连铸中间包底吹气过程水模型实验研究

1、连铸中间包底吹气过程水模型实验研究0703102128冶金07-1李欣雨摘要：以宝钢集团梅山钢厂1台连铸中间包为原型，采用自行设计的吹气装置于底部吹气，用水模型的方法研究了吹气对中间包过程的影响。实验结果表明，底部吹气显著地改变了中间包内的流体流动特征；当不吹气时，通过上挡板下部的液流以层流形式贴近中间包的底鄙流动，然后从出口直接流出，在中间包的停留时间较短，死区体积较大，不利于夹杂物的去除；吹气以后，上升的气流起到了气幕挡墙的作用，通过上挡板下部的液流，被上升的气流抬起，贴近液面流动；吹气有利于增加平均停留时间，缩小中间包的死区体积，此外，上升的气流对中间包的液流具有一定的清洗作用，有利于夹

2、杂物的去除；吹气用于中问包去夹杂过程，不需要较大气体流量。在气体流量相同时，在水模型实验装置中3个位置吹气对中间包的平均停留时间、中间包的死区体积分数、最短平均停留时间的影响大致相同，但总体上，中间位置的吹气效果要好于其他2个位置的吹气效果。关键词：水模型；中间包；连铸；夹杂物去除钢中夹杂物的体积和数量对钢产品的质量产生不利的影响。在炼钢生产过程中，去除夹杂物的方法有很多种，其中，气体喷吹主要用于二次炼钢过程中夹杂物的去除，如钢包吹氩、RH真空脱气等n 。目前，中间包过程去夹杂主要采用加大中间包的有效容积、设置挡板、使用过滤器等方式，通过改变钢流在中间包中的流动形式，延长平均停留时间，使夹杂物

3、充分上浮等方法来达到去除的目的5 。但使用挡板及过滤器等方法去夹杂的一个主要缺点是挡板和过滤器本身就容易被腐蚀，进而污染钢液，产生夹杂 。在中间包生产过程中，吹气主要用于使用在线加热技术的场合。目前，人们对吹气对于中间包内夹杂物传输行为的影响研究较少。2002年底，梅山钢铁公司提出对其1号中间包进行改造，决定采用中间包底部吹气的方法来优化该中间包的结构，以提高钢铁产品纯净度，促进连铸生产。在此，作者以该中间包为对象，采用水模型的方法研究了吹气对中间包冶金过程尤其是对夹杂物传输行为的影响。实验基本原理与方法11 水模型原理水模型是根据相似理论来研究物理现象的一种方法。根据相似理论，若物理现象满足

4、相似第二定律，则由模型得到的规律可以推广到原型中。在研究中间包时，一般采用几何相似和动力相似的方法。几何相似就是要保证模型与原型中各对的长度比为一常数，对应几何角度相等。考虑到紊流条件下中间包内钢水流动雷诺数的自模化特性，在设计模型时，保证中间包原型和模型之间的弗鲁德数相等就基本保证了它们之间的动力相似12 吹气方案设计由于目前人们对吹气对于中间包内夹杂物传输行为的影响的研究较少，实验吹气量的确定无可靠资料可以借鉴，根据有关理论，底吹气应以产生可能小的气泡为宜。根据微浮选动力学理论【1 ，在气体流量相同时，气泡越小，气液的比表面积越大，越有利于疏液微粒粘附于气泡而上浮去除。从动力学角度看，颗粒

5、越小，在相同的吹气流量下，会产生更大的推动力，有利于气幕的形成，形成的气幕将起到挡墙的作用，夹杂物容易被气幕挡墙推上渣面而去除。为不使中间包内出现卷渣现象和温度较大幅度的降低，应使用较小的气体流量，并要求气泡足够小，以形成足够的推力，形成气幕挡墙。此外，在使用较小气体流量时，为使吹气装置均匀出气，必须使用小气孔，以增大气体的过孔阻力。根据以上分析，研究了多种吹气方案，并对各吹气方案进行了通气实测比较，最后确定吹气过程采用一个气盒来实现。实测结果表明，使用所设计的气盒进行吹气，能形成稳定而又细小的气泡。根据钢包吹氩的生产实践及所设计的吹气装置，确定实验吹气流量分别为20，50，80，110和14

6、0 Lh。实践表明，在该条件下能产生非常均匀和稳定的气泡；而且在最大气体流量下不会出现卷渣现象。经过观测气泡直径约为3 mm。13 实验方法水模型实验装置如图1所示。在实验时，将水首先注入钢包，通过球形阀进入中间包，水分2股，分别通过两侧上挡板的下部，经由中间包两侧的出口，通过流量计及球形阀流出。水流量通过两侧的流量计进行计量和控制，两侧流量应保持一致。停留时间是中间包的一个重要的物理特性参数。一般认为，在相同条件下，停留时间越长，中间包中的夹杂物有充分时间被去除。在中间包中，底吹气对流场产生显著影响，因而对停留时间也将产生影响。图2所示为单侧水流量为128 m。h(相当于12 mmin的拉坯

7、速度)时3个吹气位置的停留时间曲线(浓度曲线)。可以看出，在不吹气的情况下，中间包停留时间曲线峰值较高。而吹气以后，峰值显著下降。23 气体流量和吹气位置对中间包死区体积分数的影响死区体积分数越大，意味着中间包参与除杂物的有效容积越小，导致中间包的实际平均停留时间缩短，夹杂物没有充分时间上浮，对夹杂物去除不利。死区内，传质和换热情况较差，严重时，产生钢液凝固，不利于顺利进行生产。24 吹气位置和气体流对示踪剂最短停留时间的影响除在吹气位置 上，吹气气体流量对中间包最短停留时间没有多大影响以外，在吹气位置B_和 上，随着气体流量的不断增大最短停留时间适度增长，但不显著 在不吹气时(即气体流量为0

8、时)，最短停留时间为l6 S采用位置B。进行吹气，当气体流量为140 Lh时，中间包的最短停留时间为23 s。因此，认为吹气会搅动液流，从而使液流循环速度加快，使最短停留时间缩短的观点是不正确的。也就是说，吹气使液流速度加快，但不一定引起最短时间缩短，反而有可能延长最短3 结论a使用自行设计的底吹气装置，能形成均匀、稳定而又细小的气泡。b在不吹气的情况下，中间包平均停留时间较短，中间包内死区体积较大。吹气能显著增加中间包的平均停留时间，缩小中间包的死区体积分数，有利于夹杂物的去除。但随着气量增大，死区体积分数变化幅度不大。吹气用于中间包去夹杂过程，并不一定需要大气体流量。c在同等气量的情况下，

9、3个位置吹气对中间包的平均停留时间、中间包的死区体积分数、最短平均停留时间的影响趋势相同。通过比较，处于中间的置B 的吹气效果要优于位置B 和B。的吹气效果。d底部吹气能显著改变中间包内液流的运动规律。当不吹气时，通过上挡板下部的液流以层流形式贴近中间包的底部流动，直接从出口流出，不利于夹杂物的排除。当吹气时，通过上挡板下部的液体被上升的气流抬起，贴近液面流动，有利于夹杂物的去除。底吹气形成的气泡柱起到了气幕挡墙的作用，气幕档墙的形成对通过该挡墙的液流有一定的清洗作用，有利于夹杂的去除。参考文献：1 朱苗勇，萧泽强钢的精炼过程数学物理模拟EM北京：冶金工业出版社，1998ZHU Miao-yo

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