中间包内夹杂物去除机理研究.doc

连铸中间包内夹杂物去除行为的物理模拟研究摘 要 通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验，考察了控流装置、浇铸速度、夹杂物粒径对中间包内夹杂物去除行为的影响规律。结果表明：挡墙挡坝组合控流夹杂物去除效果最佳，中间包内强湍流区夹杂物的碰撞聚合以及向上和表面流速的增加是主因；中间包注流区加入抑湍器，虽然其流体流动特征发生改变，但对夹杂物去除率的影响并不显著；在较高的浇铸速度，单纯靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果。关键词 连铸中间包，流体流动特征，夹杂物，水模型WATER MODEL STUDY ON MECHANISM OF INCLUSION REMOVAL IN CONTINUOUS CASTING TUNDISHZHANG Shengjun, ZHU MiaoyongSchool of Materials & Metallurgy，Northeastern University，Shengyang 110004）ABSTRACT The effects of flow control device, casting speed of liquid steel and inclusion size on inclusion removal in continuous casting tundish were investigated by choosing emulsion drops simulated as inclusions in a water model. The results show that the efficiency of inclusion removal in tundish with weir and dams is relatively high due to the collision and aggregation of inclusions in high turbulence region and the improvement of flow field in tundish. Although the fluid flow has some change in pouring region with turbulence inhibitor in tundish, it has not so much effect on the efficiency of inclusion removal. It seems to be difficult to improve the efficiency of inclusion removal only by optimizing the flow control devices in tundish with high casting speed of liquid steel.KEY WORDS continuous casting tundish, flow filed, inclusion, water modeling中间包作为连铸过程控制钢液清洁度的关键环节，在现代炼钢生产中扮演着日益重要的角色。为了充分利用中间包去除夹杂物的功能，国内外学者主要采用水模型通过加示踪剂测定RTD（Resident Time Distribution）曲线来优化中间包内的流场7-10，有的在水模型中以固体粒子模拟夹杂物考察其去除行为7，但这些工作均没有考虑夹杂物碰撞聚合这一重要的物理行为。最近，也有不少研究者采用数学模拟方法来研究中间包内夹杂物行为1-6, 11-17，但由于在湍流碰撞模型、碰撞概率模型等理论描述方面还没有获得实质性进展，所给出的结果也大多是定性的。本文采用乳状液滴来模拟夹杂物，在中间包水模型中尝试模拟夹杂物的碰撞聚合行为，并考察控流装置、浇铸速度以及夹杂物粒径对夹杂物去除的影响规律，分析影响的主要因素，对夹杂物的去除机理进行阐述。1 实验原理1.1 几何相似本实验以某钢厂30t中间包为原型，确定模型和原型的几何相似比，主要参数见表1。表1 原型和模型的主要参数 （mm）TundishPrototype ModelTopBottomHeight 45001373 900275 3692821 7381641335 2671.2 动力相似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，只要保证模型和原型的整体Froude准数相等，就能保证它们的动力相似。