六流小方坯中間包流場優(yōu)化水模研究*

錢凡 楊文剛 馬天飛 于建賓 劉國齊 馬明鍇

(1.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司;2.山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司)

六流小方坯中間包流場優(yōu)化水模研究*

錢凡1楊文剛1馬天飛1于建賓1劉國齊1馬明鍇2

(1.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司;2.山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司)

為改善某鋼廠六流小方坯中間包鋼液流場，凈化中間包鋼水以及改善鋼水的溫度分布，通過合理設計正交水模試驗，考察各方案中間包死區(qū)體積、多流一致性等參數(shù)，以及兩者的綜合指標，表明影響該中間包流場綜合特性的主次因素順序為:孔徑大小→導流孔傾角→擋墻位置→擋墻高度，其中導流孔徑55mm，向上傾角30°，擋壩距中端400 mm，高度250 mm，此方案流場較為合理。

中間包 流場 水模 正交試驗

0 引言

中間包是連接鋼包與結(jié)晶器之間的過渡容器，不僅是穩(wěn)壓、分配鋼液、保證鋼液連續(xù)澆鑄的緩沖容器，還是防止鋼渣進入結(jié)晶器、去除鋼液中非金屬夾雜物、均勻鋼液溫度等保證鑄坯質(zhì)量的關鍵設備［1］，利用物理模擬得到的停留時間分布(RTD)曲線分析中間包內(nèi)的流動特性已成為優(yōu)化中間包流場及控流裝置的重要手段［2］，其中，合理使用擋墻和

擋壩是當前改善中包內(nèi)鋼液流動方式的常用途徑。本研究基于某鋼廠連鑄中間包澆鋼過程中遠端水口出現(xiàn)結(jié)冷剛現(xiàn)象，在原U擋墻基礎上通過改進導流孔及擋壩等措施后，發(fā)現(xiàn)其流場改善并不明顯，最后開展了V型擋墻結(jié)構(gòu)下相關結(jié)構(gòu)參數(shù)對該中間包流場性能的影響研究，以期獲得一個最佳的流場方案。

1 實驗

水模擬實驗的理論基礎是相似原理，即模型與原型中液體流動相似的基本條件是幾何相似和動力相似。對于幾何相似，模型Lm和實際Lp的幾何相似比取Lm∶Lp=1∶4。對于動力相似，要求模型和實型中的流體的雷諾準數(shù)Re和付魯?shù)聹蕯?shù)Fr分別相等［3］。但同時滿足模型和實型中的雷諾準數(shù)和付魯?shù)聹蕯?shù)相等相當困難，考慮到在此實驗條件下，模型和實型中流體流動狀態(tài)已處于第二自模化區(qū)。因此，該系統(tǒng)的流動狀態(tài)及流速分布與雷諾準數(shù)Re無關，只要保證與重力有關的付魯?shù)聹蕯?shù)Fr相等即可達到動力相似。由Fr準數(shù)相等可以確定模型和原型中流體的速度、流量、平均停留時間的關系。可得:

長度 Lm=λ·Lp，

速度 Vm= λ1/2·Vp，

流量 Qm=λ5/2·Qp

式中:λ——幾何比例系數(shù)，等于模型與原型的幾何尺寸之比;

L——幾何尺寸;

V——流速; Q——流量;

m——模型; p——原型。

1.1 測量方法及計算

反應器的停留時間分布，簡稱RTD曲線，反映了反應器內(nèi)實際的流動過程。RTD的測定通常采用在入口處加入一定濃度的刺激信號，并在出口處測定出口濃度隨時間變化，稱為刺激－響應法。在中間包的模型中，隨著鋼包注流注入一定劑量的示蹤劑KCl溶液，用刺激－響應實驗法描繪濃度C和時間t的RTD曲線，從而得出滯止時間tmin(進入反應器的流體微元的最短時間，即從加入脈沖信號開始時間到反應器出口得到響應時的最短時間，濃度達到最大的時間)、峰值時間tmax及計算得出流體平均停留時間tf，死區(qū)體積Vd，活塞區(qū)體積Vp和混合區(qū)體積Vm，實驗采用鄭淑國等人所提出分析模型來計算各區(qū)的體積分數(shù)［4］，具體到本實驗所測的三個流則有:

timin——各流示蹤劑的響應時間;

ci(t)——在采樣時間點為t時各流的濃度值;

