酒钢方坯中间包冶金性能模拟评价.pdf

第 3 4卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 甘肃冶金 CANS U METAL LURGY Vo 1 ． 3 4 No ． 6 De c ．， 2 01 2 文章编 号 1 6 7 2 - 4 4 6 1 2 0 1 2 0 6 - 0 0 0 9 - 0 4 酒钢方坯 中间包冶金性能模拟评价 黄文胜 酒泉钢铁 集 团 宏兴股份有限公司炼轧 厂， 甘 肃嘉峪关7 3 5 1 0 0 摘要 以相似原理为基础 ， 用水模拟钢液研究中间包内的钢水流动特征， 通过测定模型中问包内液体的停留时间 分布曲线 R T D ， 计算其平均停留时间及死区、 活塞区和混合区的体积。 关键词 连铸 ； 中间包； 水模试验； 流场； R T D曲线 中图分类号 T F 7 3 4 ． 3 文献标识码 A Ev a l u a t i o n t o M e t a l l u r g y P e r f o r m a n c e S i mul a t i o n o f Bi l l e t Tu n d i s h i n J I S C0 HUANG W e n s h e n g J i u q u a n I r o n a n d S te e l G r o u p C o ． ， J i a y u g u a n 7 3 5 1 0 0， G a n s u Ab s t r a c t Ba s e d o n t he s i mi l a r prin c i pl e，s i mu l a t i o n i s c a r r i e d o u t o n t he flo w c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e mo l t e n s t e e l i n t he t u n d i s h ．T h e n c a l c u l a t i o n i s ma d e o n t h e me a n Re s i d e n c e t i me d i s t ri b u t i o n c u r v e a n d a n d t h e v o l u me o f t h e d e a d z o n e ，p i s t o n z o n e a n d mi x i n g z o ne ． K e y W o r d sc o nt i n u o us c ast i n g；t un d i s h；h y dr a u l i c mo de l e x p e rime n t ；flo w f i e l d；RTD c u r v e 1 引言 随着连铸技术的发展 ， 对钢材洁净度要求的进 一 步提高 ， 中间包 的精炼功能也越来越受人们的关 注， 研究 中间包内钢水的流动特性 ， 保持浇注过程稳 态浇注 、 排除非稳态 的干扰或者把非稳态浇注时间 缩到最短， 成为本次 实验 的 目标 之一。如何把非稳 态浇注铸坯洁净度提高 到稳态浇注水平 ， 对钢水 中 夹杂物的上浮分离起到十分重要的作用 ， 因此控制 中间包 内钢液的流动状况 ， 以便选择合理的流动模 式充分发挥中间包 的冶金功能⋯ ， 为生产实践提供 数据服务 ， 成为本次实验 的目的。 2 实验 原理与方法 2 ． 1实验原型 酒钢中间包主要参数 大包容量 6 0 t ， 浇注周期 3 0 m i n ， 大包浇口中心 线距中包水 口中心线 4 0 0 mm， 工作液面 8 0 0 m m。 中包耐材厚度 底面永久层 1 6 0 m m， 工作层 8 0 m m； 侧面永久层 1 0 0 m m， 工作层 8 0 m m。浇注钢种 主 要以普 碳 、 H R B为 主。铸 坯 断 面 1 5 0 m m 1 5 0 m m， 工作拉速 2 ． 3 m ／ mi n ， 拉速范围 1 ． 8 2 ． 6 m ／ mi n ， 中包 液面范 围 6 0 08 0 0 m m， 溢 流液 面 8 5 0 mm0 2 ． 2 实验 原理 对连铸 中间包 的水模型研究 ， 通常要 保证 R e 准数在同一 自模化区条件下， 考虑几何相似和 F r 准 数相等。 R e 墨 1 式中 P一钢液或水 的密度 ， k g ／ m ； U一中间包 内流体流动的特征速度， m／ s ； L一特征长度 ， 取 中间 包液面深度 ， m； 一 钢液和水 的动力黏度 ， k g ／ m S 。 