单流板坯连铸中间罐水力学模拟试验研究

'第十二届全国炼钢学术会议论文右单I1板坯连铸中间罐水力学模拟试验研究李刚李玉刚王雨李增霞(重庆大学材料科学与工程学院)(重庆钢铁设计研究院)摘要本文报导了单流板坯连铸中间罐内流体流动状态的水力学模拟试验研究，其试验结果表明:在该中间罐内设置适当的控流装置形式对改善中间罐内流体的流动模式是可行的，流体在中间罐内的最短停留时间和实际的平均停留时间均得到较大幅度的提高;夹杂物排除率得到改善。关键词连铸乞中间罐水馋HydraulicSimulationforaSingleStrandTundishLiGangLiYugangWangYu(ChonggingUniversity)LiZengxia(ChonggingIronandSteelDesignInstitute)ABSTRACTFlowpaternoffluidinsinglestrandslabtundishhasbeenstudiedinthispaperthroughhydraulicimitationmethod.Theresultsshowitisfeasibletoinstalldevicessuchasweiranddaminthetundish,whichcanimproveflowstateoffluid.Bymeansofthesedevices,theminimumresidencetimeandrealaverageresidencetimecanbeincreasedatlargescaleandremovalrateofinclusioncanberaisedaswellKEYWORDSContinuouscastingTundishHydraulicmodel1前言随着连铸技术的不断发展和优化，对连铸坯及轧材的质量要求也越来越高，而影响连铸坯及轧材质量的主要因素之一就是非金属夹杂物。大量的研究表明，连铸坯中大型夹杂物主要来源于中间罐。因此，在中间罐内如何采取有效措施控制非金属夹杂物，使其不随钢流进入结晶器是一个重要问题。这对于合金钢连铸尤为重要。为了在中间罐内创造一个良好的使夹杂物上浮而不随注流进入结晶器的条件，需要钢液在中间罐内有合理的流动模式和足够的停留时间让夹杂物上浮至中间罐液面而被中间罐理盖剂吸收溶解，而简便实用的方法是通过在中间罐内设置适当形式的控流装置来实现。试验以某厂单流板坯连铸中间罐的内腔尺寸为依据，在此基础上建立了模拟试验研究装置，并根据该中间罐通钢量进行水模试验的研究。2研究方法及试验装it2.1试验研究方法评价一个中间罐的优劣，一般从中间罐内钢水流动模式、钢中夹杂物上浮率、中间罐保温及钢水散热等方面来考虑。其中，中间罐内钢水的流动对包内钢液温度分布和夹杂的上浮有着重要的影响。本试验拟在所建立的水模试验装置基础上，基于相似原理，应用冶金反应工程中的“刺激一响应”试验法来研究中间罐内的流动状态，据此分析不同条件下的流动模式及其合理性:通过在中间罐水口出口处捕集以阶跃方式加入中间罐内的模拟粒子数量来评价中间罐促进夹杂物上浮的能力。2.2试验装置按模型:实物=1:3的几何比例，用透明有机玻璃制作试验模型。试验装置如图1所示。 第十二届全国炼钢学术会议论文1.大包2.长水口3.中间罐4.塞棒5.DJS-11A电导率仪6.数据采集记录仪7.结晶器8.水箱9.水泵10.转子流量计图1试验装置示意图大包水口围2挡抽安装位里图2.3试验研究方案在试验研究中，考虑到与生产实际相结合，在对中间罐控流装置的设计和结构优化时，遵循结构简单易安装操作的原则，因此，试验仍选取常规的高、矮墙组合形式作为主要的控流装置进行研究。模拟试验时，选取中间罐液面高度恒定，挡墙在中间罐内的放置形式以A-B-h-H表示，具体意义见图2和表la表1挡墙在中间峨内的放里形式序号挡墙形式(A-B-h-H)序号挡墙形式(A-B-h-H)序号挡墙形式((A泊-h葫)1-..........曰口.，...口....如...2无挡墙345650-600-150-210650-600-150-240650-600-150-27067650-750-150-210650-750-150-240650-750-150-27089101650-900-150-210650-900-150-240650-900-150-270片1314800-600-150-210800-600-150-240800-600-150-270151617800-750-150-210800-750-150-240800-750-150-270比1920800-900-150-210800-900-150-240800-900-150-270212950-600-150-210950-600-150-240950-600-150-270幻2425肠950-750-150-210950-750-150-240950-750-150-270邵韶950-900-150-210950-900-150-240950-900-150-2703试验结果与讨论3.1中间罐挡墙形式的确定由于该中间罐容量较大，熔池较深，当在中间罐内设置高、矮墙组合形式的控流装置时，随着高墙下沿开口度的增加，由高墙下沿导出的钢水流速将降低，这对夹杂物的上浮排除有利。