V—實驗時中間包內(nèi)水的體積。

原則上，從熱量的角度考慮，好的各流流動特性的一致性能保證中間包各流有均勻的鋼液清潔度和鋼水溫度，這樣才能獲得高潔凈度的鋼水和保證中間包連鑄生產(chǎn)的順行。本研究采來定量分析多流中間包各流流物特性的一致性［5－6］。即:

ci(θj)——在采樣時間點為 θj時各流的無因次濃度值(i=1～3，j=1～Z);

θj——RTD曲線的第j個無因次采樣時間點;Z是采樣時間點的總數(shù);

ˉc(θj)——在采樣時間點為 θj時各流無因次濃度的平均值。

ˉS3越小，多流中間包各流流動特性的一致性越好。

1.2 實驗裝置

實驗裝置包括中間包模型、示蹤劑加入裝置、大包注流水口、中間包內(nèi)控流裝置、電導儀、dj800水量工程測量儀，計算機數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等(如圖1所示)。

中間包死區(qū)體積和多流一致特性是衡量中間包流場合理性的兩項重要的指標，結(jié)合這兩個指標，綜合考察流場的合理性，提出綜合評價指數(shù)R，計算公式為:

圖1 實驗裝置試驗圖

2 實驗方案

本研究基于某鋼廠連鑄中間包澆鋼過程中容易遠端水口出現(xiàn)結(jié)冷剛現(xiàn)象，在原U型擋墻基礎上通過改進導流孔及擋壩等措施后，發(fā)現(xiàn)其流場改善并不明顯，最后在原中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的基礎上設計一尺寸合理的V型結(jié)構(gòu)擋墻，該中間包及擋墻結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖2所示(圖中L為擋墻距中端水口距離，d為導流孔直徑)。

圖2 中間包結(jié)構(gòu)及其主要尺寸

本實驗開展了該結(jié)構(gòu)擋墻下相關結(jié)構(gòu)參數(shù)對該中間包流場性能的影響研究。通過設計正交實驗方案(見表1和表2)，研究擋墻導流孔直徑、傾角、擋壩位置及高度對中間包流場的影響，實驗選擇了導流孔直徑，導流孔傾角、擋壩位置、擋壩高度四個因素，每個因素對應3個水平，共9組實驗。

表1 正交試驗設計方案

表2 實驗因素和水平

3 結(jié)果分析

根據(jù)正交實驗方案進行實驗，得出的實驗結(jié)果見表3。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)結(jié)果，對實驗結(jié)果進行直觀分析，分析不同因素(導流孔直徑、導流孔傾角、擋壩位置、擋壩高度)對流場相關參數(shù)的影響，以期得到最好的實驗組合方案條件。并對正交實驗結(jié)果進行方差分析，考察各因素對死區(qū)體積分數(shù)和多流一致性方差、流場特性綜合指數(shù)影響的顯著性，以及影響程度的大小順序。

表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.1 考察死區(qū)體積分數(shù)直觀分析

考察死區(qū)體積分數(shù)的直觀分析見表4，可以看出，最佳組合d1θ3l2h3。由于極差的大小可知，對死區(qū)體積影響最顯著的因素為孔直徑的大小，其次為導流孔的傾角，再次為擋墻位置，最后為擋墻高度。

表4 考察死區(qū)體積分數(shù)的直觀分析表

考察死區(qū)體積分數(shù)的方差分析見表5，可以看出，四種因素F比都沒有大于F的臨界值，都沒有達到顯著性的程度，但是依然可以從F的大小看出影響死區(qū)體積分數(shù)的因素影響程度和先后水平。影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:孔徑大小→導流孔傾角→擋墻位置→擋墻高度。與直觀分析得到的結(jié)果是一樣的。

表5 考察死區(qū)體積分數(shù)的方差分析表

3.2 考察各流一致性直觀分析

考察各流一致性的直觀分析見表6，可以看出，最佳組合θ2l1d1h2。根據(jù)極差大小分析得，影響各流一致特性最顯著的因素為導流孔的傾角和擋墻位置，其次為孔直徑的大小，再次為擋墻高度。

考察各流一致性的方差分析見表7，可以看出，四種因素F比都沒有大于F的臨界值，都沒有達到顯著性的程度，但是依然可以從F的大小看出影響各流一致性的因素影響程度和先后水平。影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:導流孔傾角→擋墻位置→孔徑大小→擋墻高度，與直觀分析得到的結(jié)果是一樣的。