由此计算出模型所对应于原型的体积流量，即 （1）式中，和分别为模型和原型的流体体积流量，。1.3 模拟介质的确定采用水模拟钢液，乳状液滴模拟夹杂物。对于中间包内夹杂物的模拟，Sahai和Emi提出2，模型与原型中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及溶液密度存在着定量关系，即： （2）式中，R为半径，m；为密度，kg/m3；下标m和p分别代表模型和原型；下标inc、st和w分别代表夹杂物、钢液和水。由式（2）可知，模型与原型的夹杂物密度不必严格满足相似第二定律要求，即模拟夹杂物与水的密度之比等于夹杂物与钢液的密度之比，也可以近似模拟实际钢液中夹杂物的运动行为。本实验采用一种无色、不溶于水、常温下不挥发且稳定的乳状液滴来模拟夹杂物。该乳状液滴不被水所润湿，且多个液滴碰撞后会因为界面张力作用而形成簇状物，如图1所示，这与钢液中非金属夹杂物碰撞并形成簇状夹杂物的过程是非常相似的。因此，该乳状液滴能较好的模拟夹杂物的碰撞聚合行为。实验有关参数见表2。图1 夹杂物碰撞聚合放大图表2 原型和模型的有关参数ParameterPrototype ModelLiquid densitykg/m3Inclusion densitykg/m37000 1000（Molten steel） （Water）3900/2700 985 （Al2O3/SiO2） （Emulsion）1）T=273K，P=1.013103Pa将=1/5及表2中有关数据代入式（2），可以得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系。对Al2O3 （3）对SiO2 （4）式（3）和（4）中，D为直径，m。实验中乳状液滴的初始粒径及粒径分布如图2所示，其当量直径为200mm，则由式（3）和（4）可知，该乳状液滴可以模拟初始当量直径为47.6mm的Al2O3和45.1mm的SiO2夹杂物。图2 乳状液滴形貌及初始粒径分布1.4 实验方法 实验装置如图3所示，中间包模型为有机玻璃制成。流体从钢包经长水口流入中间包内，待流动达到稳定状态后，一定量的乳状液通过特定的方法均匀分散在中间包内。随着流体的流动，每隔一定时间收集上浮至表面的夹杂物和水的混合物，通过特定方法分离得到纯乳状液，则该条件下的夹杂物去除率为： （5）式中，hT为特定方案的去除率，T为时间间隔，V0为初始加入的乳状液的体积，ml，VT为T时间间隔内去除的乳状液的体积，ml。实验整体设备由供水系统、片光源系统、摄像系统和夹杂物收集系统组成。对实验中重要的物理现象，利用高速数码摄像系统进行了详细的拍摄和记录，旨在更好地揭示中间包内夹杂物的去除机理。2101137918546121314.图3 实验装置示意图（1Ladle, 2Injector, 3Liquid flow meter, 4Weir, 5Dam, 6Porous beam, 7Tundish, 8Dam, 9Drain, 10Digital camera）2 结果与讨论2.1 控流装置和浇铸速度对夹杂物去除行为的影响图4为控流装置和浇铸速度对夹杂物去除率的影响规律。从图上可以看出，无论是无任何控流装置、挡墙-挡坝控流还是挡墙-挡坝-冲击槽控流，均有相似的夹杂去除规律。均随着浇铸速度的增加，夹杂物的去除率呈递减趋势。其中，挡墙-挡坝控流条件下，夹杂物去除率随浇铸速度的增加下降较为明显，浇铸速度从1.2m/min增大到1.8m/min，去除率降低了15%；而无任何控流装置条件下，夹杂物去除率则变化平缓。此外，在固定浇铸速度的条件下，发现挡墙-挡坝组合控流的去夹杂效果要不同程度的优于挡墙-挡坝-冲击槽组合控流以及空包条件下的去夹杂效果；加入冲击槽，虽然缓和了长水口主流股对中间包底部的冲刷，一定程度抑制了注流区剧烈的湍流，但从夹杂物的去除率来看，效果并不明显；甚至在浇铸速度为1.6 m/min和1.8 m/min时，夹杂物去除效果几乎等同与无任何控流装置条件。本实验条件下，在浇铸速度为1.8m/min时，控流装置的优化已经对夹杂物去除效果的影响很小。2.2 夹杂物初始粒径对夹杂物去除行为的影响为充分考察操作条件对夹杂物去除行为的影响，本文在保持浇铸速度（1.4m/min不变，对不同夹杂物初始粒径在不同控流装置条件下的去除情况进行了研究，实验结果见图5。