薄板坯连铸中间包抑湍器应用的水模实验研究

1前言

中间包不仅是稳压、分配钢水、保证钢水连续浇铸的缓冲容器，它还是防止钢渣进入结晶器、去除钢液中非金属夹杂物等保证铸坯质量的关键设备。中间包内控流元件的设置对中间包内非金属夹杂物的上浮起着至关重要的作用。近年来，抑湍器在工厂中得到越来越广泛的应用，它用来抑制钢包高速注流对中间包流体的扰动，降低中间包流动的湍流程度，减小表面波动，减弱由此引起的二次氧化及卷渣；延长中间内流体的响应时间，有利于夹杂物的上浮。它还起到减弱钢包注流对中间包冲击区包衬耐火材料的冲刷，提高中间包的使用寿命的作用。

本文结合国内某钢厂的实际情况，针对薄板坯连铸中间包就不同结构的冲击槽与不同控流装置的组合进行了水模型研究，并比较了有无抑湍器对中间包流动特性的影响，得出了最佳的控流装置与抑湍器的组合。

2实验原理及方法

水模拟实验的理论基础是相似原理，即模型与实物中液体相似的基本条件是几何相似与动力相似。本实验确定模型与原型的几何相似比为l：3。对于动力相似要求模型与原型中的流体的雷诺准数Re和弗劳德准数Fr分别相等，才能保证动力学相似，但满足模型与原型中的两个相似准数同时相等相当困难，考虑到在此实验条件下，模型与实型中的流体流动状态均已处于第二自模化区，因此，该系统的流动状态及流速分布与雷诺准数恐无关，只要保证弗劳德准数Fr相等即可。据此可计算水力学模型实验中所对应于原型钢液流量的水流量。本研究的水模型装置如图1所示。

本研究采用“刺激一响应”实验技术。将一定量的20％的NaCl溶液快速注入大包水口中，由电导探头测量中间包出口处的电导变化的情况，并将输出的电信号通过A／D板转换成数字信号后由微机实现数据的采集：通过数据处理得到RTD曲线，从而来定量描述中间包内流体的流动状况，最终评价中间包内控流元件设置的优劣。

按照改进的混合模型分析，中间包内的流体流动可视为由三个部分^[1~3]组成，即活塞流、全混流和死区。这三个区的体积分数可由实验所测得的R叨曲线计算而得。

活寨流区体积分数

本文研究了空包、单坝、单墙单坝、单墙双坝及抑湍器与前述控流装置的组合对中间包流动特性韵影响，有代表性的方案如图2所示。

为了使中间包能够最大限度地去除钢液中的夹杂物，实验中注意以下优化原则：

1)延长出水口的响应时间t_min，s；

2)增大水口的平均停留时间t_a，s；

3)尽量增加活塞流区比例V_p。减小死区比例V_d；

4)增加活塞流区体积‰与平均滞流区体积％之比尺P／D。

3结果分析与讨论

各种方案分析结果见表1，典型的RTD曲线见图3。

3．1有无抑湍器对中间包流动特性的影响

从表1可知，不管是哪一类控流装置，加入抑湍器后，中间包出水口的响应时间均有不同程度的提高，有的提高较多。它的加入消除了短路流，防止了浇铸区中间包渣卷入钢液以及钢的二次氧化，提高了铸坯质量。其他影响详见下面讨论。

3．2抑湍器与控流装置组合对中间包流动特性的影响

3．2．1 不同结构及尺寸的抑湍器与单坝组合控流装置对流动特性的影响

方案Ⅱ一V为不同结构及尺寸的抑湍器与单坝组合的控流装置，从表1中可以看出，相对于无抑湍器的单坝控流装置，它们的控流效果有如下特点：

1)就结构而言：带上缘的抑湍器控流效果较差，它的加入大大降低了活塞流区的体积分数，％分别降低了42％、44％，活塞流区与死区体积分数的比值尺P／D分别降低了

34％、45％；而不带上缘的抑湍器控流效果非常理想，其中尤以方案Ⅱ为最好，其平均停留时间增大了11％，K增加了26％，尺P／D增加了1．2倍。

2)就尺寸而言：较小尺寸的抑湍器控流效果要好于较大尺寸的抑湍器，其各项参数均占优。

3．2．2 抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合控流装置对中间包流动特性的影响

相对于无抑湍器的单墙单坝、单墙双坝控流装置来说，带抑湍器的控流装置虽然略微提高了活塞流区的比例，但降低了平均停留时间￡，分别降低了7％、5％，增大了死区的体积分数，分别增加了l 3％、76％。由于无抑湍器控流装置出水口的响应时间已经达到59s、50s，基本上消除了短路流。因此，抑湍器加入这两类控流装置后控流效果不但没提高反而变差，其中尤以单墙双坝与抑湍器组合效果最差。

4结论

1)抑湍器加人中间包后，能延长中间包出水口的响应时间，消除短路流，防止浇铸区中间包渣卷入钢液以及钢的二次氧化，提高铸坯质量。

2)适当结构与尺寸的抑湍器与单坝组合控流装置在控制流体流动方面效果极佳，其中尤以带顶缘的抑湍器与单坝配合最佳；而不恰当结构与尺寸的抑湍器与之搭配控流效果不好。

3)抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合控流装置在控制流体流动方面效果较差，其中尤以单墙双坝与抑湍器组合效果最差。

4)方案Ⅱ为最优方案，为现场提供了优化依据。