表6 考察各流一致性的直觀分析表

表7 考察各流一致性的方差分析表

3.3 綜合指數(shù)考察

考察綜合指數(shù)的直觀分析見表8，可以看出，最佳組合水平為:d1θ3l2h2。根據(jù)極差大小分析得，影響流場綜合指數(shù)最顯著的因素為導流孔直徑，其次為導流孔的傾角，再次擋墻位置，最后為擋墻高度。

表8 考察綜合指數(shù)的直觀分析表

考察綜合指數(shù)的方差分析見表9，可以看出，四種因素F比都沒有大于F的臨界值，都沒有達到顯著性的程度，但是依然可以從F的大小看出影響流場綜合特性的因素影響程度和先后水平，影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:導流管直徑→導流孔傾角→檔壩距離→檔壩高度。

表9 考察綜合指數(shù)的方差分析表

4 優(yōu)化實驗

從上述正交實驗結(jié)果可以獲得幾組最佳的水平組合，以綜合指數(shù)為主要考察依據(jù)，對最佳的一組優(yōu)化實驗d1θ3l2h2進行驗證，實驗結(jié)果見表10，該方案RTD曲線如圖3所示。

表10 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖3 RTD曲線

由圖3可以看出，曲線變得平滑緩和，活塞區(qū)體積比例的增加，有利于夾雜物的上浮。同時各流曲線流動特征比較相似，各流流動特性一致性較好。

設置V型擋墻，沖擊區(qū)容積變大，所以示蹤劑溶液從鋼包長水口流出后在沖擊區(qū)的混勻時間變長，由于兩個孔洞都是向上的傾角，由圖4流場照片可以看出示蹤劑溶液通過擋墻后向鋼液面移動，有利于夾雜物的上浮吸收。隨后墨水在鋼液面附近鋪展開并在2號水口上方向下移動并混勻。2號、3號水口基本同時有墨水流入，95 s后中間包內(nèi)基本混勻，看不到有清水存在，說明此時已經(jīng)無死區(qū)存在。

圖4 流場照片

5 結(jié)論

1)影響六流中間包流場 綜合特性的主次因素順序為:導流管直徑→導流孔傾角→檔壩位置→檔壩高度。

2)對正交實驗得出的優(yōu)化方案進行驗證，得出導流孔直徑55 mm、向上傾角30°、距中端400 mm位置設置高度250 mm擋壩時流場最為合理。在此方案下，中間包內(nèi)的鋼液平均停留時間延長，死區(qū)較小，能形成有利于夾雜物上浮，各流趨于均勻的流動形態(tài)。

［1］王建軍，包燕平，曲英.中間包冶金學［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001:4 －5.

［2］樊俊飛，張清朗，朱苗勇，雷洪，王文忠.六流T型連鑄中間包內(nèi)控流裝置優(yōu)化的水模型研究［J］.鋼鐵，1998，33(5):24－28.

［3］王建軍，戴朝珊，周俐.板坯中間包鋼水流動的熱態(tài)水模［J］.金屬學報，1997，33(5):509 －514.

［4］鄭淑國，朱苗勇.多流連鑄中間包內(nèi)鋼液流動特性的分析模型［J］.金屬學報，2005，41(10):1073 －1076.

［5］ZhengShuguo，Zhu Miao yong.Optimization of Baffles in a Six Strand Round Bloom Continuous Casting Tundish:a Physical Modeling Study［J］.Ironmaking and Steelmaking，2006，33(5):398.

［6］鄭淑國，朱苗勇.多流連鑄中間包各流流動特性一致性的判別［J］.過程工程學報，2006，6(4):522 －526.

WATER MODEL EXPERIMENT ON 6－STRAND BILLET TUNDISH FLOW FIELD OPTIMIZATION

Qian Fan1Yang Wengang1Ma Tianfei1Yu Jianbin1Liu Guoqi1Ma Mingkai2
(1.Luoyang Refractory Research Co.，Ltd.Sinosteel;2.Jinan Iron and Steel Co.，Ltd.Shandong Group)

In order to solve the problems of the uneven distribution and high temperature difference of the molten steel among nozzles of the U shaped wall tundish，we do the water model experiment with the V shaped wall tundish，The orthogonal experiment indicated that signficant factors of flow field with the V shaped wall tundish in sequence is hole diameter＞deflector angle＞dam position ＞ dam height.When hole diameter is 50 mm，deflector angle is 30°，dam height is 250 mm and 400 mm far away from middle strand nozzle，flow field of which is much better.

tundish flow field water model orthogonal experiment

*聯(lián)系人:錢凡，碩士，助理工程師，河南.洛陽(471039)，中鋼集團洛陽耐火材料研究院研發(fā)中心;

2012—6—11