立式板坯连铸机结晶器液面控流的物理模拟.pdf

第3 2 卷第4 期钢铁钒钛 v 0 1 3 2 N o 4 2 0 11 年l O 月 I R O NS I E E LV A N A D I U MT n A N n r M 0 c t D b e r2 0 1 1 立式板坯连铸机结晶器液面控流 的物理模拟 赵志刚1 陈远清2 施哲1 胡坤太2 仇圣桃2 1 昆明理工大学冶金与能源工程学院 云南昆明6 5 0 0 9 3 2 钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心 北京 1 0 0 0 8 1 摘要 为研究低拉速下结晶器流动控制装置对流场的影响 以宝钢立式板坯连铸机结晶器为研究对象 采用l 1 的物理模型进行了水模试验 研究了两种浸入式水口条件下液面加控流装置与否 控流装置位置及其插入深度对 液面波动及流场分布的影响 研究表明 水口侧孔倾角向下时 M F C D 对流动模式的改变不大 但使得液面波动量 有所减小 而水口侧孔倾角向上时 控流装置对流动模式有较明显的改变 液面局部波动量增加明显 控流装置插 入深度在5 0 一1 0 0m m 范围内 控流装置位置对液面波动的影响比插入深度显著 结晶器流动控制装置并不适用于 低拉速条件下的板坯连铸 关键词 板坯连铸机 结晶器流动控制装置 浸入式水口 液面波动 中图分类号 I 耵7 7 1文献标识码 A文章编号 1 0 0 4 7 6 3 8 2 0 1 1 0 4 0 0 4 6 0 5 P h y s i c a lM o d e U n gS t u d yo nU 地M e I l i s c 吣F l o wC o n t r o l i I lV e r t i c a lS l a bC o n t i 加 吣C 嬲缸gM o l d z I l a oZ h i g 锄9 1 C h e nY u 锄q i n 9 2 S h i 压e 1 H u 量a m t a i 2 Q i uS h e n g 呦2 1 c 儿g eo fM e t a l l u r g i c a la I l dE 腿r g yE I l g i n r i I l g K 衄m i I l gU I l i v 嘣畸0 fS c i e n a I l d I h n o 蛔 K u n m i I I g 6 5 0 0 9 3 Y 1 m n a n C h i r m 2 N 撕o I l a lE I l g i n e e r i I l g 鼬8 鼬r c hC t e r0 fC o 施加叫C 幽血g b I l0 I o g y c e 曲mh 吼觚d S 州胝雠h 蜥n n e 酬i I I g1 0 0 0 8 1 C h i I I a A b 渤锄c t h lo r d e rt os t u d yd l ei n n u 衄e eo fm o l dn d wc o n 打o ld e v i c e M F C D o nm o l dn o w6 e l d 砒l o w c 鹊6 I l gs p e e d a 缸 s c a I ew a t e rm o d e lh 鹊b e e n tu p 的s i m u l a t en I em o l d o wf i e l do fv e r t i c a l8 h b c o n t i I l u o u sc 鼬t e ri nB s t e e l W 汕晰 哆p e so f 叭b m e 学de n t r n o z z l e S E N t l l ee c to fe q l l i p p i I l g M F C Do rn o t n l ep o s i 6 0 n 蚰dn 坨i 姗e 娼i d e p t l l0 fM F C D 啪l dl e v e ln u c t u 撕o n 肌dm o l d6 e l d d i s t r i b u t i o nh 鹪b e e ns m d i e d T h er e s I l l t ss h o wt l l a tM F C Dh 舶n oo b r i o u se 珏 to nd I em o l dn o w6 e l d d i s t r 出u d o n b u td e c r e a st l I em o l dl e v e ln u c t l l a l i 伽w i