（冶金工程专业论文）重钢五流连铸中间包钢液流动模式的水力学模拟研究.pdf

中文摘要 摘要 中间包作为连铸生产过程中钢液从大包流向结晶器的过渡装置，在改善钢液 质量、均衡钢液温度、提高浇铸成功率等方面有非常重要的作用。近年来国内外 冶金工作者对中间包冶金功能的研究方法主要是进行物理模拟试验。本论文针对 重庆钢铁集团有限公司l 群方坯连铸机中间包的实际情况，根据相似理论建立水力 学物理模型，对无挡墙、单挡墙和多孔挡墙中间包以及加设湍流控制器的各种模 式进行物理模拟试验研究，确定在重钢原有中间包控流方式的基础上加设湍流控 制器的最佳方案 通过水力学物理模拟试验研究，发现加设合理的湍流控制器能改善重钢l 弹小 方坯连铸中间包内钢液的流动模式，形成合理的流场，促进来杂物的充分上浮， 同时也为钢液温度和成分的均匀创造有利的条件。其中原有单挡墙模式下采用5 号方案湍流控制器较为合适，多孔挡墙模式下采用7 号方案湍流控制器较为合适 在单挡墙中间包内加设5 号方案湍流控制器后，钢液在中间包内停留时间的增加 和流动模式的改善效果最为明显，同等液面和拉速条件下中间包内的活塞流比例 增加5 0 左右，死区体积减小3 0 左右，捕集到的夹杂物同等条件下减小了4 0 。 由于原有多孔挡墙的结构决定了挡墙外侧的钢液流场情况及流动模式，在多孔挡 墙中间包内加设7 撑方案湍流控制器后，钢液在中间包内停留时间的增加和流动模 式的改善程度有限，其中死区体积减少了3 0 左右，活塞流体积增加不到1 0 左 右，不过夹杂物上浮的机会增大，夹杂物颗粒的捕集率减小了2 7 左右 由物理模拟试验测得的单挡墙和多孔挡墙模式下中间包内极限卷渣液面高 度。根据极限卷渣液面高度，计算出在大包换包过程中出现非正常情况后各拉速条 件下，连铸机运行的可等待时间，分析了极限卷渣液面高度与连铸生产连续性的 关系。 根据实验室物理模拟得到的结果，对重钢五流中间包液面极限卷渣的工业性 试验方案进行了制定，以进一步优化和确定中间包的控流装置结构参数及其相关 工艺参数。 关键词：连铸中间包，控流装置，物理模拟，极限卷渣 英文摘要 a b s t r a c t 1 1 ”t u n d i s h sa l el l s e df o rt r a n s i t i o nd e v i c e sw h e nm o l t e ns t e e lf l o w sf r o mb a l 鼯t o c r y s t a l l i z e r s t h e yh a v ev e r yi m p o r t a n tf u n c t i o n st oi m p r o v em o l t e ns t e e lq u a l i t y , p r o p o r t i o nt h et e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e la n di n c r e a s ec a s t i n gs u c c e s s f u lr a t e , a n ds o 0 1 1 i nr e e e n ty e a r s ，t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm e t a l l u r g i s t sm a i n l ys t u d yt h e t u n d i s hm e t a l l u r g i c a lf o n c t i o mw i t hp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ef a c to fn o 1b i l l e tc o n t i n u o u sc a s t m g ( c c ) t u n d i s ha tc h o n g q i n gi r o n a n ds t e e l ( g r o u p ) c o m p a n yl t d ，t h eh y d r a u l i c sp h y s i c a lm o d e lw a sb u i l tr e c o g n i z e db y s i m i l a r i t yt h e o r y m o d e lw i t hn ob a r r i c a d e , m o d e l 丽t l lo n es i m p l eb a r r i c a d e m o d e l 、丽mm u l t i h o l eb a r r i c a d e sa n dm o d e la d d i n gt u r b u l e n c ei n h i b i t o ra r ea l li n c l u d e di nt h e p h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s w ed e t e r m i n et h eb e s tt u r b u l e n c ei n h