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湍流控制器在沙钢板坯连铸机中间包的应用
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摘要：通过水模试验，探讨了沙钢板坯连铸机中间包加湍流控制器对中间包流场的影响，生产试验表明采用此方法可显著提高铸坯的内在质量。 关键词：水模试验；湍流控制器；板坯连铸中间包 引…
摘要：通过水模试验，探讨了沙钢板坯连铸机中间包加湍流控制器对中间包流场的影响，生产试验表明采用此方法可显著提高铸坯的内在质量。
关键词：水模试验；湍流控制器；板坯连铸中间包
引言
连铸中间包作为钢水凝固前的最后反应器，是提高产量和质量的重要一环。在连铸中间包内尽可能去除钢液中非金属夹杂物、避免钢水二次氧化，才能满足纯净钢的质量要求。
沙钢宏发炼钢厂板坯连铸机，使用的中间包容量45t，连铸浇铸周期为30～35min，通钢量4.86～5.67 t/min。在中间包内理论停留时间：7.94～9.26min。而中间包的理论停留时间应在8～12min，实际多在12min以上。而宏发炼钢厂中间包平均停留时间偏低；通过对中间包内型优化改变钢水流动状态和延长钢水在中间包内的停留时间，可以达到提高钢水纯净度的目的。
另外，在连铸高拉速或钢包开浇、换包时，均使钢水通钢量加大，中间包内冲击区产生湍流现象更为严重。中间包内急剧的湍流，一方面会破坏渣层将钢渣卷入钢液，另一方面使钢液暴露于空气中被二次氧化。此外，开浇时钢液飞溅严重，也会加剧钢液二次氧化，成为开浇初期钢中夹杂物偏高的原因之一。
为解决这些问题，国内外新开发了一种抑制湍流的控制器。湍流控制器安装在中间包注流冲击区，钢流进入湍流控制器后，向注流中心折回，在湍流控制器内重复循环以消耗注流的动能并向上流出，从而降低钢液流速并抑制或减轻湍流的产生。增加了钢水在中间包内的停留时间，并对开浇起防溅作用。
沙钢宏发炼钢厂板坯连铸机中间包水模试验，查清了加湍流控制器与不加湍流控制器中间包内水的流动状态，当采用优化的挡墙结构及湍流控制器时，中间包流场合理，水流在中间包内停留时间增加，有利于中间包内钢水中夹杂物上浮，并进行了生产实验检测，采用优化湍流控制器进一步提高了铸坯内部质量，为生产优质钢创造了有利条件。
1 试验原理及试验方案
根据物理模拟(水模试验)，确定优化湍流控制器结构，并应用于连铸生产中。
1.1 试验原理
连铸中间包钢水流动过程中，流动的动力、惯性和粘结力同时对流动行为起作用，试验研究应同时满足与粘性力有关的雷诺数(Re)和与重力、惯性力有关的弗鲁德准数(Fr)相似。但相似理论认为，在模拟系统中与粘性力有关的雷诺数进入第二自模化区的临界值为103～104时，系统处于自模化状态，即该系统的流动状态及流速分布与Re无关。经计算，本试验的原型及模型流体的Re均已进入第二自模化区。因此，钢水在中间包内流动现象相似的决定性准数为弗鲁德准数，模拟必须保证模型与原型的弗鲁德准数相等，即υ2m/glm=υ2p/glp。为了模拟更为真实和准确，线性比应尽可能大，根据试验条件，本试验确定以下参数：
模型与原型的尺寸比：Lm／Lp=λ=1/3；
模型与原型的速度比：υm/υmp=λ0.5=0.5774；
模型与原型的流量比：Qm／Qp=λ2.5=0.0642；
模型与原型的停留时间比：τm/τp=λ0.5=0.5774
1.2 模型设计
1.2.1 连铸主要工艺参数
铸坯主要断面：220mm×(800～1600)mm；
钢包水口内径：100mm(上口)，105mm(下口)；
连铸机流数：2；
中间包钢水液面高度：850mm；
中间包容量：45T；
通钢量：4.86～5.67t/min。
1.2.2 模型与原型的主要参数
1.3 试验方案
中间包内型结构示意图如图1所示：
图1 中间包内型结构示意图
(1)优化挡墙结构如图1所示，模型尺寸为ɑ=100mm，b=70mm，c=66.7mm；原型尺寸为ɑ=300mm，b=210mm，c=200mm。
(2)采用优化挡墙+湍流控制器(挡墙+坝+湍流控制器)，如图2所示。
图2连铸机中间包湍流控制器结构简图(单位：mm)
表1 模型与原型的主要参数
1.4 试验内容
(1)测定电导值，确定钢包注流到中间包水口处响应时间和在中间包内平均停留时间；
(2)将高锰酸钾溶液随注流加入，观察中间包内红色示踪剂流动轨迹并录像；
根据测试结果，比较两个方案优劣，确定最佳中间包内型结构方案。
2 测试结果与讨论
测定电导值。在正常浇铸时，液面高度为283 mm(原型为850 mm)，随钢包注流加入饱和NaCl溶液400mL，用电导仪测定电解质到达中间包水口处的时间，即为正常浇铸的响应时间，用电导仪探头测定中间包水口处浓度随时间变化(也叫C曲线)，根据C曲线确定示踪剂(NaCl)从注流加入到中间包水口处的响应时间及计算平均停留时间等。测试结果如表2。
表2 中间包水模测定结果
2.1 结果分析
对中间包水模两种方案测定结果分析如表2。
(1)方案2由于加湍流控制器，降低了中间包冲击区湍流动能，中间包注流冲击区无液面波动，无旋流，减少了钢液二次氧化；
(2)由于加湍流控制器，方案2的响应时间、平均停留时间、混合流体积分数比方案1增加，死区体积分数比方案1分数减少。中间包内流场分布合理。
有利于中间包内温度均匀及夹杂物充分上浮，提高钢的纯净度。
3 实际生产检验效果
采用方案1与方案2生产的连铸坯金相检测结果如下：
(1)方案2试样中的非金属夹杂物主要是小颗粒条状与块状硫化物夹杂物和不规则的氧化铝夹杂。
(2)方案2试样中的Al2O3类夹杂尺寸减小，大多数在20μm以下，大于50μm夹杂物全部上浮排除。
(3)方案2头坯和第三块坯试验中的平均视场非金属夹杂物个数比方案1分别下降了46.45％和48.54％；平均夹杂物面积分别下降了75.33％和58.02％。
(4)方案2增加湍流控制器的使用可以将现有钢材内部质量提高一个挡次，为进一步开发高级别钢材提供了工艺技术保证。
4 结论
(1)根据物理模拟试验，采用优化挡墙+湍流控制器方案可以增加响应时间、平均停留时间和混合流体积分数，减少死区体积分数。
(2)经过生产检验，采用前述方案可显著提高铸坯的内在质量。