t l Id o 帅w a r d 伽d e tS E N H o w e v e r w i t l lu p w a r d o u d e tS E N M F C Dh 鸽o b r i o u 8e 毋f e c t0 nt h em o l dn o w6 e l dd i s 扫曲u 6 蛐d 姆l yi I l c r e a st l l em o I d l e v e ln u c t l l a t i o n 砒 m ep o i n to f 丘I e es u r f k e T l ot l l ee x t e n to fi m m e r s i o nd e p t hf 南m5 0 衄t 01 0 0m m t l l ei n n u e n c eo fM F C Dp o s i t i i sm o r es i 鼬i f i c 跚tt l I 肌M F C Di 衄e r 3 i 锄d e p t l I m o l dl e v e ln u c t u 砸吼 n eM F C Di 8n o t 印曲c a b l ef o rs k l bc o n d 肌o u sc a s t i n g 砒l o wc 船d 1 1 9 印e e d K e y 啪r d s s l a bc o n t i I l u o 岫c 鹊衙 M F C D s u b m e r g e de n 缸 rn o 劢e 啪l dl e V e ln u c t u a t i 收稿日期 2 0 l l 0 4 2 2 作者简介 赵志刚 1 9 8 5 一 男 山西朔州人 在读硕士 主要从事连铸过程仿真研究 万方数据 第4 期赵志刚等 立式板坯连铸机结晶器液面控流的物理模拟 4 7 O 引言 结晶器是连铸过程的主体设备之一 在连铸过 程中起着重要作用u 因此研究结晶器钢水的流动 行为对提高铸坯质量具有重要意义 为了控制结晶 器表面的驻波与湍流 除了采用合理的浸入式水口 外 美国俄亥俄州立大学的研究人员提出在结晶器 弯月面上插入一种结晶器流动控制装置 M F C D 来 改变上回流的流动路线 以抑制湍流或驻波的形成 为研究低拉速条件下结晶器流动控制装置对流场的 影响 以宝钢特殊钢分公司立式板坯连铸机为研究 对象 开展了物理模拟试验研究 侧 1 研究方法 聘 点甚喜茹矍麓瓣黼耋她 枷 1 1 物理模型及试验装置 基于相似原理 建立板坯连铸结晶器近似物理 模型 如图l 所示心 钢液在结晶器内主要受到惯 性力 重力和黏性力的作用 因此在保证原型和模型 的尺e 和n 各自相等的条件下 建立1 l 物理模 型旧J 用有机玻璃制作结晶器物理模型 用水模拟钢 水 试验装置如图2 所示 主要由水路系统和数据采 集系统组成 试验采用 中间包一浸入式水口一结晶 器一水泵一流量计一中间包 的闭环水路系统 流量 计和塞棒分别用来调节拉速和控制液面稳定 1 2 试验参数 根据l l 的相似比 可得到试验过程中的工艺 参数如表1 所示 试验采用了两种结构的浸入式水 口 如图3 所示 水泵 流量计 图2 结晶器模拟试验装置 2 蛐击啊 e r 酬d e V i o e 细脚l d 啪t e r 瑚d e l 表l 试验选用的工艺参数 r a b I eln 们e 鹪p a 瑚m e t e 礴o fm e 既p 豳e 眦 注 水口的浸入深度指侧孔上治到液面的距离 1 3 试验内容及方法 1 结晶器液面波动的测量 试验采用中国水利 科学院开发的D J 8 D o 型水工采集处理系统测量结晶 器液面波动 三个点同时测量 M F C D 对称布置于水 口两侧 M F C D 位置与测点分布如图4 所示 在采集 时间范围内 统计出l 3 大波平均波高作为波高测量 值 每种情况都重复测量3 次取其平均值 2 流场显示 为了了解钢水在结晶器内的流动 轨迹 试验中在水口中部加入染色剂 墨水 使来流着 色 用摄像机记录下染色剂在结晶器模型内的扩散情 况 可以近似再现钢水在结晶器内的流动轨迹 2 试验结果及分析 2 1 结晶器流动控制装置对液面波动的影响 万方数据 4 8 钢铁钒钛2 0 1 1 年第3 2 卷 爹 雾 主 窆粝 Q 6 盆 f o n 7 一I 镯诳 a 1 水口 b 2 水口 图3 水口结构示意 F i 昏3 S E Ns 臼m c t u r ed i a g 网m 结晶 表面 图4 测点与M F C D 位置 F i g 4 A 瑚 I l g e m e n to fm e a