（钢铁冶金专业论文）h型钢连铸中间包数值模拟与结构优化.pdf

摘要 摘要 河北津西钢铁公司生产的连铸异形坯和轧后h 型钢经常出现表面裂纹等质量缺 陷。因此，以h 型钢连铸中间包为研究对象，建立了中间包钢液流动与传热的三维 耦合及夹杂物运动的数学模型，利用大型商业软件f l u e n t 分别对使用a 、b 两种 稳流器的津西h 型钢连铸中间包的流场、温度场及夹杂物的去除进行模拟计算，并 对模拟结果进行了分析 对使用a 稳流器的中甸包进行数值模拟发现，从中间包第2 流流出的夹杂物比 从第l 流流出的多1 4 2 0 。在实际生产的情况下，用大样电解法对第l 流和第 2 流连铸坯夹杂物进行测定，测得结果是第l 和第2 流连铸坯中夹杂物含量分别为 7 4 6 2 m g 1 0 k g 和8 5 6 6 m g 1 0 k g ，即从第2 流流出的夹杂物比第1 流多1 4 8 ，这是 由于a 稳流器不能彻底消除从中间包注入口到第2 流的短路流；通过对使用b 稳流 器的中间包计算得到：夹杂物从第1 流流出的比从第2 流流出的多6 1 0 由此 可见，使用a 稳流器的中间包生产的各流铸坯中夹杂物含量差别比b 稳流器大。b 稳流器本身还具有深桶结构能够能促进夹杂物的碰撞聚集，并且可以完全消除短路 流。因此淘汰了a 稳流器。 对使用b 稳流器的中问包进行数值模拟发现，第1 流钢液的温度比第2 流高 3 k 4 k ，这与现场实际测温结果一致；从第1 流流出的夹杂物数量比第2 流多 6 1 0 。为了使中间包各出口的温差更小、铸坯中夹杂物含量接近一致而且处于 较低的水平，需要b 稳流器进一步优化。优化的思路是改变b 稳流器两侧出口的大 小及改变稳流器挡墙高度。提出了8 种优化方案b i b 8 。 分别对8 种优化方案的中间包的流场、温度场以及夹杂物的去除进行数值模 拟。结果表明：在b 3 方案中，第l 和第2 流的温度分别为1 8 1 7 1 ( 和1 8 1 7 5 k ，温差 仅为o 5 k ：从中间包各出口流出的夹杂物的个数百分含量( 收集率) 基本相等，差 值在2 以内；当量直径在4 0 1 t m 以上的夹杂物去除率大于5 3 ，而且随着的夹杂 物尺寸的增大去除率明显提高。 综合考虑中间包流场、温度场和夹杂物排除率三种因素的基础上确定了b 3 方 案为最佳方案。 图4 5 表2 0 参4 7 关键词：h 型钢；中间包；数值模拟；结构优化 分类号：t f 7 7 7 7 河北理工人学硕七学位论文 a b s t r a c t t h e r ei st h es u r f a c ec r a c ki nt h eb e a mb l a n k sa n dhb e a ms t e e lm a d ei nj i n x ii r o na n d s t e e lf a c t o r y t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s ho fhb e a ms t e e li nj i n x i i r o na n ds t e e lf a c t o r y ，s e t su pam a t h e m a t i c a lm o d e li nr e l m i o nt ot h et h r e ed i m e n s i o n a l f l o wf i e l d , t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , t r a j e c t o r yo fi n c l u s i o na n dr e m o v a li n c l u s i o n , b y a d o p t i n gf l u e n t t od on u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n dd o i n gs e p a r a t ea n a l o g yc a l c u l a t i o no n t h ef ls t r a n dia n ds t r a n d2a r e7 4 6 2 m g 1 0 k ga n d8 5 6 6 m g 1 0 k gr e s p e c t a b l yb ym e a s u r i n g t h e mw i t he l e c t r o l y s i sm e t h o da n dt h ei n c l u s i o nf r o ms t r a n d2i s1 4 8 m o r et h a nt h eo n e f r o ms t r a n d1 ，w h i c hs h o w st h a ta n a l o gr e s u l ti ss i m i l a rt oa c t u a lr e s u l t ；i ti st h e r e f o r eo w f i e l a , t e m p e r a t u r ef i