等离子加热六流连铸中间包底吹气过程

1、等离子加热六流连铸中间包底吹气过程数值模拟优化研究樊俊飞 刘俊江 卢金雄 任三兵（宝钢集团有限公司，上海201900）摘 要 针对宝钢六流连铸中间包等离子加热区域温度积聚严重的现象，提出了底吹气的解决方法。本文采用自编程序，在流动与传热耦合计算的基础上，对底吹气参数进行了仿真模拟研究。结果表明，未底吹气时，加热区域上部高温钢液不能很好地得到混匀并向两侧传输，而采用底吹气方式时，加热区域钢液温度比较均匀，两侧温度分布情况也有所改善。现场试验对比表明，采用优化后的底吹气方式，对夹杂物分布、增氮量、流间温差没有影响，对中间包包盖的熔蚀情况明显改善。关键词 连铸中间包，等离子加热，底吹气1. 前言等离

2、子加热过程是通过将气体电离后再复合，将电能转化为热能，通过直接和间接的热辐射实现对钢液加热的过程，它是一种洁净无污染的钢水加热方法，其加热效率大约为60%80%，其中来自加热室墙壁的间接热辐射要占到50%以上。采用等离子加热装置可实现低过热度浇注，中间包内钢液温度可控制在±5，相应地，炼钢过程的出钢温度可降低15201。由于实现了低过热度（1520）和恒温（±5）浇注，铸坯的内部质量（中心偏析和中心疏松等）和生产率得到了很大提高。等离子加热在国外，特别是钢铁工业发达的国家，如日本、美国、德国等都在积极研究、使用和推广该技术。而我国等离子加热技术起步较晚，衡阳钢管厂、武钢、宝

3、钢、唐钢、抚钢等钢铁企业先后引进了等离子加热技术。宝钢六流圆（方）坯连铸中间包的左右对称点设置了一套功率为1MW的等离子加热枪。由于等离子体的强烈高温只对表面相对比较平稳的钢液进行了加热，造成钢液的局部温度很高，直接加热效果相对较差，对中间包壁的热辐射相对较大，加热效率相对降低。目前存在的问题是中间包耐火材料的熔损较严重，尤其是造成中间包包盖耐火材料的熔蚀、剥落甚至导致中间包盖的坍塌事故，对连铸顺行十分不利。本研究采用数值模拟的方法，在未考虑底吹气对等离子直接加热效果影响的情况下，通过比较加热区域温度在无底吹气和底吹气情况下的分布，说明底吹气的必要性。2. 数学模型2.1. 控制方程(1)(2

4、)(3)(4)(5)(6)对于中间包底吹气过程，本研究采用由Castillejos和Brimacombe提出的两相区模型4来确定含气分率，即：(7)(8), (9), (10)(11)式中： ：两相区轴线上的最大含气率；：喷嘴处的气体流量，m3/s；：喷嘴直径，m；：最大含气率的半值距离，m；z：轴向距离，m。两相区的密度由下式计算：(12)2.2. 边界条件假设在自由表面上，所有变量的梯度为零，垂直方向的速度为零，钢液表面按平坦处理；流经大包长水口的流体，其入流速度垂直于中间包液面；在固体壁面上，采用不滑动的边界条件；在近壁区，采用壁函数对速度和湍流特性参数进行修正。在模拟温度场时，假设大包

5、钢液以恒温(1818K)注入到中间包内；在浇铸过程中，中间包壁的热传导和表面顶渣的热辐射视为稳态，通过包壁和表面渣层的热通量采用Chakraborty和Sahai的推荐值，即中间包纵向包壁、横向包壁、底面及表面渣层的热损失分别为3.2，3.8，1.4和15kJ/( m2.s)。在模拟等离子加热时，按加热功率为1MW的60%来计算对钢液的加热。不考虑底吹气对等离子直接加热效率的影响。2.3. 数值求解采用有限差分法对控制微分方程进行离散化处理，采用求解压力耦合方程的半隐式法（SIMPLE法）进行求解计算，对六流“T”形非完全对称中间包采用全场模拟方式，网格划分为117×42×