i b i t o ri n s t a l l e di n t h et u n d i s hw h i c hh a sf l o wc o n t r o ld e v i c e sb yt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i tw a sf o u n dt h a tt h er e a s o n a b l et u r b u l e n c ei n h i b i t o rc a ni m p r o v et h em o l t e ns t e e l f l o wp a t t e r ni nn o 1b i l l e tc ct u n d i s h , f o r ma p p r o p r i a t ef l o wm o d p r o m o t ei n c l u s i o n s r i s i n gs u f f i c i e n c y , a n du n i f o r mt h em o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ea n dc o m p o s i t i o n i nt h ea l l o ft h et u r b u l e n c ei n h i b i t o r , t h en u m b e r5o n ew a sa p p l i e dt oo r i g i n a lt a n d i s h 谢n la s i m p l eb a r r i c a d e , a n dt h en u m b e r7o n ew a sa p p l i e dt om u i t i h o l eb a r r i c a d e i nt u n d i s h 、i mas i m p l eb a r r i c a d e , t h en u m b e r5t u r b u l e n c ei n h i b i t o ri st h eb e s to n et oi n c r e a s e r e s i d e n c et i m ea n di m p r o v et h ef l o wp a t t e r ni nt u n d i s hw i l l las i m p l eb a r r i c a d e i nt h e e q u a ll i q u i dl e v e la n ds a n l ec a s t i n gs p e e d ，t h er a t eo fp i s t o nf l o ww a si n c r e a s e da b o u t 6 f l yp e r c e n t , a n dt h ev o l u m eo f d e a dz o n ew a sr e d u c e da b o u tl l l i n yp 即c e n ta st h es a m e a st h ei n c l u s i o n sw e r er e d u c e df o r t yp e r c e n t b e c a u s eo r i g i n a lm u l t i h o l eb a r r i c a d e s t r u c t u r ed e c i d e sf l o wp a t t e r no fm o l t e ns t e e l ，t h ei m p r o v e m e n tw a sl i m i t e dw h e nt h e n u m b e r7t u r b u l e n c ei n h i b i t o ri si n s t a l l e di nt u n d i s hw i t hm u l t i h o l eb a r r i c a d e t h e v o l u m eo fd e a dz o n ew a sr e d u c e da b o u tt h i r t yp e r c e n t , a n dt h er a t eo fp i s t o nf l o ww a s o n l yi n e a s e dt e np e r c e n t h o w e v e r , t h ei n c l u s i o n sh a v em o r ec h a n c et or i s e , s o i n c l u s i o n sw e r er e d u c e dt w e n t ys e v e np e r c e n t t h ee x t r e m el i q u i dl e v e lh d g h to f s l a ge n t r a p m e n ti nt u n d i s hm o d e l sw i t has i m p l e b a r r i