e l da n di n c l u s i o nr e m o v a lo f t h et u n d i s h e su s i n gt w ot y p e so f i n h i b i t o r s ( aa n db ) a n da n a l y z e st h e r e s u l t s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e l l st h a tt h ei n c l u s i o ni ns t r a n d2o ft h et a n d i s hu s i n ga i n h i b i t o ri s1 4 2 0 m o r et h a nt h a ti ns t r a n d1b e c a u s eai n h i b i t o rc a n n o tc o m p l e t e l y r e m o v et h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n tf r o me n t r a n c et os t r a n d2 u n d e rt h ep r o d u c t i o n , t h e a m o u n t s o f i n c l u s i o n i n f o u n d t h a t t h e d - v a l u e o f i n c l u s i o n i n t h e t u n d i s h u s i n g a i n h i b i t o r i se v e nh i g h e r 破t h eo u t l e t s bi n h i b i t o ri t s e l fi ss k a p e da sad e e pb a r r e l w h i c hp r o m o t e s t h ec o l l i s i o na g g r e g a t i o na n dr e m o v a lo fi n c l u s i o na n dc a nc o m p l e t e l yr e m o v et h es h o r t c i r c u i th e n c e ，ai n h i b i t o ri sr e p l a c e d t h et e m p e r a t u r ef r o ms t r a n d1i nt h et u n d i s hu s i n gbi n h i b i t o ri s3 k 4 kh i g h e rt h a n t h a tf r o ms t r a n d2 ，w h i c hi sc o n s i s t e n tt ot h ea c t u a lt e m p e r a t u r eo nt h es i t e ；t h ei n c l u s i o n f r o ms t r a n d1i s6 l o m o r et h a nt h a tf r o ms t r a n d2 i ti si m p o r t a n tt oo p t i m i z et h ebt o m i n i m i z et h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e so ft h et t m d i s ha n dm a k et h ei n c l u s i o na m o u n t s r e m a i na tal o w e rl e v e l t h ep r o j e c t st oo p t i m i z ei sr e g u l a t et h eo u t l c ts i z ea n dt h eh e i g h to f i t sr e t a i n i n gw a l l s 8p r o j e c t s ( b i b s ) a r ep r o d u c e d t h ef l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n di n c l u s i o nr e m o v a li n8p r o j e c t sa l en u m e r i c a l l y s i m u l a t e dr e s p e c t a b l y t h ef i n d i n g sa l et h a ti nb 3p r o j e c tt h et e m p e r a t u r e so f s t r a n d1a n d s t r a n d2a r e1 8 1 7 ka n d1 8 1 7 5 kr e s p e c t a b l yw i t ho n l yo 5 kd i f f e r e n c e ；t