六流T形连铸中间包内控流装置

1、六流T形连铸中间包内控流装置优化的水模研究樊俊飞张清朗朱苗勇雷洪王文忠(宝山钢铁(集团)公司(东北大学)摘要通过水力学模拟六流连铸中间包后发现，原设计的中间包在夹杂物的上浮及温度的均匀性方面还存在不足，不能很好地满足生产工艺要求。通过优化设计，提出了促进夹杂物上浮和均匀中间包内钢水温度的设计方案。本文还提出了多流连铸中间包流动特性的评判方法，为类似的水力学模拟试验提供了参考。关键词连铸中间包水模优化WATER MODELING STUDY ON OPTIMIZATIONOF FLOW CONTROL DEVICES IN “T” TYPE TUNDISH OF SIX-STRAND CASTE

2、RFAN JunfeiZHANG QinglangZHU MiaoyongLEI HongWANG Wenzhong (Baoshan Iron and Steel Corp.)(Northeastern University)ABSTRACTWater modeling of the six-strand caster tundish shows that the original design of the tundish can not meet the technical requirements for inclusion floatation and temperature hom

3、ogenization. In present study, a proposal to improve the inclusion floatation and temperature homogenization of molten steel is presented through an optimizing study by water modeling. In addition, a method for evaluating the flow characteristics in multi-strand tundish, which can be applied to the

4、similar water modeling study is introduced in this paper.KEY WORDScontinuous casting, tundish, water model, optimization1前言连铸中间包不仅是稳压、分配钢水和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、均匀钢水温度等保证铸坯质量的关键设备。连铸中间包内的控流元件(挡渣墙和挡渣堰等)的设置参数对中间包内非金属夹杂物的上浮及均匀钢水温度起着至关重要的作用。对于多流连铸中间包来说，各流出口温度及所含夹杂物的大小和数量会有很大的差异，从而给铸坯质量控

5、制带来很大的困难。因此，寻找合理的中间包控流元件的设置参数，对多流连铸中间包来说具有特别重要的意义。事实已经证明中间包的水模试验研究是寻找合理、有效控流元件的最直观、最方便的方法。前人的工作大多对单流水口中间包进行了水模研究，或对左右对称的双流水口中间包只根据其中的一个水口来对此中间包进行研究和评价，这是完全可以的。对于多流对称或非对称中间包的研究，目前还没有形成大家都可以接受的评价方法和理论模型。有的研究者根据各流的流动特点(利用颜色或测定的时间)进行半定量分析，而有的研究者将多出水口简化成单出水口来近似模拟，或分别考察每一流的特性而没有将各流的流动特性归结成中间包内的整体流动特性而对中间包

6、的设计作出评价。为了使多流中间包不仅能较好地排除钢水中的夹杂物，而且还能使各流之间的温度差尽可能减小，操作更加顺行，钢质进一步提高，本文针对六流T形连铸中间包进行控流元件参数的优化研究。由所测得的停留时间分布(RTD)曲线来定量地描述中间包内总体的流动特性，最终评价中间包控流参数的优劣。2试验原理及方法2.1相似准则在中间包系统中，流体的流动主要是重力和惯性力起主导作用的湍流流动，故选用弗劳德数作为试验的决定性准数13。则可得式中，下标pr、m分别代表原型和模型；u、l、g分别为流速、特征长度和重力加速度。模型的比例系数则可推得模型与原型体积流率的关系为Qm=5/2Qpr(3)本试验选取=1/

7、4，则可根据实际拉速确定试验中所对应的水的体积流率。2.2RTD曲线的分析由于流体在中间包内的流动并非理想流动，因此按照混合模型分析，中间包内的流体流动可分为3部分13，即活塞流、全混流和滞流区(死区)。这3个区的大小可由试验所测得的RTD曲线计算而得1。活塞流体积分数滞流区体积分数Vd=1-AV(5)全混流体积分数Vm=1-Vp-Vd(6)式中，无因次时间；理论停留时间ts=(V)/(Qm)；平均停留时间或；tmin为从示踪剂的加入到中间包出口处示踪剂开始响应的时间；tpeak为从示踪剂的加入到中间包出口处示踪剂浓度达到最大的时间；Qm为水的体积流率；V为实验时中间包内水的体积。2.3离散程