c a d ea n dw i l l lm u l t i h o l eb a r r i c a d ew a sd e c i d e db yt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t h er e s i d e n c et i m eo ft h ec o n t i n u o u sc a s t i n go p e r a t i o nw a sc a l c u l a t e d u n d e re v e r yc a s t i n gs p e e dw h i l eb a l ew a ss h i f t e du n d e rn o r m a lc o n d i t i o n t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee x t r e m el i q u i d l e v e lh m g h to fs l a ge n t r a p m e n ta n dt h e 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 c o n t i n u i t yo f c o n t i n o u sm e t a lc a s tp r o c e s sw a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f l a b o r a t o r yp h y s i c ss i m u l a t i o n , t h ei n d u s t r i a lt e s t $ c h t x n e w a se n a c t e df o rt h es l a ge n t r a p m e n te x t r e m eo fl i q u i dl e v e li nb i l l e tc a s t i n gt u n d i s ha t c h o n g q i n gi r o na n ds t e c lc o n & i ti su s e dt oo p t i m i z ea n dd e t e r m i n et h es t r u c t u r a l a n dc o n c e r n e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so f t h et u r b u l e n c ei n k i b i t o rd e v i c e si nt h et u n d i s h k e yw o r d ：c ct u n d i s h , t u r b u l e n c ei n h i b i t o r , p h y s i c a ls i m u l a t i o n , c x t r e r n cs l a ge n t r a p m e n t l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：疡镌 签字日期：f年i2 ，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一重麽盍堂 有关保留、使用学位论文的 规定，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。本人授权 重麽盔堂 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：力他 签字日期：m6 年i 月6 日 导师签名：p 哆彳百 签字日期：枷6 年f 2 月6 日 1 绪论 1 绪论 1 1 连续铸钢在国内外的发展状况 在锈铁生产爨史主，采霜连续铸钢按零之藏，逶簦罴露瀵铸鼓本。农魏过程 中，钢蠖臻经过几次加热、加工，丽且每次加工都要切头去聪，损失一定龌的金 属。经过几十年的探索，本世纪7 0 年代，逐步形成了现代化的连续铸钢技术。连 续铸造楚将滚俸金羼缀过一缝特殊鲍冷却和支撵装置连续建浇注成一定断藤形状 的铸珏豹进程连铸技术之所以能够得蓟迅速发骚是因为建铸与模铸相比裔如下 优点【。 ( 1 ) 金属收得率掇离1 0 1 5 ； 澎戆源湾耗酶低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 ) 轰缝瑟积减少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 ) 产量可以提巍l o ； f 辫改善了舅确条件以及为垒产连续证帮蠢动纯截造了条件。 图t 1 连铸机示意圈 f i g a 1 t h es k e t c ho f c o n t i n u o u se a s 担f 重庆大学硕上学位论文 l 。1 1 国多卜连铸技术麓发展 常瓶遴铸机概念的最早提出者獭追溯到美瀚炼钢工作者溅瑟( b a t h a ) ( 1 8 8 6 年) 和德国土术工程师达勒恩( r m d a e l e n ) ( 1 8 8 7 年) 。