六流方坯连铸中间包结构优化

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六流方坯连铸中间包结构优化

钟良才王胡强丁宁龙灶军朱英雄赖兆奕陈伯瑜汪灿荣彭建昌陆定贤

(东北大学钢铁冶金研究所) (福建三明钢铁公司炼钢厂)

摘要：针对三钢六机六流方坯连铸中间包，在实验室建立了1：2．5的中间包物理模型，通过物理模拟实验测定不同的中间包结构的流体流动停留时间分布曲线，得到了不同结构中间包的流体流动特性，对中间包结构进行了优化。结果表明，原结构的中间包，同一侧的三个水口的最小停留时间、峰值时间和平均停留时间小，并且各水口的流动特性不一致，中间包的死区体积较大，中间包冲击区液面流动紊乱，易形成旋涡。采用优化后的湍流控制器和导流隔墙后，各流的流动特性得到改善，同时各流间的流动特性相近，中间包冲击区液面流动平静，无旋涡产生。

关键词：方坯连铸六流中间包结构优化物理模拟流动特性控流装置

1前言

在连铸中，中间包是一个重要的冶金容器，对于3流以上的多流中间包而言，由于中间包几何形状复杂以及钢包注流在中间包的冲击点与各流水口的距离不同，如果中间包的结构设计不好，会造成中间包各流间的停留时间分布曲线、温度分布和浓度分布产生很大的差别，这些差别影响到钢液的质量和可浇性^[1]

中间包不仅具有稳流、分流的作用，而且对于钢液的洁净度、温度均匀以及稳定操作也是很重要的^[2.3]。这些均与中间包的钢液流动有着密切的关系，钢液在中间包内合理的流动是稳定操作的必要条件^[4]。为了使多流中间包各流的流动行为一致，需要各流的温度和停留时间一致。如果其中的一流具有很短的停留时间，由于高温的钢液首先进入该流，易造成漏钢；另一方面，如果某一流具有过长的停留时间，由于过大的钥液热损失，易造成该流水口堵塞。因此，在多流中间包的实际操作中，除了希望各流具有最佳的流动特性外，还希望各流间的流动特性相一致。

本研究针对三钢六机六流方坯连铸中间包，在实验室中建立其物理模型，通过冷态的物理模拟实验，确定合理的中间包控流装置，对该中间包结构进行优化，在改善中问包的流体流动特性的同时，使该6流中间包各流的流动特性趋于一致。

2实验方法

根据三钢六机六流方坯连铸中间包的尺寸和实验室条件，本研究采用几何相似比λ为1：2．5的缩小中间包模型，用水作为钢液的模拟介质进行模拟实验。将中间包钢液的流动近似视为等温的稳态湍流流动，为了使原型中间包的钢液流动与模型中间包的水的流动动力相似，应保证这两个流动的湍流雷诺准数和弗鲁德准数相等^[5]。但在缩小的模型中进行模拟实验，要同时保证这两个相似准数相等是困难的。有研究^[6]表明，在几何相似的中间包中，流动的湍流雷诺准数是相同的。因此，在几何相似的中间包中，只要保证流动的弗鲁德准数相等，就可保证流动相似。在此条件下，模型中间包的流量Q_m与原型中间包的流量Q_p的关系可用下式表示：

模拟实验的设备如图1所示。在稳定态流动条件下，采用200ml的NaCl饱和溶液作为示踪剂，从模型钢包的长水口加入到中间包中，在模型中间包同一侧的三个水口的下方安装三支电极，每支电极与电导率仪连接，输出的信号送到记录仪，记录从每个水口流出的示踪剂浓度随时问的变化，从而得到每个水口的停留时间分布曲线。由停留时间分布曲线，可以计算得到相应中间包结构下的流体流动特性。

3实验结果与讨论

原中间包结构采用的导流隔墙及其在中间包的位置如图2所示，该导流隔墙由三面隔墙组成，中间的隔墙有一个导流孔，两侧的隔墙有两个导流孔。对该中间包结构进行停留时间分布曲线实验测定，得到的结果如图3所示，由各流的停留时间分布曲线确定得到的流体流动特性列于表1中。