h ep e r c e n t a g eo f i n c l u s i o n sf r o mt h eo u t l e ti sr o u g h l ye q u a lw i t ht h ed - v a l u el e s st h a n2 ：t h er e m o v a lo f p e r t i c l e ( d i a m e t e r 4 0 j t m ) i sr a t h e rh i g h , e x c e e d i n g5 3 a n dt h er e m o v a ld r a m a t i c a l l y i n c r e a s i n gw i t hb i g g e ri n c l u s i o np a r t i c l e s a b s t r a c t s y n t h e t i cs t u d yo ft h et h r e ef a e t o r s - - - f l o wf i e l dt e m p e r a t u r ef i e l da n di n c l u s i o n r e m o v a ld e t e r m i n e st h eo p t i m i z e db 3 p r o j e c t f i g u r e4 5 ，t a b l e2 0 , r e f e r e n c e4 7 k e yw o r d s ：hb e a ms t e e l ，t u n d i s h , m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n , c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t f 7 7 7 7 1 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：趑益日期：麓竺碑竺月晤 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：雠导师签名：刍雌日期：2 蔓k 竺月丛自 引言 引言 钢铁是我国经济建设最主要的原材料之一钢铁工业的发展水平，历来是一个 国家综合国力强弱的重要标志。很多发达国家在工业化进程中。无不经历了钢铁工 业快速发展的重要阶段，钢铁在今后仍然是其它材料无法替代的最重要的工业材 料。 随着我国经济的持续增长，全国钢材产量逐年增加。钢结构用钢将成为未来几 年我国钢铁工业的最大增长点。h 型钢同工字钢相比具有许多优越性，得到了越来 越广泛的应用。热轧h 型钢是一种具有优越力学性能的经济断面型材，具有较强的 市场占有率。自2 0 世纪6 0 年代起，随着世界钢铁工业的发展，h 型钢的生产也随 之得到迅速发展，被广泛应用在建筑、电力、水利、能源、化工、石油等领域。 在h 型钢生产过程中，近终形异形连铸坯由于铸坯端面接近最终产品的形状， 同时还具备减少工序，提高成品收得率、降低能耗、节省投资等方面的经济优势。 因此，连铸异形坯成为生产h 型钢最理想的坯辩。然而，异形坯由于断面的特殊 性，是各种类型连铸机中最难操作的一种。连铸异形坯浇注方式的选择及操作、耐 火材料的选用、铸坯冷却制度的确定等都直接影响铸坯质量，而且铸坯对钢水成 分、温度等各项指标的要求也更加严格。 钢液质量对连铸工艺的重要影响已经得到了人们越来越广泛的重视。中间包内 钢液的流动控制是连铸中提高钢液纯净度及精确控制钢液成分和温度的重要途径之 一，因此中间包在连铸过程中的地位和作用也日益提高。中间包作为生产过程中的 重要环节，它不仅仅是一个钢液的缓冲器，而且还是防止钢渣迸入结晶器，去除钢 液中非金属夹杂物和控制钢液温度保证铸坯质量的关键设备。 近年来由于计算机硬件和计算流体力学的发展，用数值模拟的方法研究中间包 内的钢液流动、传热和夹杂物行为已经成为精确可靠而且经济有效的手段。数值模 拟已普遍应用于中间包的设计和优化之中。目前，f l u e n t 软件作为在世界上应用 面最广、影响最大的c f d 主流商业软件，在国内冶金领域中的应用还较少。而且 f l u d 盯软件在国内的应用范围也较窄。 为了充分发挥异形坯连铸中间包的冶金功能，本课韪应用f u j e n t 软件模拟中 间包内的三维流场、温度场及夹杂物的运动去除。并以此为基础实现对中间包结构 的优化，从而使中间包内钢液的流动状态和温度分布更加合理，最终使h 型钢的生 产效率和产品质量得到进一步的提高。 河北理工大学硕士学位论文 1 1 异形坯连铸技术简介 1 1 1 异形坯连铸技术的发展 1 文献综述 异形坯( b e a mb l a n k s ) 是指除了方坯、板坯、圆坯、矩形坯以外具有复杂断面 的连铸坯，主要形式为工字形坯。其横截面形状和各部位名称如图1 所示【1 】： 图1 异形坯梗断面形状 f i g ! t m n s w c r s es h a p eo f b e a mb l a n k 连铸异形坯的横截面如图l 所示。