随后的几十年中，人们对避铸技 术发生了浓厚的兴趣，挖其在1 9 2 0 - 1 9 3 5 年间，逸一时期连铸技术主要用于露色金 震锾翻锩豹浇铸社川。1 9 3 3 年，瑷代涟铸懿奠基入一容汉簸f s 。j u n g h a n s ) 提窭势发震 了结晶器搬动装置之麟，才奠定了涟铸技术在钢铁工业上应用豹基础。从此，连 续铸钢技术经历了“从上世纪4 0 年代的试验开发、5 0 年代开始步入工业生产、6 0 年 代薮形铸凝熬窭瑗、7 9 年我鑫缝源熊援茬动麴大笈曩、裂8 鳆! 雩墨憝或熬戆技术 和9 0 年代新的变革”的邋6 0 年历史发腥历程疆2 习。 二次谶界大战后，苏、美、英、嶷等国相继建成一批半工她性的试验设备， 进零亍连续铸钢的研究。1 9 5 0 年容汉麟和曼内斯曼( m a n n e s m a n n ) 公司合作，建成了 毽葬上第台施浇注5 穗锈承豹连锋穰。获第一台涟薅梳瓣毽，迄今磊有五中余年 的历史了。从5 0 年代起，连铸开始用于钢铁工业。6 0 年代以聪，连铸进入稳定发 展时期。程机型方面，6 0 年代初出现了立弯式连铸机，并研制成功了保护渣浇注、 浸入式承秘秘锈滚绦爹簿瑟鼓拳，建铸援本发麓滚度显著热莰t 。1 9 年会毽秀 连铸钢产爨为1 1 5 万吨，连铸比仅为0 3 4 。至6 0 年代末，连铸机已达2 0 0 余台，铸 机年生产能力达4 0 0 0 万吨以上。在此时期，出现了旋转式连铸机、空心圆坯铸机 帮工字型磬露铸极。1 9 6 4 年4 月在爽她穰酉录公司挺秀上第一螽三班轮换正式生产 的王韭亿弧形连铸藐l 投产。隽了生产镪镇静镪，在德国疯棒横厂豹宽坯弧形铸瓿 上成功地开发了浸入式水口和保护溉浇铸技术。7 0 年代以来，连铸生产技术围绕 着降低迄铸坯能耗、提高连铸生产率、改善连铸坯质量这几个中心课题，得到了 遮猛懿茇旋。弱7 0 年代寒，全整器迄铸产量邑途2 i z 遗，稳当等1 9 7 0 年熬8 镪。到 了8 0 年代艨，连铸进入丁完全成熟的垒盛时期，墩界连铸圪豳1 9 8 1 年豹3 3 8 上升 至u 2 0 0 2 年的8 8 4 t 1 0 - 1 9 。 近十惩年，遥终形逢铸( 笼箕是游缀坯、薄繁逐铸) 、离速浇铸、离清洼设产品 的连铸、低过热度浇铸、半凝固魏工技术和过稷每质量系统羧涮技术等势必要囱 更高技术水平领域冲击，迎接一场新的革命。在傲界范围内出现了以高效逐铸技 术为核心的新的连铸机技术f l 嘲。 l 。l 。2 我阑连铸技术发蒺豹概况 中国熄世界上开发和应用连铸技术较早的国家乏一。2 0 世纪5 0 年代中期，当连 铸技术在前苏联、英国、意太利、加拿大等发达阂家进入工业性试验阶段时，我 国帮羞手遴簿试验磅突王终f h l 。1 9 5 7 零在上海铡铁公司孛心试验室建袁一念囊絮 立式方坯涟铸机，1 9 5 8 年在唐由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逢铸机，这是世界上最早出现的几 2 1 绪论 台连铸机之一【旧1 9 6 0 年在唐山钢铁厂建成一机一流，配合5 吨转炉浇铸 1 5 0 m m x l s o m m j , 方坯的立式连铸机1 4 , 5 。由北京钢铁学院设计的重钢三厂大弧型 板坯连铸机和重钢二厂厚板坯弧型连铸机先后于1 9 6 4 年和1 9 6 7 年正式投产，应该 说重钢是我国开展连铸较早的厂家。这两台弧型连铸机在当时世界上都处于领先 水平 4 s 6 】。 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 年代至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 年我国钢产量为3 1 7 8 万吨，其中平炉钢1 1 2 7 万吨，占总钢产量的 3 5 4 6 ，连铸比仅为3 5 【2 ，们。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 x l 2 0 m m 及 1 5 0 m m x l 5 0 m m 供成品轧机成材使用的小方坯连铸机【2 1 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，提高连铸技术水平，开辟了新的途径，大大促进了我国连铸生产的发展。 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l8 台，立式方坯机2 台，总设备生产 能力5 0 0 万吨。直至u 1 9 8 6 年国内己建成各类连铸机1 4 3 台，连铸生产能力可达1 2 0 0 万吨【“2 , 4 - 6 1 。我国连铸技术的发展经历了起步、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己达到世界主 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。 