s u r i n gp o i n t s 趾dM F C D 对各个拉速下的液面波动量取平均值 分析 M F c D 对不同水口条件下的液面波动的影响 如表 2 所示 由表2 可见M F C D 对液面波动的影响效果 与浸入式水口结构有很大关系 从表2 可以看出 1 号水口条件下 由于侧孔较 小且倾角向上 流股出水口后直接冲击液面 故液面 波动量较大 局部区域 2 测点 的波动量超过 3 衄 插入M F C D 后 大部分情况下的液面波动加 剧 尤其是位于水口与窄边中间的2 测点 M F C D 的位置对液面波动的影响较大 M F C D 在A 位置 时 窄边附近的1 测点位于M F C D 后侧 液面流动 被阻挡 液面扰动减小 故波动量减小 而2 测点位 于M F c D 内侧 流股冲击M F c D 后沿M F c D 上升进 而冲击液面 造成M F C D 内侧的扰动加剧 故波动 量增大 3 测点距M F C D 较远 受到的影响较小 波 动量基本不变 M F C D 位于B 位置时 各测点的波 动几乎都加剧 只是当M F C D 插入深度为较深 1 0 0 衄 时 M F C D 后侧的液面流动被阻挡 l 测点 的波动略有减小 M F C D 位于c 位置时 M F C D 内侧 的3 测点的波动量增大 加陀D 外侧的l 测点波动减 小 2 测点的波动在M F C D 插入5 0 栅时略有增加 插入1 0 0 咖时略有减小 M F C D 浸入深度对液面波 动有一定影响 但影响程度比M F C D 位置小得多 M F C D 插入深度由5 0 衄增加到1 0 0m m 时 l 2 测 点的波动量有所减小 3 测点的波动量有所增加 从表2 可以看出 2 号水口条件下 由于侧孔增 大且倾角向下 从水口流出的流股较分散 不会直接 冲击液面 而是流向窄边 分散成上下两个回旋区 因此液面较平稳 不加M F c D 时 液面波动量为l 一 2 衄 较为适中 M F C D 加入后 各测点的液面波动 均明显减小 大部分波动量在lr 砌以下 而且M F C D 的位置及插入深度对液面波动的影响不明显 表2M F C D 位置和深度对各测点液面波动的影响 J I 曲I e 2 歪疆酿o f M F C Dp o s i 伽na n dd e p 伍仰m o MI e V df l 眦t I I 硝伽 从以上分析可知 在低拉速连铸条件下 采用 倾角向上的l 浸入式水口时液面波动过大 而加 入M F c D 后 液面波动没有很好地得到抑制 大 多数情况下反而有所加剧 对连铸过程不利 采用 倾角向下的2 水口时液面波动较为适中 符合连 铸要求 而加入M F c D 后 液面波动明显减小 大部分都在l 衄以下 液面过于平静 对连铸过 程也不利 2 2 结晶器控流装置对流场的影响 M F C D 对不同水口条件下的结晶器显示流场的 影响如图5 6 所示 可见 在不同的水口条件下 M F c D 对流场的影响效果有显著不同 万方数据 第4 期 赵志刚等 立式板坯连铸机结晶器液面控流的物理模拟 4 9 水u 挡扳位于B 位霄 挡板插八深度1 0 0 m m 曲无M P c D 0 5s 彻无M F c D 1Os 如 无M p c D 2 m8 d 有 功 0 js e 有M F c D l ms 有瑚F 2 0s 图5M F c D 对结晶器流场的影响 1 水口 拉逮n5 5m m i F i 导5 脚 t0 f M F c Do n m o l dn 洲丘e l d S E N l c 眦h l g8 p e e d O 5 5 功 m 2 木n 挡板忙于B 付胃挡板捕人湃度l n o m m a 无M F c D 2 由B 咖无M F c D 4 Ds c 无M F c D 6 0s d 有M F 2 0s e 有M F c D 4 0s 有M F c D 矗0s 图6M F c D 对结晶器漉场的影响 2 水口 拉速0 5 5m m i F i 吕6 E 脑to f M F c D m o l d 洲丘e l d s E N2 c 舾石n gs p e e d0 5 5m m i n 从图5 可以看出 l 水口 无M F c D 的条件下 钢水出水口后斜向上冲击液面 到达液面的时间短 对液面扰动较大 因此液面波动较大 采用M F C D 后 钢水在冲击液面的过程中被M F c D 阻挡 一部 分钢水沿碉陀D 爬升进而冲击M F c D 内侧的液面 这会使得扰动更大 波动加剧 从图6 可以看出 2 水口 无加1 