十二流小方坯中間包優化及冶金效果

郝 忠

(宣化鋼鐵集團有限責任公司)

十二流小方坯中間包優化及冶金效果

郝 忠

(宣化鋼鐵集團有限責任公司)

利用數值模擬對宣鋼十二機十二流連鑄機中間包的三維流場、濃度場和溫度場進行研究，優化出了最佳控流裝置。應用結果顯示，采用優化結構后的中間包，流場明顯改善，各流的流動特性趨于一致，高溫鋼液對第6流塞棒的沖擊減輕，各流最大溫差由優化前的10 K降低為優化后的4 K。且連澆時間由優化前的20 h延長到26 h。

十二流小方坯 中間包 結構優化 數值模擬

0 前言

中間包冶金最重要的兩個功能是去除夾雜和調整溫度，中間包內流體的流動特性對其內非金屬夾雜物的上浮及均勻鋼水溫度起著至關重要的作用，合理的控流裝置是得到理想流動特性的關鍵保證。目前對于多流中間包特別存在兩個主要問題，第一，流場不合理。各流的停留時間相差較大，造成夾雜物不能有效的去除;第二，各流的鋼液溫度相差較大。距離注流區越遠，溫降越厲害，造成澆鑄過程出現問題，特別對狹長的六流及以上一體式中間包尤為突出［1－2］。宣鋼原有十二機十二流方坯鑄機中間包在澆注過程中高溫鋼液對第六流塞棒底部沖刷比較厲害，耐材侵蝕嚴重，各流之間的溫差相差較大，且連澆時間短，嚴重影響了生產。經分析，發現原因主要是中間包內控流裝置的設計存在一定的問題導致鋼液流場不合理和溫度分布不均勻所致。針對存在的問題，采用數值模擬對中間包內鋼液的流動和傳熱特征進行了系統的研究，確定適合該中間包的最佳控流裝置。

1 數學模型

1.1 基本假設

中間包內鋼液的流動，可視為粘性不可壓縮流體穩態流動，主要受粘滯力、重力和慣性力的作用，為保證實型與模型的運動相似，需要采用雷諾數、弗魯德數同時相等。

1)中間包內鋼液為單相湍流流動;

2)中間包內鋼液流動穩定，且不可壓縮;

3)忽略渣層對鋼液流動的影響，鋼液面視為自由滑移邊界;

4)鋼液的密度、粘度、比熱容等熱物理性質參量為常數;

5)中間包是一個三維穩態過程;

6)示蹤劑的傳輸是一個瞬態過程。當粒子到出口處時視為已逃逸出中間包，到達固體壁面后碰撞壁面并反射回中間包。

1.2 幾何模型的建立

利用商業軟件ANSYS－ICEM根據幾何平面圖生成三維立體幾何模型，流體計算使用商業軟件ANSYS－FLUENT。由于十二機十二流鑄機在澆注過程中有兩個中包，兩個中包分別為六機六流，對稱分布。故在計算模擬過程中只考慮一個中包，計算只取其一。圖1為原中間包和最終優化的中間包的幾何平面圖，圖2為原中間包和最終優化的中間包的三維幾何圖。圖中從左向右依次為第1流、第2流、第3流、第4流、第5流和第6流。

圖1 中間包幾何平面圖

圖2 中間包三維幾何圖

鋼水在中間包內流動的微分方程和鋼水溫度在中間包變化的微分方程如下［3］:

連續性方程:

動量方程:

湍流模型:

k方程:

ε方程:

能量方程:

xi、xj——以張量表示的方向;

Ui、Uj——流場時均速度;H——焓

ρ——鋼液密度;; μ——動力學黏度;

μi、μeff——為湍流黏度系數和有效黏度系數;

β——體膨系數;keff——有效傳熱系數;

T——鋼液溫度;G——重力加速度:

k、ε——為流體湍動能和湍動能耗散率;

G——湍動能產生率;Cp——比熱容;

C1、C2、Cd、бε——經驗常數;P——壓力。

目前廣泛采用Launder等的推薦值，取為C1=1.44，C2=1.92，Cd=0.09，бk=1.00，бε=1.30。

計算的鋼液的物性參數確定如下:鋼液密度為6900 kg/m3，鋼液分子粘度為0.00625 kg/m－s，比熱為750 J/kg－K，熱傳導系數為41 W/m－K，熱膨脹系數為0.0001 K－1。進口流速度根據斷面和拉速確定，進口內徑70mm，對于150mm×150mm方坯，在拉速2.8 m/min的條件下進口流速為1.637 m/s;