铸坯中间部分被称为腹板，左右两侧被称为 翼板1 一般常用宽面x 窄面腹板的尺寸来表示异形坯的规格，比如国内生产的 异形坯常见的尺寸为7 5 0 m i n x 4 5 0 m i n x1 2 0 m m 、5 0 0 m i n x 3 0 0 r a m 1 2 0 r a m 、津西钢 铁厂生产的5 5 0 m m x 4 5 0 m m x 9 0 m m 异形坯。 自从1 9 “年加拿大阿尔戈玛( a l g o m a ) 公司和英国钢铁研究协会b i s p a 签 订了关于工字形坯连铸实验研究的协议，接着在英国试浇过端面尺寸为4 6 7 m m x 2 4 5 m m 7 6 r a m 的工字形铸坯，随后将这种铸坯在车l s j 车间以6 ：1 的断面压缩比轧 制成工字钢或宽翼工字钢。据此，阿尔戈玛就委托瑞士康卡斯特公司设计和提供设 备，并在1 0 0 t 转炉配合生产的条件下，于1 9 6 8 年5 月建成投产了世界上第一台工 字形坯连铸机 4 1 。 2 l 文献综述 此前，多数国家在相当长的时间内将异形坯连铸视为不可高攀的技术，同时也 在密切注视着阿尔戈玛公司工字形坯连铸生产的结果。随着炼钢技术的不断进步， 特别是炉外精炼技术的应用，各国的连铸机相继突破了质量关。 八十年代以后，随着连铸技术的发展和完善，在日本、美国和欧洲都相继建成 了现代化的异形坯连铸机。 弱 柚 迦狮 捌 羹2 0 戢加 o 图2 世界异形坯连铸机增长率 f i g 2n u m b e ro f c , o i l c i l s t a $ o f b e a mb l a n k 图2 显示了世界范围内异形坯连铸机增长率，由图2 可知，近1 0 年来世界范围内 异形坯连铸机数量增长迅速，已经从9 0 年代初的l o 台增长到了4 0 台以上。目前，世 界上从事异形坯连铸研究的主要企业和公司有： 德国施罗曼西马克公司s m s ； 瑞士康卡斯特公司c o n c a s t ； 日本住友重型机械工业公司s h i ； 意大利达涅利公司d a n i e l i t 日本三菱重工业公司m d h ； 奥钢联设备工业公司v a i 。 我国于1 9 9 8 年6 月从瑞士康卡斯特公司( c o n c a s t ) 引进引进第一台异形坯连 铸机，并在马钢第三炼钢厂建成投产。该机用于生产3 8 0 m m 2 5 0 m m 的矩形坯和 7 5 0 m m x 4 5 0 m m x1 2 0 m m ，5 0 0 m m x 3 0 0 m i n x1 2 0 m m 两种规格的异形坯。 热轧h 型钢在我国发展开始于1 9 9 8 年6 月，马鞍山钢铁公司从瑞士康卡斯特 公司( c o n c a s t ) 引进建成国内第一条热轧h 型钢及普通大型型钢生产线。同年 3 河北理工大学硕士学位论文 1 1 月，莱钢从日本引迸小规格h 型钢生产线建成投产。“十五期问，国内又有多 条热轧h 型钢生产线相继建成或投建。近期，河北津西钢铁h 2 5 0 9 0 0 r a m 生产线于 2 0 0 6 年5 月投产。山西长治也在积极建设h 型钢生产项目。鞍钢、包钢和攀钢对其 轨梁轧枫进行了万能化改造后也可生产h 型钢。中国的h 型钢生产发展仅有短暂的 几年时间，因外部市场环境相对较好，其发展基本顺利。自2 0 0 5 年莱钢大规格h 型钢生产线投产以来，大规格h 型钢产能迅速扩大，市场争日趋激烈。津西钢铁生 产线的投产将使国内大规格h 型钢生产形成三足鼎立之势i s 。 1 1 2 异形坯连铸的工艺特点 异形坯由于断面的特殊性，是各种类型连铸机中最难操作的一种。浇注方式的 选择及操作、耐火材料的选用、铸坯冷却制度的确定等均直接影响铸坯质量而且 铸坯对钢水质量、温度等要求也更加严格。再加上结晶器结构复杂、造价高，漏钢 则处理时间长等诸多因素致使异形坯连铸机有其独特而严格的连铸工艺要求。马钢 异形坯连铸工艺特点如下嘲： 1 中间包到结晶器的浇注有两种形式：1 ) 半敞开式浇注，采用定径水口+ 浸入 漏斗( 半浸入式水口) ，液面采用拉速控制，可自动和手动；2 ) 保护浇注，采用塞 棒+ 浸入式水口，液面控制由塞棒完成。普碳钢采用半敞开式浇注，优质钢采用保护 浇注。 2 中间包：中间包的每一流均设有两个出水口，由两个水口同时向同一个结晶 器提供钢渡。中间包带称量系统，可实现中间包钢液重量( 液面) 实时监控，确保 液面高度稳定。 3 结晶器：放射性液位自动监控测量系统，采用拉速自动流量控制或塞棒液压 控制两种方式，自动实现结晶器液位稳定( 也可采用手动方式控制液位) 。 1 1 3 异形坯连铸的关键技术 异形坯连铸机与普通矩型坯( 方坯) 连铸机的设备组成及结构形式基本相同， 其主要区别在于连铸机中间包、结晶器的形状和二冷段支撑辊的布置形式的不同。 异形坯连铸机浸入式水口的设置。为避免钢水的二次氧化，提高钢水的纯净 度，要求采用保护浇注( 钢包一中间包、中间包一结晶器) 。对于保护浇注要求浸入 式水口的位置及合适的水口出口的设计是很重要的，以保证结晶器钢液面弯月面的 4 i 文献综述 流动性和钢液均匀地进入两翼缘。