2 孑 D P 在实验中， 参照有关文献 的报道并结合本课题 实际情况 ， 确定 为 1 3 。这样就可 以根据实际连 铸的拉速和水 口大小确定实 际钢液流量 ， 来求得水 模型的实验水流量 。从表 1可 以设定 实验 中的拉 速， 来测定中间包内示踪剂的停 留时间。 1 0 甘肃冶金 第 3 4卷 表 1 酒钢 连铸机拉速和 中间包水模型 出口流 量对 应关系 2 ． 3中间包混匀效果的评定 图 1是典型的采用刺激 -口 向 应法测量的混匀时 电 等 窳 间曲线 。对曲线的分析是了解中间包内流动行为的 重要 内容之一。当实验开始时 ， 中间包 内流动保持 稳定状态 ， 然后加入 K C 1 脉冲剂 ， 并开始计时和观察 中间包水 口出口电导率 的变化情况 ， 一旦发现电导 率明显升高时 ， 这时所花费的时间定义为滞止时间。 随着时间的进行， 电导率会出现一个峰值， 这时的时 间定义为到达峰值的时间。 图 1 刺激． 响应法混匀时间测定 曲线示意图 对平均停留时间的计算， 可以通过以下方法进 行计算 ∞ 一f t C t d t t 。 一 3 』 C t d t 式中 t 为时间 ； C t 为 t 时刻液体 中的示踪剂 浓度 ， 与电导率有线性 应关 系。如果按照分段间 歇计算可以得到 _∑C i t ‘ t i A t i 一 ∑C t A t i 应工程学科定义其为流体的停留时间大于2 倍理论 停留时间的区域。 入 口 囤 可 国 口 l 1 l l 固 ，、 图2 中间包流动混合模型简单示意图 4 C i t 为 t l 时刻的浓度 ， △ t 为微元时间间隔， 在 本实验中为 0 ． 5 s 。 对于测定的结果 ， 最重要的是从所测定 的t 与 理论平均停留时间的差距来分析中间包内的液体流 动行 为 ， 理论平均停 留时间是表征外来溶质元素从 进人中间包并完全混合后 ， 最后全部流出所需要 的 时间。而实测的t 。 则为实际模型工况条件下加人示 踪剂在中间包 内的停 留时间 ， 显然 ， 一般实测状态下 不可能完全混合 ， 也就是 t 要小于理论平均停 留时 间 t 璃， 只有 当实测工况确实能做到完全} 昆 合 时， 两 者才会接近。两者差距愈大， 说明混合愈差。习惯 上把形成两者差距的原因归结于在流体内形成了不 活跃区， 简称“ 死区” 。 ，l 在 R T D曲线基础上研究者 目前应用较多的模 型为活塞流和全混流串联再和死区并联组合成的混 合模型， 其简单示意 图如图 2 。活塞流的特征是流 体在流经反应器时， 所有微元 或微团 在反应器中 的停留时间相等 ； 全混流的特征是在反应器 内空间 的所有位置上 ， 对于任一时问流体的流动状态 ， 流体 中各组分 的浓度 ， 流体的温度都相同。对于死区， 反 本实验根据 R T D曲线计算各区体 积 比例 的模 型如下 1 死区体积 采用 Y． S a h a i 和 T ． E mi 提 出的计 算方法 2 Q ∑ c A t f 一 一 Q Xo C t A t i 5 2 活塞区体积 采用 Y ． S a h a i 和 R ． A h u j a提 出 的修正混合模型计算方法 6 9 T ， f 、 其中， t ra in 和 t rc a k 分别为滞止时间和达到峰值时 间。 3 混合区体积 1 ． 一 7 3 混合区体积 1 ‘ 一 7 应用上述模型得到每一流的死区、 活塞区、 混合 区体积分数。对于内外流 1 、 4流以及 2 、 3流的平 均值 进行平均停留时间、 滞止时间、 达到峰值时 间、 峰值浓度的比较， 采用标准偏差， 公式如下 8 第 6期 黄文胜 酒钢方坯中间包冶金性能模拟评价 滞止时间的长短主要决定于流体流动所经过的 距离 ， 滞止时间越长 ， 混合性能越好 ， 但过长的滞止 时间， 有时也会造成挡墙侵蚀的增加、 中间包覆盖剂 的卷入及温度损失增加等负面效果 。如果滞止时间 短、 到达峰值时间短、 峰值所能达到的最大值大， 混 合性能较差。 综上， 为了较为直观地评价各个方案的合理 陛， 本研究我们认为有综合评定效果的主要参数应该是 实际停留时间， 同时根据情况 ， 应用中间包墨水示踪 流场照片以及 R T D曲线作为评定标准。为此 ， 在本 课题实验中 ， 采用的评定效果有 以下两方面 1 对 比 不同方案实际停 留时间l的长短 。 2 对 比 1 、 4流和 2 、 3流之 间的均匀性。 3 实验方案 3 ． 