1.3 邊界條件

在模擬鋼水流動時:經大包長水口的流體，其入流速度垂直于中間包液面:在固體壁面上，采用不滑動的邊界條件，在近壁區，采用壁函數對速度和湍流特性參數進行修正。壁面上示蹤劑通量為零，示蹤劑傳輸行為計算時通量設為零，示蹤劑總量為1。

在模擬溫度場時，假設大包鋼水以恒溫(1853 K)注入到中間包內，在中間包壁的傳熱和表面頂渣的熱輻射視為穩態，通過包壁和表面渣層的熱通量采用Chakrabor和Sahai的推薦值，即中間包縱向包壁、橫向包壁、底面及表面渣層的熱損失分別3.2、3.8、1.4 和15 kJ/(m2.s)。

1.4 模擬計算

利用上述的數學模型，考慮到導流孔孔徑、仰角、水平偏角及導流孔的位置等五個因素的變化，共設計9組實驗方案，其中水平偏角指偏向塞棒的夾角。根據設計的控流裝置實驗方案，對其進行流場、傳熱及示蹤劑的傳輸狀態進行模擬計算研究，并根據模擬計算結果確定最優方案。

當拉速為2.8 m/min，工作液面為800mm及長水口插入深度為200mm時，首先對原中間包進行數值模擬，其次，在入流區，原緩沖器靠近塞棒的一側加上一塊擋墻，并在其上開導流孔，擋墻高為900mm。首先設計了兩組優化方案(方案1與方案2)，其中方案1與方案2導流孔距包底640mm，方案1中兩個導流孔對稱分布，方案2有一個導流孔，孔徑分別為120mm和200mm，水平偏角和豎直仰角都分別為0°和15°;考慮到工作液面達不到正常澆注液面，工作液面為700mm時，優化設計6組實驗方案(方案4～方案9)，其中孔中心距包底550mm，水平方向孔的中心在擋墻的中心線上，水平偏角分別為0°、10°和15°，仰角分別為5°、10°和15°，共對9組實驗方案進行數值模擬優化計算。

2 結果分析與討論

實驗共計10組方案，筆者僅對原中間包以及最優方案(方案6)的中間包截取截面進行分析。

2.1 流場及流動特征

對于原中間包以及最優方案(典型方案6)兩方案截取典型的截面進行分析，原中間包方案中鋼液流動的速度云圖和流線圖如圖3所示，最優方案中鋼液流動的流速矢量圖和流線圖如圖4所示。

圖3 原中間包的流場

圖4 典型方案6的中間包流場

由圖3可以看出，對于原中間包，當鋼液從注流區流出進入分配區，由于擋板的提升作用，在擋板的右側，一部分鋼液越過擋板向上，沿著表面流動，直接流向第3流，經過擋板的阻擋，另一部分鋼液與擋板碰撞后，在擋板與第6流之間的孔和通道分別流向5#塞棒底部和6#塞棒，形成短路流，且由于鋼液流速高，擋板和塞棒之間的距離小，在此區域鋼液紊亂程度高，對6#塞棒沖刷嚴重，而對于優化改造后的中間包，高速流動的鋼液經湍流控制器后耗散了一定的湍動能，并以較大的速度返回到鋼液表面，通過斜向上的導流孔使鋼液向上流動，由于導流孔的孔徑較小，鋼液以較大的流速流出后，沿著近似與寬面包壁平行的方向，流向遠流，直接流向第1流，在流向遠流的過程中分流，部分鋼液分別流向第4流、第5流和第6流，在5#塞棒和6#塞棒之間形成回流，促使鋼液流向表面，減輕了對6#塞棒底部的沖刷，返回后與寬面包壁碰撞后中間包內形成循環流動，大部分鋼液流向第1流，與窄面包壁碰撞后，沿著靠近塞棒方向的寬面依次流向近流大部分鋼液沿表面流動;對于原中間包，鋼液進入澆注區后，距離長水口遠的對應的流線長，而部分鋼液經擋板底部的孔和通道在中間包底部平鋪開，造成了嚴重的短路流現象。由圖4可以看出，優化改造后的中間包各個水口的鋼液流動平穩，由于采用擋墻后，注流區擴大，注流區的高度紊亂，一方面，有利于鋼液的混勻和夾雜物的碰撞，也耗散了高速的湍動能，另一方面，鋼液經導流孔斜向上運動，鋼液的流動路線增加，避免了對6#塞棒，且在第3流和第4流之間分流，各個水口的鋼液流動的均勻性趨于一致。