异形坯连铸机浸入式水口经常采用的形式主要有 如下两类p j ( 见图3 ) 。 1 单水口置于腹板中间，出口有直孔和两侧孔两种主要用于腹板较厚的铸 坯，铸坯宽度短时用直孔，宽度宽时用侧孔( 见图3 a ) 。 2 双水口分别置于两翼缘三角区，出口为直孔或加三个侧孔。一般在腹板较 薄、铸坯较宽、翼缘较高时使用。由于塞棒安装困难、结晶器液面不易自动控制且 水口易结死，因此对生产工艺要求很高( 见图3 b ) 。 u a w 围3 异形坯浸入式水口 f i g 3s u b m e r g e de n t r yn o z z l eo f b e a mb l a n k 1 1 4 发展异形坯连铸技术的意义 在钢铁产品的结构组成中，各种异型钢材是一个很重要的部分h 型钢具有壁 薄、翼缘内外侧平行及腿端为直角等特点。其断面模数、惯性矩及刚度等力学性能 均比同规格的普通型钢高。采用h 型钢，建筑重量可减少3 0 6 0 ，桥梁可减轻 1 5 2 0 ，一般结构可减轻1 0 2 5 。因此，h 型钢在机械制造、高层建筑、厂 房、桥梁、闸坝、港口建设、海洋钻共平台、大型船舶等方面大量采用。 异形坯作为轧制h 型钢的原料，轧制应力比方坯、矩形坯和板坯要小，所浇铸 的工字形连铸坯表面质量好，断面形状始终一致，断面凝固组织较均匀，减少了轧 制缺陷的出现，轧材性能的各向异性也比规则铸坯的轧材小。同时，由于采用热轧 技术，降低成本，节省能源，提高了生产率，与传统的规则坯坯料冷轧过程对比更 加具有竞争力。另外，采用近终形异形坯为原料还减少了轧制道次，提高了成材率 p - 1 0 。因此，采用异形坯轧制大中型h 型钢已是当今国外h 型钢生产技术的发展方 向。 热轧h 型钢是一种经济断面型材，具有优良的力学性能和优越的使用性能。连 铸异形坯是生产h 型钢最理想的坯料。目前，我国热轧h 型钢发展的空间很大，尤 5 河北理j ：火学硕士学位论文 其是大中规格缺口更大，产品质量与国外水平也有较大差距。通过此项课题的研究 进一步提高我们研发能力，为生产高质量的h 型钢提供经验。 津西钢铁股份有限公司年产1 0 0 万t 大h 型钢生产线自2 0 0 6 年5 月投产以来，不断 消化吸收近终形异形坯连铸技术，顺利进入规范化试生产。但是，由于此项技术在 我国尚属起步阶段，加上异形坯截面形状的复杂性，给连铸工艺带来了较大的困 难，尤其是异形坯和轧后h 型钢出现的表面裂纹成为急需解决的问题。 1 2 异形坯连铸中间包的作用 连铸中间包是存在于钢包与结晶器之间的中间过渡容器，无论对于连铸操作的 顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要。中间包的作用都是不可忽视的。使用 中间包的目的是利用中间包贮存钢液，实现多炉连浇，将钢液的间隙式冶炼转化为 生产铸坯的连续作业过程；同时我们还可以用中闯包来合理化钢液流场，使钢流平 稳，减少钢流对结晶器内钢液的冲击和搅动。 自从2 0 世纪8 0 年代初，多伦多大学a m c l e a n 教授首先提出“中间包冶金” 的概念1 1 1 1 以来，冶金界对中间包的作用，尤其是在生产洁净钢过程中的作用越来越 受到重视。中间包不再仅仅是连接钢包与结晶器的过渡容器，而且是一个非常重要 的冶金单元。其重要的冶金作用之一是通过对其内部的钢液流动状态进行调整以达 到去除夹杂物净化钢液的作用。多流中间包还能起到均匀各流钢液的温度和成分的 作用，使各流的操作参数趋于一致【1 2 1 。 随着异形坯连铸的不断发展，连铸工艺对中间包内的钢液清洁度的要求不断提 高，而中间包作为钢液凝固之前所经过的最后个耐火材料容器，对钢的质量有着 重要的影响。可以通过改善钢液在中间包内的流动条件，防止短路流，减小死区， 改进流线方向，增加钢液在中间包内的停留时间等，使钢中的非金属夹杂物颗粒尽 可能在钢处于液体状态时排除掉：对于多流中间包，还应使各流的钢液温度尽可能 地接近，这样，各流铸坯才能采用相同的拉速和冷却制度。为达到上述目的，需要 对中间包的内腔结构和控流装置进行优化。 异形坯连铸机中间包作为连铸生产过程中的重要环节，它是防止钢渣进入结晶 器、去除钢液中非金属夹杂物和控制钢液温度以保证铸坯质量的关键设备。h 型钢 连铸生产中，要求钢液温度、成分相当均匀。因此为了获得高洁净度的钢液，就必 须迸一步发挥中i ，日j 包排除夹杂物的作用。由于对中间包内钢水流动、传热和夹杂物 运动行为的数值模拟已成为中间包设计及优化的有效手段，因此，本文以津西中间 6 - i 文献综述 包为研究对象，采用f l u e n t 软件计算中间包的三维流场、温度场及夹杂物的去 除，确定更有利的中间包控流装置，以实现对中间包结构和工艺参数的优化，最终 实现进一步提高h 型钢质量的目的。 1 3 异形坯连铸中间包对流场的影响 1 3 1 中问包形状对流场的影响 ( a ) 梯形巾闻包 ( b ) t 形中衡毽 ( c ) 近似t 膨中闻包 图4 中间包彤状 f i g 4i n s i d es h a p eo f t u n d i s h 目前，所用的中间包形状较多，可以说是五花a f - 。