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b6 1 01 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 年提出了钥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，设备为保证犏好连铸生产的 技术指导方针，有力地促进了连铸的发展【6 , 4 5 , 4 9 - 5 3 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。1 9 9 8 年，由北京亿美博科技有限公司与重钢公司合作开发成功的数字式连 铸机结晶器液面控制系统在重钢七厂投入运行。该系统控制精度为1 - 2 r a m ，具有 极好的稳定性和可靠性【i 】。 3 重庆夫学硕士学位沧文 近1 0 多零来，经过广大工程拄零入员j 帮冶金入静不壤努力，我国的连铸技术 发展取褥了令毽入疆强的成绩。按照函家冶金发藏规翔，2 0 0 3 年我国熬连铸汔已 达到9 5 ，达到西方工北发达国家水平。至1 j 2 0 0 5 年，我国钢产凝已达到3 4 9 亿吨， 连铸比达9 8 以上。全围重点企业中许多钢厂均达到了全连铸鼹标，其中如溅钢、 耋镄、鄂锈等丈墅镄铁众盈已实瑗了全公司全逡铸生产。羁藏，我謦已形袋镄静 多样、机烈齐全、技术成熟的连铸黛产体系。 连铸生产的快速增长，使中国钢铁生产实现了高效、连续、快速增长。我国 要实现啄饺是键铁大黧，还要是锈铁强嚣”熬嚣褥，提褰连铸浚鑫技术承乎毽是重 要的一环，这是由连锊的缝位及俸掰决定的。 连铸过程中，钢液从钢包流出，流入中间包，再流入结晶器进行浇铸。中间 包作为连铸过程中最厝一个有耐火材辩内衬的冶众容器，其对镪液分流，成分和 湿度兹游匀班及夹杂携静送一步去狳骞着菲豢重溪兹箨餍。 1 2 中间包的发展、作用及冶金功能 连铸菠零懿发爱瓣镄滚孛夹杂物去狳骞缀大稷度魏鬟鑫，在王芑滚疆孛主要 体现在中闯包和结晶器两个环节，尤其是中间包为钢液中夹杂的上浮提供了场所 和机会，叉为冶金技术的发展开辟了新途径。 1 2 。l 审阏包冶金的发展 “孛阉镪冶金豹穰念是在2 0 蹙筑8 0 年代初赣被提密来豹，多伦多夭学教授麦克 莱恩( a m c l c a l l ) 是首倡赣3 钳】。中间包冶金是一项特殊的炉外冶金技术，烧从钢 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岚钢质量的关键的一 嚣。在连续铸镶技术笈疑豹拐赣，巾麓毽只是终筠锈滚魏镶存_ 耱分聚器来嫠震。 随着连铸技术的发展，钢液质量对遵铸工艺的重瑟意义渐渐为人们所认识。为了 保证连铸顺行和多炉避浇，钢液必须有足够的洁净度，钢液温度要在足够长的时 阕保持稳建。困扰佟必镪的冶炼过撵巾静最后一个耐火材辩容器，中阕包的冶金 作疆受到了更多豹注意f 静柳i 。 近2 0 馨来，国内外关于中间包冶众展开了大凝的学术研究，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，抑制二 次鬟纯，瓣灾耪瓣蠢覆蓬鎏控裁，爨羧钢寇攥终辩涯疫帮残分羟懿，欢氢漪洗， 过滤，加热钢液，热中间包重复应用等。这说明冶金界己经接受了中间包冶金概 念，并且成为实际操作中的重要工芑技术f 3 一。近雄来，中阿包冶金技术的发展更 燕溪跃，入裁将孛阕包躲凌麓送一步扩大。 1 2 2 中闷包的 乍用 中间包的主要作用有0 8 4 a ，5 9 - 6 3 ： 4 1 绪论 中间包是连铸工艺中钢包与结晶器之间不可缺少的钢液存储容器和分配 容器。使用中间包的作用是减少钢液的静压力，使钢液流平稳，以减少钢流对结 晶器内钢液的冲击和搅动； 合理储存钢液、按工艺要求进行有效分流，保证顺利开浇、停浇和换包， 实现对连铸机均衡、连续和稳定地供给钢液； 改善钢液流动条件，防止短路流动，减少死区，改善流动方向，增加钢液 在中间包内的停留时间，改善夹杂物的上浮和去除条件； 防止钢液二次污染，减轻耐火材料侵蚀、减少渣的卷入以及渣中不稳定氧 化物的危害； 选择合适的中问包包衬耐火材料和液面覆盖剂，减轻热损失，有利于夹杂 物的排除： 控制好钢水温度，必要时再加热，使钢液过热度保持稳定 传统的中间包只能起到储存、分配钢液和稳定注流的作用。随着对钢液清洁 度要求的提高，人们把中间包作为钢包与结晶器之间的一个精炼反应器，以进一 步改善钢的质量。 1 2 3 中间包的冶金功能 中间包作为精炼反应器时，可以完成一些附加的冶金功能【3 , 5 , 8 - 1 0 , 6 3 - 7 0 ： 消除钢液中夹杂物的污染，如杜绝钢液的二次氧化、耐火材料的侵蚀和钢 包下渣等； 促进钢液中夹杂物的上浮分离，如改善钢液流动形态、延长钢液在中间包 内停留时间等； 防止中间包表面覆盖渣卷入钢液，要防止中间包内钢液漩涡和表面波的生 成； 采用附加的冶金工艺，完成中间包精炼功能，如夹杂物形态控制、钢液成 分微调、钢液温度的精确控制等； 通过上述冶金功能的实现，就进一步净化了进入结晶器的钢液清洁度。为此 冶金工作者们就提出了把中间包当作连续的精炼冶金反应器的构想。