到每个结晶器：在多炉连浇时中间包可以贮存一定数量的钢水以保证在 多炉连浇期间，可保留足够的钢水，供交换钢包时使用，以便能连续进行浇铸而 不显著降低铸速和不使钢水面降到熔池最低高度之下；并且在相当长的浇铸时间 内保持良好的保温作用，从而使钢水温度基本不变。随着对连铸坯质量控制和降 低成本的重视，中间包将完成一些如精炼和处理等附加功能。中间包将由一个简 单的过渡容器发展成为多功能连续冶金反应器，通过对夹杂物的捕集分离来减少 钢中微观和宏观夹杂物，即提高钢水清洁度；并且防止钢水和空气接触，避免吸 氧和吸氮，防止钢水污染。 中间包作为钢液凝固前的最后容器对铸坯质量有着很重要的作用，由于钢液 中的央杂物在进入结晶器后上浮困难，而中间包内的钢液在浇铸的过程当中与非 金属材料接触机会又很多，因此如何去除中间包内的夹杂物成为了冶金工作者关 心的问题，在这种形势下，中间包冶金技术应运而生。因此，人们提出了中间包 冶金的概念，并在实践中受到重视。中间包冶金从二十世纪七十年代开始，八十 年代日本等国家针对中间包进行了大量的水模拟实验。在此期间中间包冶金技术 取得了迅速地发展。随着高效连铸的推进，中间包冶金技术已经成为高效连铸必 不可少的重要技术1 4 j 。它对扩大连铸品种，增大连铸比、提高铸机作业率，掌握 浇铸过程的中间包钢水温度的变化规律、优化生产作业、顺利进行多炉连浇、 改善钢坯质量等均起到重要作用。 2 2 中间包冶金的作用 通常认为作为传统的中间容器，中间包主要有四个作用： 1 ) 分流作用：对于两流或多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。 2 ) 减压作用：减小钢水静压力，使中间包注流稳定，减小钢流对结晶器凝 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 固坯壳的冲刷。 3 ) 连浇作用：在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换钢包时起到衔接的作 用。 4 ) 保护作用：中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置可以减少中 问包内钢液的污染。 现代冶金观点认为，精炼过程越延续至接近凝固阶段。越有利于提高铸坯质 量，所以中间包作为连铸过程的中间容器，已由原来的简单容器转变为具有冶金 功能的反应器，而且这种功能也变得越来越强。因此现代冶会观点认为，中间包 还具有如下精炼功能： 1 ) 清除钢液再次污染的来源，即防止二次氧化、减轻耐火材料的侵蚀、减 少钢包渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害： 2 ) 改善钢水流动状态，防止短路流，减小死区，增加钢液停留时间，防止 卷渣，促进钢水中的夹杂物上浮； 3 ) 对钢液成分进行微调： 4 ) 精确控制钢水过热度，必要时增加加热措施，以使钢水过热度保持稳定。 对净化钢液而言，中间包中的钢水流向很关键。中间包内的控流装置的主要 目的就是改变钢水的流动状态，提高夹杂物的去除率。 安装堰和坝可以有效改变钢液流向，延长钢水的停留时间，使夹杂物有充分 上浮的条件。使用过滤器可以去除夹杂物，但要注意将浇注量限定在一定数量内， 避免堵塞失效。湍流控制器会使注流的湍动能减小，控制湍流范围，同时减少玎 浇时由于钢液喷溅而发生的吸氧吸氮作用。而中间包吹氩，即气幕隔墙技术则能 有效的促使夹杂物上浮。 为了防止二次氧化，在钢包和中间包之问使用钢包长水口，在中间包和结晶 器之嵋j 常用浸入式水口。 