8、度考察对于多流连铸中间包，理想的情况是从各出水口流出的钢水在中间包内具有相同的流动特征，即应有相同的响应时间tmin、相同的停留时间ta和相同的钢水温度等，从而保证生产的顺行、铸坯质量的提高。但这样的情况在中间包设计的过程中是很难得到的，只能使它们尽可能地接近，避免过度分散。用标准差来考察它们的分散程度4(7)式中，S为标准差；xi为第i个样本值；为样本的算术平均值；N为样本个数。本文中的i为16，x分别考察6个流的tmin、tpeak和ta。S值越大，说明所考察参数的离散程度也越大，越不一致。所以，对于六流连铸中间包来说，所考察参数的S值越小，说明六流的流动特性越接近，这正是优化多流中间包控

9、流装置的目的和关键所在。2.4优化方法及试验方案为了设计出理想的中间包，使其各流的流动特征趋于一致，夹杂物易于上浮和排除，钢水在中间包内的滞流减小，新老钢水的混合加快，各流钢水温度均匀，提出多流连铸中间包内控流元件参数的优化设计方法：(1) 适当延长近流(中心流)的响应时间；(2) 适当缩短远流(侧流)的响应时间；(3) 降低各出水口响应时间tmin的标准差Stmin；(4) 降低各出水口浓度峰值时间tpeak的标准差Stpeak；(5) 每个出水口应有合适的平均停留时间ta且它们的平均值taav应较大；(6) 降低各出水口的平均停留时间ta的标准差Sta；(7) 增加相对于各出水口的中间包内

10、平均活塞流区体积分数Vpav；(8) 增加平均活塞流区体积分数Vpav与平均滞流区体积分数Vdav之比Rp/d。为此，本文除了介绍原型和空包的流动特性之外，还选择了具有代表性的7种控流方案。3结果分析与讨论各种方案分析计算结果见表1(因左右数据差别较小，故只列出左边13流的tmin，原型中间包、无控流装置的空包及具有说明性、代表性的方案、的RTD曲线参见图14。图 1原型中间包RTD曲线示意图Fig.1 Schematic diagram of the RTD curves of original design tundish图 2无控流装置中间包RTD曲线示意图Fig.2 Schematic

11、 diagram of the RTD curves without flow control tundish表 1试验结果Table 1Experimental results 方案tmin1/stmin2/stmin3/sStmin/sStpeak/staav/sSta/sVpav/%Rp/d/%原型73291324.7929.54272.3852.6921.740.57空包251368.2011.02147.4249.027.580.132415185.374.88217.5823.2920.590.5361341519.3123.15257.4826.3320.750.60292418

12、4.8623.76314.2214.2419.141.1666271321.1225.00279.2071.4921.070.584334344.878.68213.2125.3220.640.5245272012.3711.19275.8618.6619.040.764527297.607.45185.4218.5021.270.44图 3方案的RTD曲线示意图Fig.3 Schematic diagram of the RTD curves of type flow control tundish图 4方案的RTD曲线示意图Fig.4 Schematic diagram of the RT

13、D curves of type flow control tundish从图14可以发现：(1) 虽然T形中间包在钢包钢水注入区的左右是不对称的，但这对整个中间包的流动特性的影响很小；(2) 原设计的装有导流管的主挡墙具有其合理的一面，但考虑到它对加工、安装过程以及对耐火材料的要求都比较高，因此在优化过程中将装有导流管的主挡墙改为上挡渣堰与下挡渣墙的组合形式。由试验结果可知，主挡墙的这种改动对中间包内流动特性并没有产生不良影响；(3) 主侧挡墙改为带有上、下两个泄流孔的形式，对提高活塞流区比例、降低滞流区比例是有好处的；(4) 由于流入1、6流的钢水在中间包内已经流动了较长时间，因此将1、6

14、流上游侧挡墙的高度降低甚至取消，对缩短1、6流的响应时间及平均停留时间，均匀各流的流动特性是有好处的；(5) 根据试验结果来看，方案和方案与“多流连铸中间包内控流元件参数的优化设计方法”符合得最好，在去除钢水中的夹杂物和均匀每流钢水温度方面要优于原设计的中间包。但从加工、安装以及对耐火材料的要求等方面考虑，推荐方案为现场生产使用的最佳方案。4结论(1) 作者推荐本文方案为最佳实施方案。(2) 本文所提出的“多流连铸中间包内控流元件参数的优化设计方法”是简单、可行和有效的。(3) 本文所述的方法和结果只是从水模过程中得到的，有待于在今后的试验过程中进一步细化，在具体的实施过程中加以验证和改进。参考文献1Yogeshwar Sahai. Fluid Dynamics of Continuous Casting TundishesPhysical Modeling. Steelmaking Conference Proceedings ISS-AIME. 1986. 677687.2Knoepke J, Mastervich J. Water Modeling Inland Steels N