主要分为槽形( 或称为矩 形) 、梯形、椭圆形、三角形、t 形和近似t 形六种类型。通过实验研究和实践表明 槽形中闻包多用于单流和两流板坯连铸机上；梯形、椭圆形、三角形和t 形或近似t 7 河北理工大学硕士学位论文 形中问包多用作多流方坯( 圆坯) 连铸中间包。对于多流方坯连铸中间包国内外大 多采用图4 所示的三种结构形状，在中间包内不设置任何控流装置条件下，三种中问 包结构形状模拟结果见表l 、表2 。从表l ，表2 可知：对于六流中间包采用梯形( a ) 结构冶金效果最不理想，第3 流( 中问流) 钢渡停留时间最短，夹杂物排除效果最 差；标准t 形( b ) 中间包，尽管优于梯形结构，能较好地把大包注流引起的强烈紊 流运动控制在大包注流冲击区，但中间流( 第3 流) 仍然存在响应时间短，夹杂物排 除效果较差的缺点；近似t 形( c ) 的六流中间包结构形状最好，一方面它保持了标 准t 形中间包具有抑制大包流股引起的紊流功能特点，同时也使边流( 第l 流) 和中 间流( 第3 流) 示踪剂响应时间差变小，钢液温度趋于均匀，且中间流( 第3 流) 夹 杂物收集率降低，有利于提高中间流的铸坯质量，此外该结构形状中问包有利于设 置合理的控流装置，进一步改善中间包的冶金效果和提高中间包耐材使用寿命。因 此，攀钢六流大方坯连铸中间包结构形状选用近似t 形中间包结构1 1 3 l 。 表l不同中间包结构形状各流水口示踪剂晌应时间，s ! ! ! ! ! ! 壁! 鬯! 巴! ! ! ! 竺! 壁坐堡! 垡堕坐! ! 篓苎坐唑! ! ! ! 型! 各黼荆 第1 流第2 流第3 流 表2 不同中间包结构形状各流水口夹杂物收集率 型丝垦蹩! ! ! ! ! ! 型! 竖! ! ! 坐! ! ! 磐篓竺! 型! ! ! ! ! ! ! ! 墼垡些翌竖堡! ! ! 型墅 各流水口夹杂物收集率第l 流第2 流第3 流 注：夹杂物收集率= 各水口流出的夹杂物数加入中问包的夹杂物数 中间包的结构对钢液的流动状态、温度分布以及夹杂物的行为具有极大的影 响。为使中问包内钢液流动特性最佳化，其结构应尽量使钢液流场接近最佳状态， 以便使中间包内钢液的温度尽可能均匀，钢液在中间包内的平均停留时白j 延长，而 且使钢液的流动有利于夹杂物去除。 文光华等人的研究表明六流大方坯连铸中间包采用t 形结构优于梯形，近似t 形的六流中间包结构最好。一方面它保持了标准t 形中问包具有抑制大包流股引起 - 8 l 文献综述 的紊流功能特点，同时也使边流( 靠近中间包端墙的两出口流) 和中间流( 中间包 中部的两出口流) 示踪剂响应时间差变小，钢液温度趋于均匀，且中间流夹杂物收 集率降低，有利于提高中间流的铸坯质量，此外该结构形状中问包有利于设置合理 的控流装置，进一步改善中间包的冶金效果和提高中间包耐火材料的使用寿命。 贺友多教授研究了t 型中间包的流场，他认为t 型中间包具有双折射角，能很 快消耗入水口射流的动能，使后段中间包流动平稳、有利于夹杂物上浮。贺教授认 为对板坯中间包而言，l 2 h ( l 、h 分别代表中问包的长度和工作液面高度) 对中 间包流场有很大的影响。l 2 h 不宜过小否则中间包注入口钢液射流到达包底后，钢 液向上运动不足，极易形成短路流直接流向中间包出口。他认为l 2 h 的值应保持在 3 5 以上有的研究者通过物理模拟发现，在相同容积的条件下，长而宽的中间包和 工作液面较高的中间包相比，前者更有利于夹杂物的上浮【1 4 1 。 m c p h e r s o nna 研究了中问包容量及溶池深度对钢液表面流速及钢液湍流的影 响，认为增大中间包容量，加深溶池深度能使的熔池表面流速较小，减轻了液面波 动，这对减轻二次氧化也是有利的。使钢液在中间包内有较长的停留时间有利于夹 杂物的上浮，提高钢水的洁净度”l 。 有的研究者通过物理模拟发现。在相同容积的条件下，长而宽的中间包和工作 液面较高的中间包相比，前者更有利于夹杂物的上浮。m a n f r e dmw o l f 认为长而宽 的中间包比高液面的中间包更有利于夹杂物上浮，而且得出了夹杂物上浮率随长 度、宽度变化的估计式如下1 6 】： 例一叶巧咖( 1 ) 式中； 玎夹杂物去除率，； k 夹杂物上浮速率，m r a i n 一： 肌l - - 分别为中问包的宽度、长度，i n ； 浇注速率，t m i n 一； p 铜液密度，t m 。 s a n j i bc h a k r a b o r t y 研究了局部降低出水口的位置来防止下渣技术在中间包中的 应用。此法就是局部降低钢液出口附近的包底高度，从而避免换包过程因液面过低 9 河北理l ：大学硕士学位论文 产生旋涡【1 7 1 。上海宝钢板坯连铸中间包的设计采用此方法，使两出水i ：3 所在的包底 平面低于包底其他位置。 1 3 2 中间包控流装置对流场的影响 在中间包内设置控流装嚣的1 7 t 的就是要改善原有中间包内的钢液的流动状况， 使中间包内钢液尽量按照我们需要的方式流动，最后达到我们期望的中间包冶金的 作用。尽量达到；1 减少二次氧化等再次污染钢液的来源；2 改善流动条件最大限 度地去除钢中非金属夹杂物；3 减少中间包的热损失，保证钢液过热度稳定。