近2 0 年来，国内外关于中间包冶金展开了大量的研究，很多研究成果已转 化为生产中实际应用的技术措施，如中间包结构设计，流动控制技术，防止二次 氧化，耐火材料和覆盖渣控制，吹氧清洗，过滤，加热钢液，热中间包重复应用 等。近年来，中间包冶金技术的发展更加活跃，人们将中间包的冶金功能进一步 扩大。 从目前中间包冶金的手段来看，在中间包内安装控流装置并进行优化是一个 行之有效的重要方法。 2 3 中间包冶金技术 中间包冶金包含两个意思：一是当钢包向中间包注入钢液时，防止钢液被污 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 染；二是对中间包钢水进行精炼处理，提高产品质量。中间包冶会常用的方法有 以f 几种： 1 ) 控流装置的应用。在中问包内安装挡渣堰、导流坝、导流隔墙、湍流控 制器以及中间包吹氩等措施，控制钢液流动方向和滞留时间，能有效的 使夹杂物上浮、分离。实践证明：中问包不使用控流装置时，钢水平均 停留时间为7 0 s ，采用控流装置时为1 8 0 、2 3 0 s 【5 1 。 2 ) 钢水加热技术。中间包采用加热技术，使中间包钢水温度稳定和均匀化， 为添加合金，在中间包中精炼钢水刨造了条件，也为稳定铸温、铸速， 进行等温、高速、低过热度浇铸以及实现多炉连浇创造了条件，同时为 炼钢炉低温出钢，减少冶炼时间带来了好处。 3 ) 净化复合包衬。法国索拉克公司发明了一种能净化中间包钢液的复合包 衬( 主要成分是c a o 、m g o 和s i 0 2 ) ，使用该复合衬可消除8 5 的a 1 2 0 3 夹杂物，且水口不易堵塞。 4 ) 覆盖剂。中间包中的覆盖剂不但不起保温作用，而且对成分有重要影响。 中钢公司生产i f 钢时，在中间包内用三种保温材料( 稻壳灰、碳粉、 氧化镁粉) 进行多次实验证明，对于防增碳而占，氧化镁粉是最好的材 料。 为适应连铸技术的发展，人们开发了多项中间包冶金技术【5 1 如图2 1 所示。 1 长水口a r 封2 密封盖3 内衬耐火材料4 挡墙和坝5 过滤器6 a r 气吹洗装置 7 覆盖剂8 钢包f 渣监测系统9 加热装置1 0 塞棒吹氟 图2 1 中间包提高钢水清洁度的措施 f i g 2 im e a s u r e st oi m p r o v es t e e ic l e a n l i n e s si nat u n d i s h 2 4 中间包采用控流装置经历的四个时期 为了促使中间包中夹杂物的去除，过去采用的技术只是防止钢液再污染技 东北大学硕士学位论文 第二章丈献综述 术，换包时尽量减少钢包渣的卷入，钢包到中1 1 日j 包的浇注采用长水口，防止钢液 与包衬耐火材料的反应，中间包加盖技术等。到2 0 世纪七八十年代出现了在中 间包中安装堰和坝、过滤器等控流装置的方法，以此来改变钢水在中间包内的流 动形态，增大钢水在其中的平均停留时间，使夹杂物易于上浮，从而达到净化钢 水的目的。也正是在这个时期( 2 0 世纪8 0 年代初) ，多伦多大学教授麦克莱思 ( a m c l e a n ) 提出了“中间包冶金”的概念。 从中间包内控流装置的演变历史来看，中间包采用控流装置大致经历了四个 历史时期： 1 12 0 世纪7 0 年代8 0 年代期间，主要研究和应用安装上挡渣堰和下导流 坝的控流装置； 2 ) 2 0 世纪8 0 年代9 0 年代期间，中间包开始使用有导流孔隔墙和过滤器 的控流装置； 3 12 0 世纪9 0 年代中后期，中间包开始使用湍流控制器； 4 ) 近年来，在中间包内开始研究和应用气幕隔墙技术。 2 5 导流隔墙的研究 导流隔墙眄惺一个在中间将上下游完全隔开的挡墙，并在上面设置若干个不 同尺寸和倾角的孔洞。