从图上可以看出，随着夹杂物初始粒径的增大，夹杂物去除率显著增加，这主要是因为大颗粒夹杂物受流体流动的干扰较小，上浮速度快所致；对于不同初始粒径的夹杂物，控流装置对其去除的影响是一致的，挡墙-挡坝控流措施最有利于夹杂物的上浮；其中，在初始粒径为400mm时（即与实际所对应95.2mm的Al2O3、90.3mm的SiO2），挡墙-挡坝控流的夹杂物去除率比无任何控流装置条件下高出25.5%，且明显优于挡墙-挡坝-冲击槽组合。图4 中间包流量对夹杂物去除行为的影响图5 夹杂物初始粒径对去除行为的影响2.3 夹杂物去除的机理图7和图8分别显示了夹杂物颗粒碰撞聚合图片和采用不同控流措施后流体的流动特征。结合这些图片对中间包内夹杂物的去除机理作如下阐述。中间包采用挡墙-挡坝控流装置后，流股冲击到包底，进而沿包壁向上流动，随着流体的不断流入，靠近挡坝的一侧，流体通过控流装置，进入右侧区域。相对于不加入控流装置而言，流体入口湍动被控制在注流区较小的范围内，包内活塞流区域增大，促进了夹杂物的上浮去除；且流体通过挡墙-挡坝后，在右侧形成了贴近流体表层的运动轨迹（如图8-b所示），流体的流线变长，停留时间增加，有利于夹杂物的充分上浮。另外，挡墙-挡坝控流条件下，中间包注流区湍动较为剧烈，存在夹杂物颗粒碰撞聚合为夹杂物簇的现象（如图7所示），且由于该点簇状夹杂物颗粒的当量直径相对小颗粒大，上浮速度加快，从而也一定程度上促进了夹杂物的去除；加入冲击槽以后，流股冲击到槽内，由于限制了向包底四周运动，从而在冲击槽出口上方形成了较为剧烈的湍动，随着流体的不断注入，该部分流体被冲散，大部分直接通过挡墙-挡坝（如图8-c所示），进入右侧活塞区域；与挡墙-挡坝控流措施相比，流体经大包长水口注入后，在注流区的停留时间减少，虽然注流区的湍动得到抑制，但某种程度上也减少了小颗粒夹杂物碰撞聚合的机会，同时也不利于大颗粒夹杂物在注流区域的上浮去除。因此，合理控制中间包注流区的湍流流动情况，决定着夹杂物的去除效果，特别是较小颗粒夹杂物的去除。对于以上所分析的两种控流装置，挡坝右侧所对应的流体流动特征是相似的，都是先沿液体表层向右推移，再由于重力作用作向下回旋流动，从而形成了上凸的弧形流动轨迹，有利于夹杂物的充分上浮去除。在无任何控流装置条件下，流股冲击到包底，向四周散开，部分直接沿包底向出口区域流动，上部流体几乎水平推移（如图8-a所示），这种流型显然不利于夹杂物的上浮去除，从中也可说明上述实验结果的合理性。Inclusion-cluster图7 夹杂物颗粒的碰撞聚合图片Outlet Inlet 1s4s6s8s10s12s(a)Snap shot ofwater trialOutletInlet2s4s6s9s11s13s(b)8s10s12s6s4s2sInlet Outlet(c)图8 不同控流装置条件下中间包内流体的流动特征（a）Without flow control device （b）Weir-dam （c）Weir-dam-turbulence inhibitor3 结论（1）中间包内加入控流装置后，流体流动特征变化显著。其中，在挡墙-挡坝控流条件下，注流区湍动较为剧烈，存在小颗粒夹杂物碰撞聚合为簇的现象，一定程度上促进了夹杂物的去除。在挡坝后侧，流体通过挡墙-挡坝后，形成了贴近流体表层的弧形运动轨迹，流体的流线变长，停留时间增加，有利于夹杂物的上浮去除。（2）采用挡墙挡坝控流措施后夹杂物的去除效果最佳，对于200mm（对应50mm以下）的夹杂物颗粒，挡墙-挡坝控流能比空包条件下夹杂物的去除率提高13.5%。加入冲击槽后，虽然流股对包底的冲击减轻，但对夹杂物去除率的影响并不明显。（3）中间包内夹杂物主要是通过上浮的方式去除，同时存在碰撞聚合为簇状夹杂物再上浮的方式，这就需要合理的控制包内流体流动特征以及注流区的湍动情况，从而达到最佳效果。（4）较高的浇铸速度，仅仅优化控流装置，已不能显著改善夹杂物的去除效果，应进一步开发去除细小颗粒夹杂物的新技术，以保证浇铸钢液的纯净度。参 考 文 献1 Sinha A K，Sahai YISIJ international，1993，33 (5)：556-5662 Sahai Y，Emi TISIJ international，1996，36 (9)：1166-11733 Martinez E，Maeda M，Heaslip L JTransactions ISIJ，1986，26：724-7314 Tozawa H，Kato Y，Sorimachi K，Nakanishi TISIJ I