六流方坯中间包流场的物理模拟.pdf

六流方坯中间包流场的物理模拟 齐新霞刘国林李子林包燕平 安阳钢铁集团有限责任公司 北京科技大学 摘要 通过对方坯中间包流场的物理模拟 建立良好的中间包流场 温度场 解决连铸生产过程中的漏钢 套眼等 问题 为降低钢水过热度 提高钢水可浇性 促进夹杂物上浮及开发新产品奠定基础 关键词 六流方坯中间包物理模拟 3 7 7 86 8 7 8 5 A B C D E C 9 9 5 7 A 3 A 0 9 5 B 5 3 7 5 3 5 7 C 5 3 5 0 8 7 5 7 5 A D 5 9 3 5 7 C 5 7 E 7 5 C 5 3 C 7 5 7 9 3 5 3 9 7 0 9 5 B 5 3 7 3 5 A 0 6 0 9 A 9 7 5 C 5 B 5 3 7 3 0 A 5 7 5 9 5 7 5 33 6 0 5 0 3 E F G HI D J B 7 5 H D C 5 3 5 7 0 8 7 5 D 7 5 A 5 前言 安钢六流I J K A AL I J K A A方坯连铸至高线生产线肩负着公司新产品开发的重任 特别是在高碳钢的 生产过程中 中间包流场的不合理性显得尤为突出 连铸拉钢过程的套眼 漏钢和钢水过热度过高等问题 一 直困扰着铸机生产 因此提出对中间包内部结构进行优化改造 以达到消灭套眼和漏钢 减少钢中夹杂物含 量 降低钢水过热度 充分发挥中间包的冶金功能的目的 水模型的建立 I E I 实验理论依据 中间包内流体的流动可视为粘性不可压缩流动 流体流动的雷诺准数M 大于第二临界值 流动在第二 相自模化区 根据相似原理只要保证模型和原型的弗雷德准数N 相等即可 即 N 0 O N A 计算得出模 型与原型的相似比为PO I Q 流量比为P J R 速度比为PI R 实验模拟系统如图I所示 I E R 实验方法 当流体稳定流经反应器时 由于进出反应器的质量守恒 反应器内的流体总量恒定 但在某一时刻进入 反应器的定量流体 由于其各部分在反应器内所走的路径不同 到达 反应器出口的时间各不相同 用组合模型可以解释为 同时进入反应器的流体各部分分别进入反应器的 活塞区 全混区和死区 本实验采用 刺激 响应技术 即在中间包注流处输入一个刺激信号 在出口处测量 该输入信号的输出 从响应曲线 M S曲线 得到流体在中间包内的停留时间分布 由M S曲线的数值得到 从加入示踪剂到中间包水口开始出现示踪剂的时间即响应时间 示踪剂浓度达到最大值的时间即峰值时 间 0 然后计算出钢液的平均停留时间 对反应器内的流动过程作如下数学描述 I 平均停留时间 O T K 3 T K 5 5 R R 理论平均停留时间 UVQ 反应器体积 进出反应器的流量 滞止时间 滞 从加入脉冲信号开始时间到反应器出口得到响应时的最短时间 活塞区体积 滞 死区体积 全混区体积 根据中间包对称性 采用 0 1 2 2水工测量仪对 流 3 测点 4流 2 测点 流 测点 的钢水流 图 中间包实验装置图 动进行模拟监测 每次采样时间4 分钟 每个工况连续测量 次 取其平均值作为研究数值 实验方案设计 设计实验方案时考虑以下原则 中间包内各流钢液的平均停留时间差要小于 2 5 实际中间包内钢 液的平均停留时间大于 分钟 4 设计的挡墙 坝所需要的耐火材料尽量少 挡墙 坝制作简单 安装 方便 使用寿命长 尽量降低钢液到达 流和 流的时间差 并保持钢液面有一定的活跃程度 为此 首先对现用中间包在不同拉速 不同液面高度条件下的流体流动进行实验检测 其次以挡墙 挡 墙6坝的结构及其位置以及挡墙上的上仰角作为参数进行优化试验研究 最后对原中间包及优化出的新中 间包流场做流场显示 夹杂物上浮 涡心高度测量实验 以了解中间包内液体的流动途径和状态 并测量非稳 态下临界下渣高度 及夹杂物上浮率等 实验结果与分析 7 现用中间包流场水模拟实验 在不同工况下对现用中间包流体的滞止时间 平均停留时间 死区大小进行测定 以弄清钢液的流动状 况及存在问题 7 7 不同拉速下实验结果 根据实际生产固定实验液面高度4 长水口浸入深度 2 在不同拉速下进行实验 结果见表 由实验结果可知 在不同拉速条件下 原包 流的滞止时间均 1 7 8秒 流的滞止时间均 秒 流 与 流的滞止时间差平均为 7 4秒 实际3 4 7 秒 死区体积大 三个流对应钢液的平均停留时间短 1 表 现用中间包不同拉速的实验结果 拉速 流滞止时间差秒 死区体积 平均停留时 间 秒 流 流 流 不同液面高度下实验结果 根据实际生产固定拉速 水口浸入深度 在不同液面高度下进行实验 实验 结果见表 表 试验参数 液面高度 原型 模型 最大滞止时间差 秒 死区体积 平均停留时间 秒 流 流 流 由实验结果可知 在不同液面高度下 原包 流的滞止时间均 秒 流的滞止时间均 秒 流 与 流的滞止时间差大 个流的平均停留时间均较小 死区体积大 由流场显示实验可知 液体注入该中间包冲击区的流速较高 下降过程卷入周围液体 到中间包底部迅 速向四周呈散射状散开 一部分液体碰到包壁后迅速上翻 另一部分液体没有受到阻挡直接流向 出 