钢液根据需要的方向流过孔洞，其通过导流隔墙后的流速 和方向由孔的大小和方向决定。 1 9 9 1 年s t e a ksp 等人f 7 1 对u s s k o b e 钢铁公司的六流中间包进行了实验， 实验时的中间包采用三种不同的控流装最如图2 2 所示，其中( a ) 为( 上挡墙+ 下 挡墙) 设计方式，( b ) 为( 上挡墙+ 导流隔墙) 设计方式，( c ) 为导流隔墙设计方式。 ( c ) 图2 2 所选的三种中间包设计方式 一8 - 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 f i g - 2 2 t h et h r e es e l e c t e dt u n d i s hc o n f i g u r a t i o n s 实验结果表明： ( 1 ) 停留时间的对比：( c ) 设计方案与( a ) 设计方案相比，钢液的停留时间提高 了4 5 ，( c ) 设计与( b ) 设计相比，钢液的停留时问提高了2 2 4 。 ( 2 ) a 1 2 0 3 夹杂的去除：基于对渣的分析结果，( c ) 设计方案比( a ) 设计方案渣 中多吸收6 5 的a 1 2 0 3 夹杂，( c ) 设计方案比( b ) 设计方案渣中多吸收3 6 的a 1 2 0 3 夹杂。 由上分析得到，( c ) 设计是一种有效的中间包控流装置，能从整体上改善钢 液的洁净度。 1 9 9 1 年l o u r yml 等人( 8 】对位于a m o c o 堪萨斯州市的钢铁厂的6 流t 型中间包进行了数模和水模实验，实验的中间包有两种，一种设置了上、下挡墙， 另一种除了设置上、下挡墙外，还设置了多孔导流隔墙。研究指出，对于后种情 况的中间包来说，从内部水口流出的钢液平均停留时间比前者提高了3 5 ，但 对于从外部水口流出的钢液来说，平均停留时问却略有下降。但后一种设计方式 能使t 型中间包内流向不同水口的钢液分布更加均匀。 1 9 9 9 年m o r a l e srd 9 】等人对安装了不同控流装置的中间包流场和温度场进 行了水模和数模研究。结果得出，装有导流隔墙和湍流控制器的中间包比装有下 挡墙和导流隔墙或无控流装置的中间包产生了更大体积的活塞流区，更能有效地 消除钢液表面的湍流和扰动现象，有利于降低n 2 吸入量，促进夹杂物的上浮， 同时减缓了出口流速，降低了注入流温度波动对中间包冶金效果的影响。 2 0 0 1 年英国钢铁厂【l0 j 的实践表明，在六流中间包采用不对称、能承受7 h 以 上浇铸的陶瓷质导流隔墙后，与不设控流装置的中间包的冶金效果相比，内、外 侧水口的钢流温度差降低了7 ，拉漏现象的发生率降低4 0 多，拉坯成形率提 高了8 ，并且无阻塞水口现象。 2 6 湍流控制器的研究与应用概况 1 9 9 4 年b o l g e rd 等人j 通过水模研究和工厂的生产发现，中间包冲击区的 湍流造成卷渣、耐火材料的侵蚀，并阻止了夹杂物上浮，高速流动会引起短路流 和增加旋涡。通过研究表明，中间包采用湍流控制器后，钢水飞溅大大降低，减 少了因异钢种连浇和换包时液面下降和稳态浇注时所产生的卷渣。通过测定中间 包的停留时间分布曲线发现，采用这种装置后，活塞流体积分率提高到2 8 2 9 。 如图2 3 所示【1 2 1 ，湍流控制器安放在钢包注流冲击点，可缓解注流的冲击。 可将长水1 ：3 直泻而下的钢流折返而冲向注流周围，钢流从控制器出来时又和下来 的钢流相撞，使冲击槽的湍流能量通过重复循环和逆向环状流而消散，上升钢流 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 的速度因此大为降低，不至于冲开长水口周围的渣层。 