4 对 予多流中间包还应使各流温度、成分等工艺参数尽可能一致。随着中间包冶金技术 的不断进步，各种控流装置也先后被开发出来。最初使用的有挡墙、坝堰，到后来 发展到多孔挡板、多孔过滤器，以及开槽的坝、稳流器等。它们单独或组合使用都 会给中间包流场带来不同的影响，正确安装的控流装置会延长钢液在中间包内的停 留时问，促使夹杂物上浮，均匀各水口的温度，如果控流置使用不当会使情况比未 加控流置时更加恶化i l s 】。 挡渣墙、挡渣坝往往组合使用。挡渣墙在很大程度上起到控制湍流区的作用， 它将冲击区和浇注区分开，形成相对独立的注流区和浇注区。挡渣墙安装在中间包 的上部，钢液从它的下部流出，对于所有宽度的中间包，各种尺寸的挡渣墙单独使 用都会制造短路流。加入挡渣坝后促使钢液向上翻，钢液从坝的上部流过。可以消 除短路流，所以挡渣墙、挡渣坝通常结合在一起使用。当挡渣墙、挡渣坝靠近中间 包钢液入口时，加大了中间包内的表面直接流，有利于夹杂物的上浮；当它们靠近 中间包水口时，钢液在中间包内的最小停留时问有所增加，但夹杂物上浮情况恶 化。 挡墙相当于将坝堰组合在一起，它的基本作用也是将冲击区与浇注区分开在 冲击区，钢液充分混合，有利于温度、成分的均匀和夹杂物的聚集长大。挡墙将湍 流控制在冲击区，避免了它对浇注区的干扰，扩大了活塞流的体积，同时保持浇注 区保护渣层的覆盖平稳，避免了卷渣和空气氧化。挡墙的开孔角度、位置和大小也 非常重要，它能促使钢液流向中间包内钢液的上表面，缩短夹杂物上浮的路径。正 确设置的挡墙能很好的改善中自】包流场，提高夹杂物上浮率。近年来，双板多孔挡 墙也得到了较为广泛的应用，双板挡墙的使用将整个中间包的流场明显地分成了三 部分。冲击区的湍流使钢液很好地混合；两墙之间的流动近似于活塞流，流动平 1 0 l 文献综述 稳，有利于夹杂物的上浮去除；由于挡墙的开孔有上扬角，在浇注区钢液流出后首 先要流向表面，有利于夹杂物被表面渣层吸收。 在中间包内注入口的正下方设置缓冲器可抑制湍流1 1 喇。各钢铁厂对此控流装 置的的命名不完全相同，有的称为稳流器、抑湍器或防湍流冲击板等，稳流器应用 越来越广泛，它的形状也多种多样，如图5 所示。大包注流造成的强湍流对浇注区 的流场有很大的影响，它使表面渣层波动造成卷渣，强大的冲击缩短了中间包耐火 材料的寿命，形成短路流、旋涡，抑制夹杂物的上浮。从目前实际生产来看，稳流 器的主要作用就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，控制高速注流的湍动能，而传统的 挡墙挡坝在这些方面没有优势。 口口圄 ( a ) 通用平板型( b ) 回流型( c ) 圆筒型 图5 各种形状的防湍流装置 f i g 5t u r b u l e n c ei n h i b i t o r s ，j o o 认为。传统槽型中闻包加上坝、堰等控流装置后，有利于夹杂物的上浮捧 除；他还研究了端墙倾角对夹杂物上浮的影响，认为端墙倾角大，有利于夹杂物上 浮，但不利于温度均匀【2 ”。 陈建，王建军等采用数模对马钢异形坯的中间包冶金性能进行研究，分析了中间 包的流场，钢水平均停留时间，夹杂物的运动规律。结果表明加入v 一型挡墙后，改 变了中间包钢水流动状态，提高了中间包的冶金性能，消除了3 、4 两流的短路流现 象，提高了夹杂物的排除率，大大提高了钢水的洁净度吲。 刘中兴，张捷宇等应用湍流流动的数学模型研究了首钢中间包内钢液的流动与 混合，对首钢第二炼钢厂现有中间包的流场和停留时间作了模拟与分析，并预报了 在不同位置加设不同高度的堰坝后中间包内钢液的流动状态及停留时间。结果表明 如果二重堰的设置不当，中问包内钢液的流动状态会更差瞄堋。 王建军等利用数学模型比较了有无挡墙的情况下夹杂物的排除率，结果表明在 中间包内设置挡墙和坝及堰是促使夹杂物上浮和排除的一个很好方法。因为坝阻挡 了沿包底的流动，使流动方向转向上，钢水被逼到靠近液面流动，使铜水中的夹杂 河北理e 人学硕士学位论文 物很容易被液面的保护渣捕获，而挡墙则可以阻止表面回流，并使钢液湍动能显著 的部分集中在注入流区，下游形成平稳流动的熔池，因此大大地提高了中间包内钢 中夹杂物的排除率【1 8 捌。 郑淑国，朱苗勇以薄板坯连铸中间包为研究对象，通过测定钢液的停留时间分 布( r t d ) 曲线，研究了不同组合的控流装置对中间包钢液的流动特性的影响。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，有效防止浇铸区中间包液面的渣子卷入钢液及钢 液的二次氧化；适当结构和尺寸的抑湍器与挡坝有机组合而成的控流装置在控制中 间包钢液流动方面的效果较好，其中尤以不带顶缘的抑湍器与挡坝的组合最好。图 6 所示方案效果比较理想l ”】。 图6 抑湍器加单坝控流装置 f i g 6f l o wc o n t r o ld e v i c ew i t hi n h i b i t o ra n dd a m r dm o r a l e s 等以二流板坯连铸中问包为研究对象，应用数学和物理方法对中间 包内的钢液流动和传热进行了模拟研究后发现，中间包内采用抑湍器加单坝方案后 极大的增加了钢液活塞流的体积，降低了液面的波动，减少了中间包内钢液的二次 氧化，并且有效的控制了中间包内钢液的出1 ：3 温度提高了钢液质量 2 6 1 。 