c D 的条件下 钢 水出水口后斜向下流向窄边 冲击窄边后分散成E 下 两个回流 上回流流向水口 下回流向下流向铸坯中 心 上回流到达液面的路径较长 强度较弱 因此液面 较平静 采用姗 D 后 钢水流出水口绕过m i D 冲 击窄边后形成E 下两个回流 上回流受到硼 D 的阻 挡 到达水口附近的高温钢水变少 将会导致水口附 近液面不活跃 温度低 对水口附近的化渣不利 旦曼 万方数据 5 0 钢铁钒钛2 0 1 1 年第3 2 卷 3 结论 1 M F C D 对结晶器流场的影响与浸入式水口 结构有关 l 水口条件下的流场形式有较大改变 液 面波动加剧 2 水口条件下的流场形式改变较小 液 面波动明显减小 2 l 水口条件下 M F C D 位置对液面波动影 参考文献 响较大 M F C D 浸入深度的影响较小 2 水口条件 下 M F C D 位置和浸入深度对液面波动的影响不 明显 3 在低拉速条件下 M F C D 不能较好地控制液 面波动 使得液面波动过大或过小 不建议在连铸过 程中使用 1 D 趴gA i 目坩 R 衄z i p i I l g c h 明Y 1 l a n q i I l g P h y s i c a ls i m u k 晡伽a n d 眦B l y 8 i 8o f n o w6 e l d0 f t h e8 l a bm o 埘J h s t e e lV 姗 d i 唧T i t a I l i 啪 2 0 1 0 3 l 4 8 0 一8 4 党爱国 任子平 陈远清 板坯结晶器内流场的物理模拟及分析 J 钢铁钒钛 2 0 1 0 3 l 4 8 0 一8 4 2 P 锄x i l l l 锄 F e I l gs h i c h a o w a I I gY 彻h o I l g R e c tp D o g 嘲80 f8 t l 曲髓锄dc t m lt e c h n o l o g i 0 f 妣l 岫i 0 咀i I Im o l t 曲s 钯州J W o r l dh 哪 S t e e l 2 0 1 0 4 2 9 3 4 潘秀兰 冯士超 王艳红 钢水夹杂物研究与控制技术的最新进展 J 世界钢铁 2 0 1 0 4 2 9 3 4 3 z h z h i g a I l g H ul a i c h e nY 讪n q i I l g P h y 8 i c a lm o d e l i I I g8 t u d y t h ek v e ln u c t I l 出 i I Id 把m o l d0 fv e 血a l8 h b 瓶n u 咄c a 船 J S p e c i a ls 砌 2 0 1 1 3 2 3 1 2 1 4 赵志刚 胡坤太 陈远清 立式板坯连铸机结晶器内液面波动的物理模拟 J 特殊钢 2 0 1 1 3 2 3 1 2 一1 4 编辑余文华 上接第1 5 页 参考文献 1 H 叫唱S h 眦h 岫 P 蚰J i n g y e z h 跚g R g l u P i l o tn 哦0 f c 蜘船d 0 f t h en d 咖b l a s t 缸瑚c eT i 0 2 8 h g 砒P a d 曲阻i 啪a n d s t e e l 锄p 眦y J I r o nS 钯e lV 觚a d i 唧啊t a I l i 唧 1 9 9 4 1 5 2 1 7 2 1 黄守华 潘竞业 张荣禄 攀钢高炉渣熔融还原碳化T i 0 2 半工业试验研究 J 钢铁钒钛 1 9 9 4 1 5 2 1 7 2 1 2 w 锄gx i c I i 略V 蚰a d i 衄d t a l l i 岫m a g n e 幽b l a 8 tf h I I m e8 脱h M B e i j i I l g M e t a l l u r g yI I I d u 8 仃yP 瞄8 1 9 9 4 2 7 7 3 1 6 王喜庆 钒钛磁铁矿高炉冶炼 M 北京 冶金工业出版社 1 9 9 4 2 7 7 3 1 6 3 Y eD l 吼 H uJ i 丑I I l l l 皿 n e 妒扯矗c a lt l l n o d y l l 锄i c sd a t ab k0 fi n o 强l I I i c8 u b s 乜眦鹄 2 n de d M B e i j i I I g M e t 8 l l u r g i c a l I l l l 岫 8 2 0 0 2 2 0 5 1 9 1 2 叶大伦 胡建华 实用无机物热力学数据手册 第二版