图2 3 湍流控制器结构示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t u r b u l e n c ei n h i b i t i n gp o u r i n gp a d 图2 4 较详细地描绘了新型冲击槽对钢流的控制模式1 1 3 j 。图中点画线的点 线越长，表示钢水在该处的流速越快。可见，在稳定浇注状态下，长水口附近的 钢水流速最慢，越远流速越快。 长水口 图2 4 湍流控制器的钢流控制模型 f i g 2 4 f l o wp a t t e r nw i t hl u r b u l e n c ei n h i b n i n gp o u r i n gp a d 但控制器不能改变中间包内钢液流场的整体态势，还需要和其他控流元件 相配合。这方面的研究也取得了很好的结果。 a k 钢公司的js c h a d e 1 4 1 等人研究发现，无任何控流装置、双挡墙和双挡墙 加湍流控制器的中间包，流体流动的无因次最小停留时间短，死区体积大，存在 短路流。而双挡墙加防溅装置的中间包，无因次最小停留时间延长了很多，为前 f f f f f， k，；川；，氮 j，；_曩：二吨拶 川吲川划吐睡沁小mwmk-；m伊孙引m彩，匍劁落 东北大学硕士学位论文 第= 章文献综述 者的4 倍，死区体积小。他们通过研究发现，采用湍流控制器，减少或取消挡渣 堰既不利于提高活塞流体积也不利于改善中间包的流动特性。 1 9 9 5 年c r o w l e yrw 等人l i5 j 对三重上挡墙，两重上挡墙以及两重上挡墙加 湍流控制器的中间包在1 4 的模型中进行了水模实验研究。从停留时间分布曲线 来看，采用湍流控制器的中问包，表现出更好的活塞流特征。工厂的应用表明， 采用湍流控制器不仅可以降低正常浇注和换包时的湍流，还可以在重新开浇时， 使大包滑动水口1 0 0 全丌，从而减少了中间包的结钢现象。另外，在浇注超低 碳钢时，水口阻塞次数减少。从结晶器取样分析钢中总氧量，结果表明，采用湍 流控制器后，在正常浇注时，钢中总氧量下降2 0 ，在换包时，总氧量下降3 0 。 1 9 9 6 年a k 钢公司的s c h a d ej 等人1 1 6 1 用水模型研究了无任何控流装置、二 重上挡墙和二重上挡墙加湍流控制器的中间包的流体流动行为。他们的研究结果 表明，无任何控流装置的中间包，流体流动的无因次最小停留时间为0 0 7 8 ，死 区体积大，存在短路流。而二重上挡墙加湍流控制器的中间包，无因次最小停留 时间为o _ 3 1 3 ，为前者的4 倍，流动特性得到很大改善。湍流控制器使大包注流 产生了向其自身的反向流动，从而耗散了注流的湍动能，中间包液面平静，流体 流过的路径变得更加曲折，更好地利用了中间包的体积。在冶炼超低c 钢时， 产品裂纹明显减少。他们通过研究还发现，采用湍流控制器后，取消上挡墙既不 利于提高活塞流体积也不利于改善中间包的流动特性。 1 9 9 7 年c o l l u rmm 等人1 1 7 】利用水模型，研究了不同的湍流控制器与上挡 墙组合的中间包内流体的流动特性，通过比较不同结构的中间包流体流动的最小 停留时阳j 、峰值时间、平均停留时间、活塞流体积分率、死区体积分率和混合流 体积分率锌参数，确定了不同控流装置对中间包流动行为的影响。结果表明，湍 流控角l 器和上挡墙可有效地增加最小停留时间和峰值时间。在采用湍流控蒜4 器、 上挡墙和下挡墙的中问包中，其最小停留时间与未采用任何控流装置的中间包相 比提高了l 倍左右，峰值时间增加3 0 4 0 ，活塞流体积分率增加了3 0 左右。 