但是，随着高墙下沿开口度的增加，矮墙的高度也将随之增加，而过高的矮墙高度将使中间罐内的残钢量增加，降低钢水的收得率，增加中间罐清理难度。因此，认为高墙下沿开口度不宜过高。试验选取了高墙下沿距中间罐底的距离为150,180和210mm;矮墙高度为210,240,270mm进行试验。3.2中间罐控流装1的优化评测对所设计的中间罐在无控流装置和增设控流装置的条件下，进行流动模式的测试，其试验结果见表20有控流装置和无控流装置时的C曲线见图3,由表2可知，在相同的通钢量条件下，中间罐内有无控流装置，以及控流装置的安装位置和形式对中间罐内流体的流动状态有影响。在无控流装置时，其流体在中间罐内的最短停留时间(丫，)与实际的平均 第十二届全国炼钢学术会议论文停留时间(:，)均较短，对夹杂物的上浮不利，且死区较大，中间罐有效利用率降低，包内钢液温度和成份的均匀性差。由于大包注流的冲击，当无控流装置时，在中间罐内引起较明显的底部流及环流，中间罐液面波动较大。由于存在底部流，使得大包注流带入的高温钢液在中间罐内停留时间短，未与中间罐内的钢液充分进行热交换就进入到结晶器，流体在其内的流动不能形成良好的循环流动，因此存在较大的死区。由于死区较大，又相应的减小了中间罐的有效容积，使得流体在中间罐内的停留时间缩短，不利于钢液中夹杂物的上浮，不利于稳定连铸工艺和提高铸坯质量。表2钢流在中间罐内的流动模式_流2.8t/min3.Ot/min3.2t加in量-序玩TIPV.DvDv.二Dv.DV，DV.场T’Dv.Dv秒秒%%秒t￡%%%秒秒%%月%秒DV,2842159437265943717376603739528348l60132781621325804736714拍386495能1325”4686112277647867131845248268l4184874gl6113268563l4238447912237245l651223576506412247465474784786913186804986412247865l327845064132380483弱132179465防l42048664526512邪868455910316601l294404864l3幻97449l631267364122473498631225747468l220巧4756813玛10784951226?0456122二巧48631267262127548l621灯754606112277445965l32145513274863132313794896212肠7965487436412跳147448963126706212770454461671321巧80486212肠7565122373476468671220167548l能二277465122372177047611l邓6947762n2764565l2445145612韶1872486邸l267262l226711974s7能l226754566912l97046267122150447369l219207248162l27706312257046612187549171131621815l967l221花705092805l61227867l3207649872131549746267122123724965124儿邸1225704642478496412247668片2076486701317494258252867132080681319749071l316499267647以n2873肠12237246768l22047727祀4863l267168抢207047870l21849670跄衬5064l2247671320扭481l317498表2中的序号同表1中的序号具有对应关系.注’;:表中?，表示流体的最短停留时间(秒);T，表示流体的实际平均停留时间(秒):DV,表示混合流所占体积比例(%)Dv,表示活塞流所占体积比例(%);DV,表示死区所占体积比例(%).so}:黑箕Y}Z}绷蘸嗜J蘸395.37x%rm19%wwr,(5)s1(s)DV.图3有控流装置和无控流装置时6曲线图图4有控流装置和无控流装盆流动a式图(全3.09min控流装置形式:950-750-150-270:〔9-3.0t/min控流装置形式:950.750-150-270)369 第十二届全国炼钢学术会议论文当在中间罐内设置了控流装置后，流体在中间罐内的流动状态得到了改善，消除了底部流，中间罐内液体的搅动控制在大包注流区，其流体在中间罐内的最短停留时间(:。)与实际的平均停留时间(T")均得到较大幅度的增加，提高-份的均匀性得至。改善，这对于稳定连铸工艺和提高铸坯质量都是有利的，并且死区较刁、，中间罐有轰利用率有较大提高。有无控流装置的流动模式如图4所示。通过示踪剂显示，有无控流装置时该中间罐内的死区位置如图5所示。(a)无控流装置“ro)有控流装置图5死区位置图(图中阴影部分为死区〕根据表2可以看出，当A=950mm,B=600-900mm,h=150mm,H=210^-270mm时中间罐内的流动模式较好。而当A=950mm,B=750mm,h=150mm,H=270mm时，钢流在中间罐内的流动状态较其它位置更好，停留时间较长，死区较小.