1 装置的选择 实验采用 K C l 试剂在大包长水 口中间脉 冲加 人 ， 用 1 、 4 流 中间包边部两流 的平均值 和2 、 3 流 中问包中间两流 的平均停 留时间标准差来衡 量 四流之间的均匀性 。 图 3是 四条不 同的电导率曲线代表中间包 四流 不同的出口信号特征。每次实验均要重 复 3次 ， 确 保实验 的真实性和可重复性。 图 3 典 型的电导率测量结果 曲线 3 ． 2 研究目标和内容的确立 根据酒钢 中间包相关尺寸制作 1 3 4的实验 用模型 ， 经过相关水力学模拟研究。在具 体实验 中 考虑中间包不 同工艺因素 液 面高度、 拉速 对 中间 包内钢液流场的影响。 图 4是新 中间包模 型基本 尺寸。流 间距 4 0 0 m m， 没有控流装置， 只有塞棒。 图 4 模型中包尺寸确定 4 研 究结果及分 析 N O 方案的平均停留时间较短 图5 ， 2 2 0 2 8 0 S 之间。平均停留时间随着拉速变化并无规律性， 各流之间差异较大。从人 口区注入的钢水流动非常 混乱 ， 不利夹杂物的上浮。 由图 6和图7可 以看到 ， 注流的墨水在中间包 底部 向两侧发展 ， 使得在很短的时 间到达 内 中间 流 R T D曲线上 为 1 ． 5 S ， 而在 2 0 s左 右到达外 图 5 N O方案示踪流场照片 j12 5I il i 。。 ，E ．e-，m．。a il。Gl-S L； YJ Lsn Ia2 6cdm ．．．．． 1 2 甘肃冶金 第 3 4卷 边 流， 且内流峰值浓度约为外流 的三倍 ， 内外流 之间差异较大 ， 流场设计不合 理。无控流装置时近 水 口响应时 间短且示踪剂浓度达到最大值时时 间 短， 近水 口与远水 口响应时间峰值时间及峰值浓度 差别大。很大一部分新注入 的钢液直接 流向近水 口， 短路流严重 ， 中间包内钢液混合程度差。 图 7 方案 N O的 R T D曲线 4 ． 2 液面高度变化结果 图8 N 0 方案在不同液面高度时， 平均停留时间无规 律， 内外流差异大。 晴 理 翟 鼬 逝 嚣 譬_ 7 o o 波丽高艘 mm 图 8 方案 N 0 平均停留时间与液面高度关系 5 结语 1 无控 流装 置或仅用湍流抑制器控 流的 中间 包 ， 停 留时间很低 ， 不利于发挥中间包成分温度均匀 化和促进夹杂物上浮的效果。 2 钢液从钢包流出注人中间包后 ， 由于速度大 ， 穿透深度也很 大， 直达 中间包底部 ， 迅速 向四周铺 开。在铺开的时候靠近侧墙一侧流体迅速向两个侧 角分开 ， 然后沿侧壁上升 ， 钢水上升到液面后 ， 向钢 包注人 口处汇集 ， 形成卷吸循环区。 3 提高拉速和降低中间包液面高度会明显缩短 钢液在中间包内的停留时间。因此在进行较高拉速 浇注时 ， 要对钢液的精炼洁净度和温度控制提出更 高的要求。同时要尽可能保持稳定的高的中间包 液 面高度。 4 相关 的数值计算描述了有关钢液流动的基本 规律， 与所获得的物理实验结果 和现象相符。 5 酒钢现用的中间包 ， 其停留时间 2 2 0～ 2 8 0 s ， 随着拉速变化并无规律性 ， 中间流与边流之 间差异 较大， 流场设计不太合理 ， 应加以改进。 参考文献 [ 1 ] 王建军， 包燕平 ， 曲英． 中包冶金学[ M] ． 北京 冶金 工艺出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 李诗久． 工程流体力学[ M] ． 北京 机械工艺出版社 ， 1 9 79． [ 3 ] 曲英， 刘今． 冶金反应工程学导论[ M] ． 北京 冶 金工艺出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 4 ] 袁己百． 三流中间包流场的数学物理模拟[ D] ． 武汉 武汉科技大学， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 许南平． 钢铁冶金试验技术及研究方法[ D] ． 鞍山 鞍 山钢铁学院， 1 9 9 4 ． [ 6 ] 李志月， 倪修华 ， 奚卫英， 等． 二流连铸中间包内型优 化水模试验[ J ] ． 安徽工业大学学报， 2 0 0 5 ， 2 2 1 6 8 ． [ 7 ] 高运明，倪红卫． 改善钢水洁净度 的中间包新技术 [ J ] ． 炼钢， 2 0 0 0 ， 1 6 4 5 5 ． [ 8 ] 蔡开科． 中间包钢水流动控制的冶金效果[ C] ． 连铸会 议论文 ， 2 0 0 8 ． 3 ． 收稿 日期 2 0 1 2 8 1 4 作者简介 黄文胜 1 9 6 8 ， 男 ， 四川威 远人 ， 工 程师。长期从 事连铸 工艺研究。 靖