1 9 9 9 年j o r g em 等人1 1 8 1 对a c l n d a r 钢厂的2 号连铸机的6 流中间包进行 了水模、数模和工厂应用研究。结果表明，采用大矩形上开口的湍流控制器后， 各流的最小停留时间增加，邻近大包水v 的两流，最小停留时间分别增加到2 0 s 和2 9 s ，活塞流体积分率分别提高到4 和6 ，死区体积分率下降到3 5 和1 7 。 数模的结果表明，装有湍流控制器的中间包，流体流动平缓，总体的流动速度降 低，湍动能下降。实际生产应用表明，中间包采用湍流控制器后，开浇时注流的 冲击受到了限制，从而很好地抵抗了注流对耐火材料的侵蚀；大包更换时，中间 包的温度变化趋于平缓；方坯断面上的宏观夹杂物指数降低到3 。 1 9 9 9 年h e a s l i plj 等人1 1 9 】字旨出：湍流控制器能改变中间包钢液的流动，减 东北大学硕士学位论炙第二章丈献综述 少了中间包注流区的表面湍流现象，减少了出口旋涡的生成。 2 0 0 1 年m o r a l e s r d 等人【2 0 】采用n s 方程和 一占双方程模型，在非等温条 件下研究了注流温度和控流装置对中间包内钢液流动形态的影响。结果得出，钢 包注流的温度变化仅在注入后1 分钟的时问内，会对中间包内流场有很明显的 影响。在其余时间里，钢液流动形态与非等温条件下的相同。利用湍流控制器可 以控制入口处的湍流强度，减缓上述热扰动的影响。 2 0 0 2 年钟良才等人1 2 1 1 通过水模型实验，研究了不同结构的湍流控制装置对 中间包流体流动特征的影响。实验原型中间包为宝山钢铁公司的6 0 t 两流矩形中 间包，模型中间包和原型中间包保持几何相似和动力学相似，相似比为l 3 。通 过测定中问包流体流动的停留时间分布曲线，得出了不同几何结构的湍流控制装 置对中间包流体流动特征的影响，其实验结果如表2 1 所示。 表2 1 不同几何结构的湍流控制装置的实验结果 t a b l e2 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f v a r i o u st u r b u l e n c ei n h i b i t o r s 注：，二从下挡墙泄流孔流出的示踪剂流至中间包水口所需的最短时间；f ：。一从两个挡墒之间向j ：流 动的示踪剂流至中间包水口所需的最短时问( 称之为第二响应时间) ：t m 。一峰值时间：吒一活寒流体积 分牢；一死区体积分率；一混合流体积分率。 从表2 1 中可以看出，湍流控制装置的几何结构对中间包流体流动特征有明 显影响，方形无顶檐和圆形无顶檐的湍流控制装置对抑制钢包注流的动能作用不 大，而方形带顶檐和圆形带顶檐的湍流控制装置能较好地改善中间包流体的流动 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 特征。 这种安装在注流冲击点的控制器，均构造简单，安装方便，容易在中间包上 应用。应用控制器可以改善中间包钢液流动，起到以下作用： ( 1 ) 减少了钢包丌浇时的喷溅。钢包可以立即全开，这在使用平面型冲击垫 时是不可能达到的； ( 2 ) 稳定操作状态。湍流控制器的使用消除了稳定浇铸状态下钢包长水口周 围的液面湍流； ( 3 ) 减弱钢包注流的冲击作用，减少卷渣、卷入气体： ( 4 ) 增大滞止时间，减少包中死区体积； ( 5 ) 减少对中间包注流区耐火材料的冲刷、侵蚀。 2 7 中间包模拟技术 冶金过程是一个复杂的高温过程，由于测试手段的限制很难对其进行直接研 究。因此，寻求一种方便、快捷、经济的研究方法对冶金过程的理论研究和工艺 改造，具有特别重要的意义。