从图4和表1可知，三个水口的最小停留时间由小到大排列依次为3流、2流、l流，而2流的峰值浓度时间最短。这是由于3流距离钢包注流冲击区的距离最小，并且采用的导流隔墙的中间隔板有一个导流孔的缘故，进入中间包的示踪剂很快从该导流孔流到3流水口，造成该流的最小停留时间最小，而1流距离冲击区最远，示踪剂流动的距离长，所以其最小停留时间比2流和3流长。另外，导流隔墙的两侧隔板开了两个导流孔，大部分示踪剂从这两个导流孔直接流到2流水口，造成该流的峰值浓度时间最短。从表l可知，原中间包结构三个流的最小停留时间、峰值浓度时间均较小，而死区体积分率较大，同侧的三个流问的停留时间差别大。这种中间包结构不利于去除中间包钢液夹杂物和稳定连铸操作。观察中间包冲击区液面的流动，发现在原中间包结构下，由于原导流隔墙与中间包冲击区侧壁围成的区域小，从长水口流出的流体沿中包底部流动，然后沿该区域的六个侧壁流到液面，在表面形成汇流，在液面形成较多的和较大的旋涡，易产生液面卷渣。

通过大量的模拟实验，对中间包结构进行优化，确定了采用方形湍流控制器和改进后的开有一个导流孔的导流隔墙来控制中间包流体的流动，优化后的中间包结构如图4所示。该结构中间包的同侧三个流的停留时间分布曲线示于图5中，各流的流体流动特性列于表2中。由表2可知，中间包采用优化后的湍流控制器和导流隔墙后，各流的最小停留INj'间I和浓度峰值时间均得到提高，死区体积分率下降。比较图4和图5可以看出，中间包结构优化后，各流间的流动特性不一致的程度下降。这种流动特性的改善，不仅有利于去除钢液的夹杂物，而且有利于稳定连铸操作。另外，由于在中间包冲击区采用了湍流控制器，并且

新设计的导流隔墙使得中间包冲击区得到适当扩大，使得从长水口流出的流体，先流入湍流控制器，然后从湍流控制器流向液面，高速注流的湍动能受到湍流控制器的限制而下降，到达液面的流体沿液面向四周流动，流动速度小，不形成汇流，液面流动平静，不易形成液面旋涡所造成的卷渣。

4结论

通过对三钢六流方坯连铸中间包的结构优化物理模拟实验研究，可以得到以下结论：

1)原结构中间包的流体流动的最小停留时间、浓度峰值时间和平均停留时间小且中间包同一侧的各流间的流动特性不一致，中间包的死区体积大。

2)原结构中间包的冲击区液面流动紊乱，易形成较多和较大的液面旋涡，造成液面卷渣。

3）中间包结构优化后，各水口的流体流动特性得到改善，最小停留时间、浓度峰值时间和平均停留时间增加，死区体积下降，同时各水口间的流体流动特性不一致的程度下降。

4)采用湍流控制器和新设计的导流隔墙后，中间包冲击区的液面流动平稳，不易形成液面旋涡。

参考文献

【1】J．D．DoficoR，I．J．Heaslip and E J．Hoagland：Tundish Metallurgy,ISS，Warrendale，Pa．，V01．2，1991，71

【2】 K．Chung：Steelmaking Conference Proceedings，ISS，Warrendale，Pa．，V01．75，1992，437-450

【3】S．Govindrajan et a1．：lst European Conference on Continuous Casting,1991，223

【4】Y．Sahai and R．Ahuja：Tundish Metallurgy,ISS，Warrendale，Pa．，1990，89

【5】D．Mazumdar R．Guthrie：The Phy sical and Mathematical Modeling of Continuous Casting Tundish Systems，1SIJ Inter．，1999，39(6)，524—547

【6】S．Singh,S．Koria：Physical Modeling of Steel Flow in Continuous Casting Tundish,lronmaking Steelmaking,1993，20(3)，221．230

【7】Y Sahai，M．Burval：Validity of Reynolds and Froude Similarity Criteria for Water Modeling of Melt Flow in Tundishes，Proc．Of the Electric Furnace Conf．TMS，Warrendale，PA，1 992，469-474

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