连铸中间包控流方案优化研究

连铸中间包控流方案优化研究

0控流元件设置参数的设置随着钢材质量要求的提高，连珠中间包的冶金作用变得越来越明显。同时,作为一个典型的非等温反应器,中间包的非等温过程也受到高度重视。对于多流中间包,合理的控流装置能有效延长钢水的平均停留时间,减小各流出口钢水的温度和停留时间差异,对改善中间包内的流场和温度场起着至关重要的作用。因此,寻找合理的中间包控流元件的设置参数,对多流连铸中间包来说具有特别重要的意义。本项目针对攀钢新建的四机四流大方坯连铸中间包,通过水力学物理模拟,优化出合理的中间包内控流装置,以达到连铸工艺顺利进行和提高铸坯洁净度的目的。1实验计划1.1中间包温度对温度的影响根据相似原理,在(Fr)p=(Fr)m(其中下标“p”表示原型,“m”表示模型)和几何相似的情况下建立1∶4缩小中间包物理模型,模型用有机玻璃制成,侧壁向外倾斜10°,实验装置如图1所示。非等温过程中,浮力作用不可忽略,还须考虑中间包准数(Zb)p=(Zb)m。通常情况下,大包注流温度与中间包内钢液最低温度之差的范围是15～25K,取膨胀系数βp=1.16×10-4K-1,βm=2.179×10-4K-1。实验中取温差上限25K。设长度相似比λ=lm/lp=0.25,则可以得到以下关系:速度:um=λ0.5up=0.5up(1)体积流量:Qm=λ1.5Qp=0.03125Qp(2)流体温度差∶ΔΤm=βpβmΔΤp=0.42ΔΤp(3)由此计算得到模型与原型的对应参数如表1所示。流体温度差∶ΔTm=βpβmΔTp=0.42ΔTp(3)由此计算得到模型与原型的对应参数如表1所示。1.2平均停留时间的确定停留时间的测定采用“刺激—响应”方法,用饱和食盐水作示踪剂,在中间包入口处脉冲加入,在出口处采集水的电导率,计算得到食盐浓度—时间曲线(C曲线),根据冶金反应工程学理论,转化得到停留时间分布曲线(即RTD曲线),进而分析流体流动模式,分析方法采用文献所阐述的全流量模型。考虑到四流中间包的对称性,只采集了1、2流的食盐浓度响应信号。数据采集时间为中间包内流体理论平均停留时间的2倍。为考察流场分布的均匀性,还须计算各流平均停留时间的标准差。换包后的浇注过程中,各炉钢水有一定的温度差,中间包内钢水存在自然对流现象。为了考察此过程中各流出口的温度特征,实验中采用正温差的方式,将入口水温提高,在出口用热电偶-巡检仪系统采集温度信号,得到温度响应曲线。同样考虑到对称性,只采集了3、4流。通过计算各流温度的平均值、相邻两流间温差最大值及温差平均值来优化处理,计算公式如下:i流温度变化量的平均值:ΔTi=Ti-T0=nΣj=1(Τi‚j-Τ0)n(4)=Σj=1n(Ti‚j−T0)n(4)i流与i+1流的最大温差:(ΔTi,i+1)max=|Ti+1,j-Ti,j|max(5)i流与i+1流的平均温差:|ΔTi,i+1|=nΣj=1|Τi+1,j-Τi‚j|n(6)=Σj=1n|Ti+1,j−Ti‚j|n(6)其中i为中间包出口流数编号,T0为初始水温,j为采集次数,n为总采集次数,j=1,2,…,n。设置和优化控流装置须遵循以下原则:(1)延长各流平均停留时间和整体平均停留时间,减小死区体积分数,增加活塞流体积分数,增加活塞流与死区体积比,减小各流平均停留时间的标准差。(2)增加各流温度变化量的平均值,减小相邻两流的最大温差和平均温差。1.3“v墙+坝”的正交设计本试验共设计了两种控流装置方案:“V墙+坝”(图2)和“湍流器+坝”(图3)。对于“V墙+坝”,在两块V墙上均开3个孔来控制流股,根据孔的位置、直径、偏角以及坝高的不同进行四因素三水平的正交设计。对于“湍流器+坝”,根据湍流器的半径、高度、顶缘长度以及坝高的不同也进行了四因素三水平的正交设计。2方案对比结果对“V墙+坝”的1#～9#方案的实验结果进行分析,结果表明1#方案的效果最好;同样对“湍流器+坝”的1#～9#方案的实验结果进行分析,结果也是1#方案的效果最好。现对空况、“V墙+坝”1#方案和“湍流器+坝”1#方案的实验结果进行分析比较。2.1多流场分布均匀,流场分布不均匀,流场分布不均匀,流场分布不均匀,流场分布不均匀,流场分布均匀,比连铸法工艺优势图4～6是不同控流装置的浓度响应曲线,表4给出了不同控流装置的停留时间和流动模式分析结果。可以看出,在无控流装置时,浓度响应曲线出现明显的尖峰,在中间包内存在严重的底部击穿流,死区较大,夹杂物来不及上浮,各流平均时间标准差较大,流场分布不均匀,不利于稳定连铸工艺和提高铸坯质量。使用“V墙+坝”1#方案时,底部击穿流消失,钢液在中间包内的平均停留时间明显延长,死区明显减小,活塞流区域增大,使得夹杂物上浮几率增加,中间包的有效容积得到充分利用,各流平均时间标准差较小,流场分布均匀。使用“湍流器+坝”1#方案时,浓度峰值明显减小,各流的响应时间和平均停留时间都有所延长,但依然存在尖峰,有短路流现象,死区较大,而且曲线出现多峰,有较强烈的回流产生,各流平均时间标准差很大,流场分布不均匀。2.2有控流装置的情况表2各流温度波动随时间的变化特征为图7～9是不同控流装置的温度响应曲线。表5是不同控流装置时的温度处理结果(表中,(ΔT3,4)max表示3流和4流间的最大温差,ΔT3,4表示3流和4流间的温差平均值,T3-T0、T4-T0分别表示加入热水后3流、4流温度变化的平均值)。可以看出,在无控流装置的情况下,近流温度波动较大,相邻两流平均温差较大,说明中间包内流动模式复杂,温度分布不均匀。使用“V墙+坝”1#方案时,各流温度变化量平均值较大,表明温度上升快,达到一致的时间短;近流的温度波动没有空况下那么强烈,随着时间的推移,各流温度很快达到一致,温度波动逐渐消失,平均温差较小,温度分布较均衡。使用“湍流器+坝”1#方案时,各流温度达到一致的时间较短,平均温差小,分布较均衡,但是近流温度波动很强烈,最大温差大,而且波动并没有随时间的推移而消失。从图7～9还可以看出,在非等温条件下,远流比近流先发生响应,说明高温钢水先到达远流,后到达近流,这与等温下的情况相反。这主要是因为高温钢水的密度小,在浮力的作用下沿着液面流动,很快就可到达远流。3控流装置方案特点通过对攀钢四流大方坯连铸中间包的水力学物理模拟实验,可以得出以下结论:(1)在不加任何控流装置时,攀钢四流大方