如钢包精炼 技术一样，中间包已成为炼钢生产流程中一个独立的冶金反应器。 1 3 多流中间包内钢液流动的研究方法 随着连铸技术的不断发展和对钢质量要求的提高，对中间包冶金功能的要求 也越来越高。特别是多流浇注时对中间包内钢液的运动、分配提出了许多要求。 我们综合了近十年来的国内外的大量文献【3 7 ，8 ，m 1 6 , 6 ”2 】，认为改善中间包钢液 流动的技术主要在以下几个方面：提高钢液到达离注流点最远距离水口的速 5 重庆入学硕士学位论文 度，驮嚣搜各农日接受新鳝钢液鲍孵阕、数量穗逐，整个申越包内钢液澄黢较蠢 均匀，存猩的温度差较小；减少镄液紊流，使熊流动稳定，势尽可雒减少既区， 以充分利阁中间包容积。 1 3 1 中间包内部形状、注流对多流浇注的影响 李澜缀等【9 】逶_ 逑承模鹣歪交实验对粪有黧熬翡戆夔滔滚孛润色终了蓑毪竣诤， 并发现入流稍偏离对称轴线时，会引起非常灵敏的钢液偏流。 s j o o 1 0 】用数学模型研究了中间包墙倾斜度对浇注的影响，认为墙壁倾角大， 苓纛子温艘稳每，瞧巅予夹杂锈上浮 贺友多等h 1 豫数学模型鹾究7 不弼锻翅懿 中闽包流场，认为斜瑶使钢液最小箨留野简增大，但倾角对流动方式影镌不火 霉搦l 瞧澈赢 出a 嚣1 2 壁孛蠢包豹内粕续褥 f i g 1 2 i n t e r n a ls t r u c t u r e o f s o m e k i n d s o f t u n d i s h 也有浆惩各种形状豹孛阕包采达剔多流浇注的藜求，常茏的巾阕包形状蠢b 型、v 蝥、下型、c 鍪、h 型等( 鲡蹬1 2 所示尹毛南别 。其中h 型串阕包举莰可 以使中间包内钢液流动平稳，而且使钢液停留时间延长，特别怒在更换钢包时可 以大大减少钢液面波动及卷渣现象，驻著强化了中间包的冶金作用。 | 。3 。2 审溺包内各静穗墙控流援焱对包内钢滚流动昀影曦 许多研究者在控制中间包钢液流动上，应用鼹多的措施是采用挡墙，坝、堰 6 1 绪论 等没墨，麸恧控裁镄渡流自、弦经黪摇长短、流动速度等，嚣孬窍裂予滚瑟擎稔， 减少紊流豹干扰，减少死区，均匀分配钢液，去滁夹杂物等。如m b y r d l 2 等研 究中间包捎墙和坝结构发现：入水口使用一套挡熘和坝时中间包的流体总体积中， 活塞流体欷占1 0 ，全混流体积圪占8 2 ，死区体积匕占8 ；使用两套挡墙 帮蔽嚣，以占2 0 - 2 8 。m ，以占弱7 7 ，圪菇3 6 。赞显趣洚蘸7 窜藤包 的死区。 贺友多等【】通过数学模型研究了中间包加隔板挡墙的流场，认为入水阴处紊 藏度毫，瓣菝与莛壤藏纛避入瘩蜀敖裳，将孛惩穗分为入墨豢滚医秘窭强乎鬻嚣， 能充分发挥隔板的作用；此外，隔板深度也应合瑕。m l l o w 酽3 1 等通过数学 模型和水模型的研究，认为多孔挡板是钢液分布更均匀，平均停留时间提高了 3 5 ；一黧文献报道胁删多嚣挡板逐缝改善申卿瞧蠹钢渡黪滚场。袈、挡璐和堰 的 # 孺备肖所长。宝诵炼钢厂进行了中鞠包内同孵使耀挡瑶、璇及过滤器静骈究， 使钢液清沽度比仅使用捎墙和坝时提高了l o ；窳钢开发的中阃包三重堰结构使 钢液清浩度比仅使用挡墙_ 狃坝对提离3 0 以上，这种三重堰结构的使用在潮际上 蠢j 霉黄次。s s i n g h 簿瘸求模鳌磷究了孛蔑毽黧瑷、矮等控滤装萋戆壤猿，络栗 认为坝能减少短路，掇离最小停留时间，但坝的渐度影响不犬。s j o o t o 等研究认 为中间包加坝更有利- t 族除夹杂物，而堰更有利于去除小夹杂物。 嘎 i i i ”h 佩0 s t o p ，i 域 图1 3 在筒扁中间包上采用酌t u r r o s t o p 垫圈、攫和墩示意图 f i g 1 3 t h es k e t c ho f t u r r o s t o pw a s h e x , b a r m g ea n dd a mi nt h et u n d i s h 。 稍t hr o u n db o t t o m 另外，还有使用流动调节器( f l d wm o d i f i e r ) 的，如m m c o l l w 等1 5 】对于非平 面包底和平丽包底两类中间包，分别应用了5 种和4 种构形的流动调节器来提高 孛藏包豹瞧戆。箕孛采麓t u r r o s t o p 公霉熬羁矮、堰缝戒懿滚动援节嚣，翔圈 1 3 所示；以及借助手坝和过滤器制作的流动调节器，如图1 4 所示；它们鼹著改 善了中间包内钢液的流动状态，并使得钢液在中间包各水1 ：1 的刺激响应时问、峰 7 重庆人学硕士学位论文 值时间以及在中间包内的流动平均停留时间的值都明显增大，且还有提高钢液的 清洁度等作用1 卯。 t 8 ) 在坝上诶嚣瀛动 瓣节示意鞠c 上扬3 矿) c b ) 在多孔扳上设置漉动调节系慧图 图1 4 流体流动调节示意图 f i g 1 4t h es k e t c ho f f l o w r i gf l u i d sr e g u l a t i n g 1 3 3 中间包内设置湍流控制器对包内钢液流动的影响 1 9 9 4 年b o l g e r 等人【1 6 疑过水模研究和工厂的生产发现，中间包注流区的湍流 造成卷渣、耐火材料的侵蚀，并阻止7 夹杂物上浮，高速流动会引起短路流和增加 漩涡。