陈亚贤，朱苗勇等通过水力模拟不锈钢连铸中间包后发现，原设计的宝钢不锈钢 中间包在夹杂物的上浮及温度的均匀性方面还存在不足，不能很好地满足生产工艺 的要求。通过优化设计，提出了促进夹杂物上浮和均匀中间包内钢水温度的设计方 案，如图7 所示的抑湍器和单挡墙加双坝结构1 2 7 j 。 1 3 3 自然对流对流场的影响 在实际生产过程中，由于中间包和盛钢桶不断向外界散热以及中问包本身的蓄 热作用，中间包内的钢液温度很不均匀。由此就产生了中间包内不同区域的钢液密 度不同。又由于温度高的钢液密度小、温度低的钢液密度大。因此，温度差的存在 1 2 ， l 文献综述 是钢液自然流动的主要动力。在计算钢液的流动时，应考虑密度差产生的浮力对流 动的作用，即自然对流对流场的影响。 图7 优化后的控流装置 f i g 7o p t i m i z e df l o wc o n t r o ld e v i c e 在我国，萧泽强等在1 9 9 6 年提出了中间包非等温的观点，指出中间包内钢液的 流动状态在等温和非等温情况下存在重大的差别，自然对流的影响不可忽视，同时 应用数学和物理模拟的方法进行了验证。萧泽强等嗍认为，温度差对中间包内流动 的影响将直接影响中间包内许多冶金过程。在许多水模和数模研究中，中间包被看 为一种等温反应器，而实际生产过程中，中问包内流动过程对温差十分敏感。他们 应用物理模型、数学模型和现场直接测定对温差的影响作了定性和定量研究，提出 了鉴别温差影响的中间包准数，并给出了临界值。y y u j im i k i 和t h o m a s 通过数学模 拟也认为温度差对中间包内流动有重要的影响唧。 王建军等利用数学模型研究了钢水在常密度和密度变化两种条件下板坯中间包 内的流场、温度场和钢水平均停留时间。结果表明高温钢水在中间包内流动时，不 能忽略自然对流流动；密度随温度变化时，钢水沿着液面流到水口区，没有短路流 现象，最短滞留时间1 0 0 s ，进出口温差4 4 k ，其流场和温度场与常密度条件下的正 好相反口8 1 。 王波，贺友多等认为钢液的非等温现象对中间包内流体流动和传热有着重要影 响1 3 0 j ，并通过用热态水模型研究了中间包内钢液的流动规律后发现，温度变化导致 钢液的密度不均匀，使自然对流影响钢液流动，同时还讨论了在不同条件下自然对 流对钢液流动的影响。 - 1 3 河北理r = 大学硕+ 学位论文 1 4 连铸中间包高温钢液中夹杂物去除规律 夹杂物通过上浮由钢液中去除，其速度服从s t o k e s 定律，这是在平静的钢液中 得出的认识。但在中间包内，钢液始终处于流动状态，夹杂物去除的规律比在平静 钢液内复杂得多【1 8 l 。 1 4 1 连铸中间包夹杂物的上浮 夹杂物在平静钢液中的上浮速度服从斯托克斯( s t o k e s ) 公式： 攻：( p - p ) g d ( 2 ) o 1 8 9 式中： 卜夹杂物的上浮终速度，m s “； 加钢液的密度，k g m - 3 ； 阿夹杂物的密度，k a m 4 ； g 一重力加速度，m s 2 萨? 夹杂物的直径，m ； ，广一为钢液动力粘度系数，p a s 。 从本质上讲。斯托克斯( s t o k e s ) 公式所计算的上浮速度是颗粒在重力场中流 体介质内作加速运动时，受到介质摩擦阻力而达到的终速度，其初速度比该值还要 小得多。 用斯托克斯( s t o k e s ) 公式计算夹杂物上浮速度时发现，夹杂物的直径越大上 浮速度越大，但是，即使夹杂物直径d = 1 0 0 p m ，上浮速度v s = o 3 6 c m s ，而钢液的 流速比此速度高得多。所以小颗粒的夹杂物只能随着流动的钢液一起运动，只有大 颗粒的夹杂物在钢液流速较低的区域能够上浮。如果考虑夹杂物同钢液流动的跟随 性，除非钢液的流动方向偏向上方，否则小粒径的夹杂根本不可能浮上来。鉴于 此，许多学者专门研究钢水的流动，优化流场，使钢液有向上流动速度，这对有效 去除钢液中夹杂物起到了一定的作用。s t o k e s 公式仅适用低雷诺数的情况。严格地 讲，斯托克斯公式只适用于与钢液理想润湿的固体的上浮1 3 ”，同时，钢液应当是静 止的。因此仅仅依靠自然上浮运动小颗粒夹杂无法从钢液中去除。 张邦文则认为通过浮力上浮，是中间包中夹杂物去除的主要方式，壁面吸附、 碰撞聚集增进了夹杂物的去除效果。在中间包中，直径分别为2 0 0 m ，4 0 t t m 和 1 4 l 文献综述 6 0 岬以上夹杂物的去除效率约为2 0 ，3 6 和7 5 ，其中壁面吸附的贡献占 1 6 1 4 ，碰撞长大的贡献小于5 p 2 1 4 2 连铸中间包夹杂物的碰撞和聚集 通过机械碰撞使夹杂物聚结，然后烧结或融合的过程，称为碰撞聚集。碰撞聚 集是偶然、问断进行的，属于物理生长。在钢液的流动过程中，夹杂物颗粒容易碰 撞而聚集成大颗粒。液态的夹杂物碰撞时聚集成较大的液滴，固态的