四机四流中间包内型结构及流场优化研究

供稿|徐和平，张立强，赵傲南，张超杰，褚昌悦，ALI Naqash / XU He-ping, ZHANG Li-qiang, ZHAO Ao-nan, ZHANG Chao-jie, CHU Chang-yue, Naqash ALI

内容导读

文章以某厂四机四流中间包为研究对象，通过水模型实验方法，采用刺激响应技术进行了中间包内型结构及流场优化实验。研究结果表明，优化后滞止时间、峰值时间提高明显，死区比例降低。通过限定变量对孔径、开孔高度和孔的倾斜角度逐一进行优化最大限度的优化中间包流场。通过优化前后铸坯取样及大样电解方法，对钢中夹杂物含量进行对比发现挡墙优化后钢的纯净度有明显改善，大型夹杂物含量较原型降低了64.2%。

连铸生产中，中间包是钢包与结晶器之间重要的连接设备，是钢水进入结晶器之前最后的精炼手段[1]。通过中间包水模实验研究，可发现不同控流装置对中间包流动特性的影响，研究结果表明堰、坝的尺寸和位置与湍流控制器的结构对中间包流动特性影响较大[2]。张彩军等[3]通过水模实验发现，中间包控流装置采用弧形开孔导流墙和湍流控制器优化后，由于冲击区体积的增大，两端的控流能力增强，流体在中间包内的流动情况得到很大改善。杨树峰等[4]通过中间包物理模拟的实验方法，对某钢厂四流中间包进行控流装置结构优化，使最小停留时间和平均停留时间延长，并增大了活塞流体积，减少了死区体积。李洋等[5]通过流体力学软件进行数值模拟和物理模拟相结合研究了不同导流孔倾角的U型挡墙对中间包钢液流动特性的影响。Foseco钢铁公司[6]开发了一种可使钢水流平行于中间包壁且流速稳定的装置。这种装置可以分离夹杂物使生产的洁净钢更稳定。迄今为止，多挡墙组合装置是国内外普遍使用的装置。

本文通过挡墙组合水力学模型，采用刺激-响应研究方法，分析中间包浇注过程中流场的运动特点，比较滞止时间、死区比例等因素，探索适合某厂四流中间包的内型结构，使各流均匀化，促进夹杂物上浮，滞止时间增加，死区比例减小，最终达到提高铸坯质量的目的。

水模实验

实验装置

本次实验用到的设备是钢包、中间包、挡墙、塞棒、流量计、中间包支架、示踪剂、电导电极、电导率仪、计算机。中间包的制作材料为透明有机玻璃，其厚度约为10 mm。实验装置示意图如图1，实验时改变开孔位置和方向，以探索合理的中间包流场。

实验参数

本实验以相似原理为基础，通过水模型进行模拟实验。实验要求原型和模型几何、物理相似。本实验按模型与实际中间包比例为1∶2。从钢包长水口处加入示踪剂，在中间包出水口处连续或间断测量示踪剂浓度随时间的变化，从而测得停留时间分布曲线(RTD曲线)。选取弗鲁德准数Fr为定性准数。中间包形状：四机四流，浇注时间为40 t，钢水27-33 min浇铸完毕，取均值30 min。某厂铸机工作拉速及模型等规格参数设置如表1所示。

表1 四机四流中间包与模型参数

弗鲁德准数：

式中，v为拉速，m/min；Q为气体体积流量，m3/min；下标m和s分别表示模型和原型，本实验中，取原型比例为1∶2，即比例系数λ=0.5，故长度比cl=0.5，速度比cν=0.707，流量比cQ=0.177。

实验过程与结果分析

原方案处理

某厂中间包形状及挡墙形状如图2所示，对原型进行重复实验3次，对其流场特征参数进行分析，如表2。

表2 原方案流场参数

通过对某厂原方案与优化方案的实验数据进行整理分析，原方案1、3流RTD曲线如图3，其中通道9曲线为第1流，通道10曲线为第3流；两流滞止时间、峰值时间、死区比例都相差较大，明显不对称。不同控流装置方案中间包内钢液的平均停留时间和死区体积分数计算所得数据见表2。

从实验数据及流场显示可以看出原方案各流场不对称，死区比例较大，且较易出现在2、3流上方沿挡墙处，钢液在2 min后才达到完全混匀，较短的滞止时间及较大的死区导致夹杂物不易上浮排除而带入连铸过程。因此，有必要对挡墙结构进行优化以达到提高产品质量的目的。

优化后方案

针对实验结果进行分析，综合得到最优方案，即在原方案上部两孔中间开一个φ50 mm导流孔，通钢量增加，各参数最佳。通过水模型实验分析，实验过程较为稳定，两流对称性较好。具体实验参数如表3所示。

流场显示表明，经过改进后上升流股明显，2、3流上方流动得到明显改善死区明显减少，1 min后死区已经不明显，较原方案有很大改善。

表3 优化方案流场参数平均值

优化前后夹杂物数量

在工艺稳定情况下，原工艺大型夹杂物含量为42 mg/10 kg，改进挡墙后为15 mg/10 kg，渣洗工艺为14 mg/10 kg；挡墙优化后大型夹杂物有明显改善。图5是优化前后电解得到的不同粒径范围的大型夹杂物数量，(a)、(b)、(c)为优化前，(d)、(e)、(f)为优化后图片，可见优化后各粒度范围大型夹杂物均有明显减少。

改进挡墙后全氧平均含量较原工艺降低了11×10-6，[N]平均含量较原工艺降低了25×10-6，一方面有效促进了夹杂物上浮，另一方面挡墙改进后有效降低了中间包过程的二次氧化。在工艺稳定情况下，原工艺大型夹杂物含量为42 mg/10 kg，改进挡墙后为15 mg/10 kg，挡墙优化后大型夹杂物有明显改善，较改进前降低了64.2%。

结束语

1) 优化后滞止时间相对原方案有一定提高，峰值时间提高明显，死区比例明显降低。原型方案1、2流滞止时间分别为33.17、36.50 s，峰值时间为162.17、67.17 s，死区分别为34.43%、41.03%；优化后1、2流滞止时间分别为34.17、38.67 s，峰值时间为184.17、70.17 s，死区分别为27.53%、40.80%。

2) 在原方案的基础上在上部两孔中间开一个同样大小的φ50 mm圆孔可以有效降低死区比例且可以使1、2流分布对称，为现场中间包流场流动优化提供了参考依据。

3) 在原方案的基础上，通过限定变量对孔径、开孔高度和孔的倾斜角度逐一进行优化，最大限度的优化中间包流场；优化孔径使从导流孔流出的液体尽量处于1、2流和3、4流的中间，可减小死区比例，改善对称性；改变孔的倾角或高度，以达到增加滞止时间的目的。

4) 通过水模型对该中间包内型结构及流场优化，铸坯大型夹杂物含量原工艺为42 mg/10 kg，优化后降低为15 mg/10 kg，中包挡墙优化后钢的纯净度明显改善，较原型大型夹杂物含量降低了64.2%。