模拟技术是研究中间包冶金的一种重要方法，模拟 方法主要包括物理模拟和数学模拟两类，其中物理模拟又包括冷态模拟和热态模 拟两种方法。 数学模拟方法是通过求解数学模型来定量描述特定的物理、化学过程或该 过程的某一方面，而数学模型是针对特定过程而建立的一组代数或微分方程组。 随着计算机技术的发展，数学模拟技术发展很快，在各个领域得到迅速推广。数 学模拟已经被许多研究者应用于流动预测。数学模拟是使用一些商业软件或研究 者自行开发的软件，在假定和边界条件下，研究中间包内流体流动和停留时间分 布等问题。 物理模拟方法是从相似理论出发，借助于必要的测试手段，对体系的过程进 行观测和显示，根据物理模型和原型的单值相似、相似准数相等和过程机理相同， 则模拟效果相同的原理，按一定的比例把原型放大或缩小，测定模型条件下的参 数，观察其中的规律，并按相似原理得到原型的参数，达到直接预测原型的效果 的研究方法。物理模拟技术可靠，是一种相对直观、简单易行的实验方法。m a r t i n e z 等人研究指出：中间包水力学模型对于研究中间包内流体的物理模拟具有普遍意 义，它可以定性和半定量地研究，水模型预测结果可以很好地应用于实际生产。 上个世纪八十年代同本等国家针对中间包进行了大量的水模实验，对中间包冶金 技术开展了系统研究，中间包冶金过程的冷态模拟研究又被重视起来。我国也从 那时开始了中间包冶金模拟的研究。 东北大学硕士学位论文 第三章 中间包结构优化水模试验研究 第三章中间包结构优化水模实验研究 3 1 实验理论基础 本实验使用物理模型模拟 中间包内钢液的流动特征，物理模拟分为两类：第一类是精确的物理模型或称完 全模拟，它严格按照相似原理构造模型，实验结果也可以直接进行比例放大。第 二类是半精确模型或称部分模拟，用来研究过程中的关键物理现象，中问包内钢 液流动现象一般均采用部分模拟。 本实验的理论基础是模拟实验的相似定律，为了使模型能够真实的反映原 系统的实际情况，要求两个系统( 模型系统和原系统) 几何相似及动力学相似。 几何相似要求模型的几何尺寸与原型的对应的几何尺寸具有固定的相似比。动力 相似即两系统中对应位置上的力存在固定比例，主要考虑惯性动力、粘性力和重 力，这些力的大小决定不同尺寸和形状的中间包内钢液的流动状况。 中间包内钢水流动主要受钢水的重力和钢包注流的驱动，而且可视为粘性、 不可压缩、稳态等温流动，同时可忽略化学反应的影响。对于任何中间包的等温 体系，作用在流体微元上的各种力的平衡均可用湍流n a v i e r - s t o k e r s 方程来描述。 中间包内的均相、三维稳态等温湍流流动的动量方程1 2 2 1 为 善( 肛为) 一丢+ 丢( 考+ 考) 】+ p g ， ( 3 1 ) 瓦肛为) = 一百+ 瓦够i + 蒿 + 一 ( 3r ” 式中，p 一流体密度，k g m 3 ； 沪速度，m s ； p 压力，p a ； “。舻一湍流流动的有效粘度，p a s 牙一重力加速度，m s 2 ； 扣几何坐标，m ： i ，i 一三维坐标方向。 为保证模型中间包的流体流动与原型中间包的流动相似，需要确定由湍流 n a v i e l - s t o k e r s 方程中的变量组成的相似准数和在模拟实验中保证这些相似准数 相等。为此，对方程( 3 1 ) 进行无因次分析。引入变量的特征值 东北大学硕士学位论文第三章中间包结构优化水模试验研究 z + 一- f = 号，p = 上p u 2 ，g + = 旦g ( 3 2 ) z 2 ，甜2 万 2 ， 3 1 ( 3 2 ) 式中，l 和u 分别为特征长度和特征速度，x + 、“+ 、p + 和g 分别为相应变量的 无因次变量。将无因次变量代入方程( 3 1 ) ，