通过研究表明，中间包采用湍流控制器后，钢液飞溅大大降低，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，采用湍流控制器后，活塞流体积分率提高到2 8 2 9 1 2 州。 1 9 9 5 年c r o w l e y r 彬 】等人对三重上挡墙，两重上挡墙以及两重上坝加设湍 流控制器的中间包内在l ：4 的模型中进行水模实验研究。从停留时间分布曲线来 看，采用湍流控制器的中间包，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 大包滑动水日1 0 0 的全开，从而大大地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 左右，在换包时下降3 0 左右 1 9 9 6 年a k 公司的s c h a c l e j 等人f 1 8 悃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，流体流动的无因次时间为o 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0 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方 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。在冶炼超低碳钢时，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 l 绪论 利于改善中间包的流动特性。 1 9 9 7 年c o l l u r m m 等【1 9 】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问包流体流动的最小停留时 间、峰值时闻、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 率等参数，确定了不同控流装置对中间包流动行为的影响。结果表明，湍流控制 器和上挡墙可有效地增加最小停留时间和峰值时间，在采用湍流控制器、上挡墙 和下挡墙的中问包，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 2 0 0 2 年钟良才等人【2 0 墟过水模型实验，研究了不同结构的湍流控制器装置对 中间包流体流动特征的影响，如图1 5 、1 6 所示。实验原型中间包为宝钢的6 0 吨 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 。通过测定中间包流体流动的停留时间分布曲线，得到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得到结论：湍流控制器装置的几何结 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器装 置对抑制钢包注流的湍流动能效果不大，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特性。 图1 5 圆形湍流控制器立体示意图 f i g1 5 s c h e m a t i ci u u s a a t i o no f t u r b u l e n c ei n h b i t i n gp o u r i n gp a d 综合文献9 , 2 0 , 3 5 - 4 6 , 4 9 - 5 2 】可知湍流控制器的主要作用有： 减少了钢包开浇时的喷溅。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； 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 9 重庆人学硕士学位论文 的液面湍流； 有利于低液面中间包操作。例如在w c l 钢厂，因浇铸钢种多变，经常存 在低液面中间包操作。在此操作中，正常为3 6 吨的中间包液面，到下个品种的钢 包开浇时被降低到1 4 吨的液位。 图l 6 湍流控制器的钢流控制模型 f i g1 6 f l o wp a t t e r nw i t ht 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 s 1 3 4 减少中间包卷渣的方法 中闻包在浇铸过程中，由于钢液中上浮的夹杂、元素二次氧化及中间包耐火 材料被侵蚀产生的夹杂、加入的中间包覆盖剂等，常因中间包液面的波动而发生 钢液卷渣现象，至使夹杂物和渣进入到钢液中，随后被带入结晶器，影响连铸坯 的纯净度和引起连铸的其它质量问题。因此确定中间包卷渣的极限液面高度很有 必要。