为了进一步确定挡墙的形式和安装位置，在通钢量为3.Ot/min条件下又进行了以下试验。试验方案及试验结果见表3和4.表3挡墙在中间潇内的放价形式序号挡墙形式(A-B-h-H)序号挡墙形式(A-B-h-H)序号挡墙形式(A-B-h-H)，Oqnn1户J950-750-150-270曰950-750-150-300j1950-750-150-330n，q几JJq)︼950-750-180-270曰950-750-180-300J任950-750-180-330，户叮曲几月JaJO，了950-750-210-270950-750-210-300J950-750-210-330心卜NnQ﹂J1100-750-150-270工1250-750-150-270表4钢流在中间雄内的流动模式序号"(S)9,(S)DV.(%)DV,(%)DV.(%)，On八划49O卜匕卜13，0﹄JnJO工︸。nUn几n48户0几0j台13八q︺U乙乙内0，.八曰n480冉D︸b13乃，甘‘人‘dq月了‘460月0d12q4妇J︸几﹄，q，门147n几b通12几dJ曰卫︸‘山‘，d内产门146咋比D，120比d占1J‘d马‘﹃了八471.卜n‘12nA口J‘L乙‘马6月了山口45n乙︸匕，12n月‘J人乙内j冲1川了n巴45OJ~b1几招乃︸匕‘九J0叮049OlD叶了13丹n曰中.叶甘乙，JOJ门了召目490扣08犯n‘月U.由表3和4可知，当A-B-h恒定，矮墙高度(H)由270。增加到300mm或330二时，实际的平均停留时间有所减少，死区增加，表明增加矮墙高度不适宜。这是因为随着矮墙高度的增加，由高墙底部导出的钢流翻越的高度增加，钢流与矮墙右侧附近的钢液混合程度降低，导致死区增加，停留时间缩短。同时，过高的矮墙高度将使翻越矮墙的钢流在上升过程中穿过钢液面，导致中间罐液面翻动，甚至卷渣，因此，合理的矮墙高度应是钢流在翻越过程中刚好到达液面，同液面的钢水进行良好的热交换，而不导致液面翻动。由于该中间罐体积较大，熔池较深，当高墙底部开口高度由150mm增加到180或210mm时，由高墙底部导出的钢流出口速度下降，动能减弱，导致混合程度降低，死区增加，停留时间减少。因此，可以认为:高墙底部开口高度以不超过180mm为宜。当高墙距大包注流落点的距离由950mm增加到1100mm或1250.时，中间罐内的流动模式基本一致，表明在B=750mm,h=150mm,H=270mm，通钢量为2.99t/min条件下，适当增加高墙距大包注流落点的距 第十二届全国炼钢学术会议论文离对中间罐内的流动状态没有明显影响。考虑到矮墙距中间罐水口的距离，认为高墙距大包注流落点的距离以不超过1000mm为宜。3.3中间罐结构对夹杂上浮的影响在对该中间罐进行了有无控流装置对流动状态的影响的试验后，在通钢量为3.Ot/min条件下，选取了无控流装置和控流装置形式为650-750-150-270,950-750-150-270,950-750-150-330以及950-750-180-27。五组进行了排除夹杂物能力的试验，试验结果见表5.表5不同条件下的夹杂物(3100um)上浮率挡墙组合形式夹杂上浮率(%)86无挡墙90650-750一150-27092950-750-150-27092950-750-150-33090950-750-180-270由表5可知，该中间罐排除夹杂物的能力较强。由于该中间罐熔池较深，且大包注流落点距中间罐水口较远，因此，即使在无挡墙的情况下，模拟试验得出大于100um的夹杂物其上浮率也较高。但当安装了挡墙后，夹杂物上浮率得到了进一步提高。4结论(I)在无控流装置情况下，该中间罐内流体的最短停留时间和实际的平均停留时间均较短，且存在底部流，中间罐内流体流团的温度和成分的均匀性差，死区较大。(2)在设置了控流装置情况下，该中间罐内流体的最短停留时间和实际的平均停留时间均得到较大幅度的提高，且消除了底部流，活塞流和混合流的比例提高，死区减小。(3)在该中间罐内设置高矮墙组合形式的控流装置是适宜的，可行的，中间罐有效利用率得到明显提高，夹杂物上浮率得到改善。(4)在所设计的37组高矮墙组合形式的控流装置中，适宜该中间罐通钢量2.8^-3.2t/min范围的高矮墙组合形式为950-750-150-270，其流体在中间罐内的停留时间较长，夹杂上浮率较高。参考文献ISatishC.KORIAandScarbjitSINGH.PhysicalModelingoftheEfectsoftheFlowModifierontheDynamicsofMoltenSteelFlowinginaTundish.ISIJInternational.1994.Vol.34(10):784-7892J.PalafoxRamos,J.Barreto,S.LopezRamirez,andR.D.Morales:Meltflowoptimisationusingturbulenceinhibiorsinlargevolumetundishes.IronmakingandSteelmaking,2001.Vol.28(2):101-109'