優化前后中間包的RTD曲線如圖5、圖6所示，兩方案RTD曲線計算結果見表1。

圖5 原中間包的RTD曲線

圖6 優化后中間包的RTD曲線

表1 兩方案RTD曲線計算結果

由圖5、圖6可以看出，原中間包5流和6流的RTD曲線出現雙峰，說明存在一定的短路流，而對于優化后的中間包5流和6流雙峰現象消失。

由表1可以看出，原中間包各個水口平均停留時間最大相差為222 s，滯止時間最大相差為85s，優化改造后的中間包各個水口平均停留時間最大相差為40 s，滯止時間最大相差為29 s，由于兩個方案的鋼液面分別為800mm和700mm，所以相應數據有較大的差別，但優化改造后的中間包各個水口的鋼液流動性趨于一致，明顯改善了中間包的流動狀況。

2.2 溫度場

中間包內鋼液的溫度場是影響中間包內耐材浸蝕的關鍵，為了對改造前后中間包內鋼液的溫度場進行對比，對中間包內鋼液經過塞棒縱截面的溫度場分布進行分析(如圖7所示)。

圖7 中間包內鋼液經過塞棒縱截面的溫度場

由圖7可以看出，對于原中間包，由于擋板的阻擋，在第6流與擋板之間存在高溫區，由此造成第6流的塞棒由于受高溫鋼液的沖刷，侵蝕厲害，整個中間包內鋼液的溫度分布很不均勻，通過計算結果顯示，各流水口的溫差最大為2.4 K，且第1流(邊流)溫度過低，在澆注過程中容易造成水口凍結，影響生產;對于優化改造后的中間包，整個中間包內鋼液溫度分布均勻，在第6流和第5流之間不存在高溫區，各流水口的溫差最大為0.3 K，第1流(邊流)溫度升高。

3 冶金效果

優化改造后的中間包于2010.11月投入使用，在澆注過程中對中間包鋼水溫度進行實測，各個水口最大溫差為4 K，而未優化前經實測各水口之間最大溫差為10 K。在生產中中間包的使用效果很好，在澆注過程中第6流的塞棒明顯侵蝕減輕，連澆時間由優化前的20 h延長到26 h，達到了優化設計的目的。

通過采用數值模擬對宣鋼十二機十二流的中間包的結構進行優化設計，得出以下結論:

1)宣鋼原中間包在澆注過程中高溫鋼液對第6流塞棒底部沖刷比較厲害，耐材侵蝕嚴重，1流和6流之間的溫差相差較大，且連澆時間短。

2)采用數值模擬優化后的中間包各個水口的鋼液流動性趨于一致，明顯改善了中間包的流動狀況，在第6流和第5流之間不存在高溫區，各流水口的溫差最大為0.3 K。

3)在生產中中間包的使用效果很好，在澆注過程中，第6流的塞棒侵蝕明顯減輕，各個水口最大溫差為4 K，而未優化前經實測各水口之間最大溫差為10 K，連澆時間由優化前的20 h延長到26 h。

［1］Xie Jian，Zheng Shuguo，WuYonglai，etal.Water Modeling Study on Optimaization of Flow Control Devices in Five－strand"T"Type Tundish［J］.Journal of Materials and Metallurgy，2002，4(1):285－289.

［2］陳登福，胡銳，王青峽，等.連鑄中間包多孔擋墻設置優化的數學物理模擬［J］，過程工程學報，2008，8(S1):49－53.

［3］鐘良才，王明安，周小賓，等.5流連鑄中間包流場溫場數學模擬，過程工程學報，2011，11(1):26－27.

TUNDISH STRUCTURE OPTIMIZATION OF TWELVE－STRAND BILLET CASTER AND METALLURGICAL EFFECT

Hao Zhong
(Xuanhua Iron and Steel Group Co.，Ltd，)

The three－dimensional flow temperature and concentration field of tundish for twelve－strand billet caster in Xuanhua Steel were studied by numerical simulation and the best flow control devices were optimized.Results showed that flow field was obviously improved，flow behaviors of each strand of tundish became consistent，impact of high temperature molten steel on sixth strand stoppers reduced，the maximum temperature difference before and after optimizating reduced to4 K from10 K and continuous casting time increased to26 hours from20 hours.

twelve－strand billet caster tundish structure optimization numerical simulation

聯系人:郝忠，高級工程師，副廠長，河北.宣化(075100)，河北鋼鐵集團宣化鋼鐵公司煉鋼廠;

2012—2—1