影响中间包钢液卷渣的主要因素有如下几个方面： ( 1 ) 钢渣界面流动的剪切力和表面波动，其主要是由大包注流的冲击引起的 钢液表面波动而产生的； ( 2 ) 注流冲击区的湍流，由于注流形成的液一液射流的影响，将表面渣卷入 到钢液的内部： ( 3 ) 中间包水口流出的汇流漩涡，汇流漩涡的产生是使中问包覆盖剂卷入结 晶器内的重要原因，尤其是在中问包液位较低时。 针对中间包内引起卷渣的不同原因，解决中间包内钢液卷渣现象的主要方法 l o 一数 一溉删矧洲封爱啦蹩一镢 1 绪论 有： ( 1 ) 中间包保持正常液位时，钢包敞开浇铸，注流有极大的流速，产生的冲 击力引起液面强烈波动，沿钢渣晃面产生剪切力，把渣子卷入到钢液中。可以通 过在中间包的注流中采用长水口或套管保护，以减轻注流产生的液面表面波动， 减弱钢渣界面剪切力，从而减少钢液卷渣。 ( 2 ) 在保持中间包正常液位的情况下，高速钢液的注入引起能量较大的湍流 产生，将表面渣卷入到钢液的内部。可以通过采取对注流引起的湍流进行抑制的 方式来减少湍流的产生，从而减少这种卷渣的发生主要措施为加设合理尺寸的 湍流控制器。 ( 3 ) 汇流漩涡是中间包钢液卷渣的主要原因，产生汇流漩涡有一定的临界高 度，从流体力学的理论知道，低于其临界高度必然会产生汇流漩涡，将钢液表面 的渣卷入到钢液中。 蔡开科等【5 】进行了工业性试验，在钢包和中间包渣中分别加入示踪剂b a o 和 c e 2 0 3 ，采用长水口向中间包注入，首先使用中间包保持最高液面，然后以稳定 拉速把中间包钢液面逐渐降低到高度2 5 0 r a m ，发现结晶器保护渣中b a o 和c e 2 0 3 含量突然升高，这说明中间包内漩涡剧烈形成的液面高度约为2 5 0 r a m ，低于该临 界液面高度，水口上方产生的汇流漩涡形成漏斗，将中间包渣卷入结晶器中。为 了减少钢液面卷渣，确保连铸的顺行，必须保证钢液面高于产生漩涡的临界液面 高度。另外还可以采用如浮游阀、旋转阀、旋转管阀和双功能塞棒等来对汇流漩 涡进行控制。 1 4 本课题研究的内容和意义 铜铁工业经过上百年的发展己由原来的三步法发展成目前的多步法即高炉一 铁水预处理一转炉( 电炉) 一二次精炼一连铸。其目的在于强化冶炼生产，不断提高生 产率，扩大产品品种，提高质量和降低消耗。作为铁水预处理，钢液二次精炼乃 至中间包冶金等炉外处理技术是现代冶金生产过程中冶炼功能的重新分配和优化 组合，它们不仅在提高质量、扩大品种、优化工艺、降低消耗等方面发挥着巨大 的作用，而且在传统钢铁工艺流程的合理组合、系统优化以及新流程的开发等过 程中是不可缺乏的重要工序。因此对中间包冶金技术的研究具有很重要的战略地 位。目前，连铸技术已成为我国钢生产过程中大力发展的关键技术之一。 随着科学技术的不断发展和人们物质文化生活的不断提高，对作为基础材料 的钢铁工业产品也提出了越来越高的要求，这就迫使冶金工作者在进一步提高钢 铁产品质量方面做更多的研究开发工作，连铸中间包冶金技术就是其中需要大力 发展和研究开发的关键技术之一。 重痰人学硕士学位论吏 连铸中闻包内镳液滠度移成分不均匀、夹杂物上浮不充分与铸坯的表瑟璇蟹、 内部霞鬣商缀大的关系。螽褥减小巾阈包溢酶，均匀铜滚温度和成分，尽激去除 钢液中的夹杂物，简化涟铸生产调度，是冶金工作者一直关心和研究的课蹶之 关予灾杂物问题，涎论是转炉的脱氧产物、大包和中间包渣，还是二次氧化 产生懿氧纯秘，鄂瘦签霹缝蘧麸孛潮惫蓬程串去豫，整魏栗审瘸包参数莰谤褥不 合理，就难以在中间包内去除细小的夹杂物。 为此，重庆钢铁集豳公司为提瀚钢产品的质嫩，计划对l # b 方坯连铸机五流 牵阕包酌瑷窍控渡装爨送行送一步豹簪 究，以麓达蘩馒镶渡巾夹杂豹充分童浮、 钢液成分均匀以及对备流之间的温发差和诵液成分迸行控制静效果。重锈原有中 间包是由四流改为五流的。改为五流后，对中间包也进行了一定的内部控流装置 的改进，瑕是在生产避程中夹杂物上浮不充分，钢液成分不均匀及对各流之闻的 湿度差铰穴等缺熹磁较突篷。 另外，重钢公司l 群连铸杌中f 研包在生产过程中，对铸坯质景的粗判经骏标准 为：钢液液面高度为5 0 0 r a m 、3 0 0 - 5 0 0 r a m 、1 0 0 - 3 0 0 m m 三个档次，当液面在l o o m m 戳下野鬟羧魏废。这撵经验蠡准溪攀准臻，选没霄一定豹理论依据。戈7 褒不影 晌铸坯戚爨的情况下，疆加合理和充分地秘雳换镪过程中低液面的钢液和使铸机 运行不停率，须对极限卷渣液面高度进行研究。 因此，重庆钢铁集团公司和重庆大学进行合俸，联合野袋髓铸中阅包夹杂物 控麓技术羽研究颂嚣，黠缮方坯逐铸獍孛蠲包内羟漉装置豹竣嚣进行数毽貘羧研 究，并提出适合工业性试验的参数。 本论文工作主要体现在以下五个方面： 1 ) 瓣霪锈公霹魏饔缮连铸撬巾瘸包撵壤没漾逶蠢秘毽臻羧为滚滚控越器戆 设计提供煎要参数。 ( 2 ) 根据现有中间镪挡墙位置、商度、开孔方向、注流点傲鬣等参数设计制成 多种不同尺寸秘形状的滚滚控制嚣，并进行物理模拟以选取会理尺寸和形状的渍 流控巷嚣艨用于生产彀试验。 ( 3 ) 研究不同控流模式及流体流动特性对夹杂物运动及排除的影响。 “) 通过物理模拟试验测定，研究重钢l 撑方坯涟铸中问包在备种拉速条件下的 投蔽卷滚滚覆裹囊。 ( 5 ) 粮掘物理模拟试验测得的极限卷渣液面高度，改善浇淀铸坯降判标凇。