水口形成短路流 短路液中的夹杂物没有机会上浮 直接进入结晶器 同时液体经过 水口后速度明显 下降 液体到达其它水口的时间及其在其它水口处的停留时间明显增加 从而经各出水口进入结晶器的钢液 的温度必然不同 出水口的钢液的温度偏低 出水口的钢液的温度偏高 最终导致经各流水口 形成的铸坯组织结构 质量不一致 夹杂物含量不同 并易产生套眼漏钢等生产问题 采用加挡墙 挡坝的中间包优化实验 根据设计意图及上述实验结果 结合实际生产固定拉速 液面高度 水口浸入深度 讨论墙 坝结构和位置及上仰角角度对中间包流场的影响 在不同工况条件下对 种结构的中间包 分别进行了水模拟实验 从中优选出三种结构的中间包 如图 所示 实验结果见表 对应的0 1 2曲线如 图 所示 图 中间包的结构图 由实验结果可知 在常用拉速 液面高度 时 图 结构的中间包 流的滞止时间明 显减少 流的滞止时间明显增加 钢液实际到达各流的最大时间差由原来的 分 秒减少到优化后的 秒 个流的平均停留时间均 秒 比原来明显增加 表 拉速 液面高 时的实验结果 钢液到达 个流的顺序最大时间差 个流的平均停留时间 秒 死区体积 图 秒 秒 0 图 1 秒 秒 0 图 2 秒 0秒 0 0 0 原中间包 秒 秒 0 0 图 拉速 液面高 时中间包的3 4 5曲线 中间包内部液体死区体积由原来的 0 对应减少到优化后的 减 少 图 结构的中间包钢液到达各流的最大时间差最小 平均停留时间最长 死区体积最小 但存在挡 墙的固定及冲击区的烘烤问题 图 1结构的中间包各流钢液的平均停留时间差最小 其余指标居三者中 间 因此可选用该中间包进行大生产试用 由流场显示实验可知 这三种结构的中间包挡墙将该包分为冲击区和三个浇注区 钢液从冲击区穿 过挡墙的上扬孔斜向上流出 主流股跃过下挡坝上沿直接冲击到 水口之间分配钢液 这样自下而上 再向下形成循环流 即使 水口对钢液卷吸也不会形成短路流 同时减少夹杂物上浮排除所需运行的路程 最终优化实验 在以上实验基础上 选用图 三种结构的中间包 在 液面高度下进行不同拉速的优化实验 实 验结果见表 由实验结果可知 不同拉速下三种结构的中间包内液体的流动状况均明显好于原包 拉速 及 时 图 结构的中间包 钢液到达 个流的时间差最小 平均停留时间最长 死区体积最小 图 1 和图 2结构的中间包三种指标相差不多 拉速 时 图 1结构的中间包钢液到达 个流的时间 差最小 平均停留时间和死区体积大小与图 和图 2结构的中间包相差不多 结合生产需要综合分析 选 用图 1结构的中间包进行大生产试用 夹杂物上浮实验 用发泡聚氯乙烯树脂粒子模拟夹杂物上浮 计算夹杂物上浮率见表 表 不同拉速优化实验结果 拉速图 结构图 结构图 结构 滞止时间 差 差 0 差 0 1 0 2 3 平均停留时间 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 死区体积4 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 滞止时间 差 0 差 0 差 1 2 3 平均停留时间 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 死区体积4 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 滞止时间 差 差 差 1 2 3 平均停留时间 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 死区体积4 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 表 粒子上浮率实验结果 原包图 图 图 收集量 5 0 上浮率 4 1 1 表 优化前后中间包指标对比 产品合格率 4最大温差 6 原包 1 4 新包 1 4 由实验结果可知 图 结构的中间包夹杂物上浮率相差甚微 均明显好于原中间包 生产应用效果 优化后的中间包用于实际生产 根据流场显示实验结果 对中间包内钢水温度差最大的部位进行现场测 温 经 个月的应用并与原包比较效果见表 表 液面高度 浸入深度 原型 0 模型 1 1 取 最大滞止时间差 秒 0 死区体积 4 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 平 均 停 留 时间 秒 流 1 1 1 1 0 流 1 0 1 1 0 1 流 1 1 0 1 1 由表 可知 优化后产品合格率明显提高 中间包内钢水的最大温度差减少 6 浇注过程中的套眼 漏 钢现象明显减少 冶金效果明显改善 为高碳硬线 7 0 8的开发及洁净钢的生产奠定基础 按年产 万 吨钢计算 仅合格率的提高及降低过热度两相可为公司带来 1 万元的经济效益 结论 水模型实验表明 安钢原有六流方坯中间包内部结构不合理 中间包流场存在严重的短路流 死区比 例过大 各流滞止时间差大 非常不利于夹杂物的上浮分离 没有发挥中间包的冶金功能 优化实验表明 新结构的中间包对应的流场比较合