6、18。在VISUALFORTRAN FOR WINDOWS 平台上完成三维数值模拟程序开发。3. 模拟结果与讨论3.1. 流动特征图1为中间包在等离子加热无底吹气下不同截面的计算流场分布情况。可以看出，在等离子加热时，中间包中部的流动由于加热区域温度较高，高温钢液浮在表面。图2为中间包在等离子加热、底吹气情况下不同截面的计算流场和湍动能分布情况。由图可以看出，在气体吹入中间包底部后，在浮力作用下气包带动钢液以较快的迅速上浮，同时抽吸着底部较冷钢液向上流动，在钢液面接受加热，而后又向四周散开，再沿固体墙向下流动，形成中间向上、四周向下的环流。最后，钢液通过中挡墙的出流孔向两侧流出。从其流动方式可

7、以看出，在底吹气的作用下，中间包中部钢液得到了强烈的搅拌，对均匀钢液温度、提高直接加热效率必将产生积极的影响。而在中间包的两侧，在这样的吹气量下，底吹气对其流动方式影响较小。3.2. 温度分布图3、图4分别为在等离子加热情况下，无底吹气中间包和底吹气中间包纵向截面的温度分布。可以看出，在无底吹气情况下，在高温等离子体的作用下，钢液表面得到了强烈加热，温度又得不到很好地传递，于是形成了在中间包中上部加热区域高温钢液的聚集，对中间包上部及包盖耐火材料的熔蚀必然非常严重。可以推测，由于等离子体产生的高温得不到很好地吸收和传递，其辐射必然较强，将会造成中间包盖耐材的剥落甚至造成包盖的坍塌事故。(a)0

8、.2 m/s在底吹气时，由于气体的强烈搅拌使中间包中部钢液得以变得比较均匀，上部极高温钢液聚集很少，对耐火材料熔蚀程度大为减轻。可以推测，在这种情况下，等离子加热效率必然会有所提高，对包盖的辐射也必然有所降低，对保护包盖非常有益。(b)0.2 m/s0.2 m/s(c)图1 等离子加热无底吹气中间包纵向截面(a)、(b)和横向截面(c)流场图0.2 m/s(a)（a）y/W=0.01 (b) y/W=0.16 (c) x/L=0.5(b)0.2 m/s0.2 m/s(c)图2 等离子加热底吹气中间包纵向截面(a)、(b)和横向截面(c)流场图（a）y/W=0.01 (b) y/W=0.16 (

9、c) x/L=0.51835.01815.01818.01816.01817.01816.01820.01818.31818.0图3 等离子加热无底吹气中间包纵向截面温度分布(y/W=0.16)1821.71818.01816.01817.01816.01815.01816.01818.31820.0图4 等离子加热底吹气中间包纵向截面温度分布(y/W=0.16)3.3. 底吹气参数优化在相同底吹气量条件下，针对不同底吹气位置，根据出流温度变化、出流RTD曲线情况、对中间包包壁的冲刷情况等，确定了底吹气位置。图5所示为在优化的底吹气位置不同底吹气量下，不同出流温度及中间包中部一定区域平均温度的

10、比较。可以看出：在底吹气量为6L/min时，中间包中部一定区域平均温度较低，但三个出流温度相差较大。底吹气为810L/min时，中间包中部一定区域平均温度偏高，且三个出流温度相差也较大。底吹气为1215L/min时，中间包中部平均温度较低，且三个出流温度相差也较小。底吹气为2050L/min时，中间包中部平均温度较高，且三个出流温度相差也较大。由此确定底吹气的吹气量的范围为1215L/min为宜。3.4. 现场试验结果比较在连续等离子加热、功率在0.8MW的条件下，导致包盖坍塌的时间由无底吹气条件下的7090Min延长至采用底吹Ar气方式下的324Min，成功实现全程等离子加热的5炉连浇，直至

11、该钢种浇注完毕，且中间包盖状况无明显异常；在等离子加热底吹Ar气条件下，铸坯低倍夹杂和线材盘条夹杂水平都未恶化，甚至反而有好转的迹象；即使使用100%的N2等离子加热方式，在底吹Ar气条件下，对连铸增N量无影响而只与连铸钢液原始N含量有一定的关系；底吹气条件下，不同等离子加热功率对流间温差大小无明显影响，总体呈现第3流至第1流温度越来越低的趋势，但是平均温度相差在1左右，说明钢水在不同流之间较均匀。图5优化底吹气位置不同底吹气量下不同出流温度及中间包中部平均温度比较4. 结论通过数值模拟研究和生产现场试验的分析、比较，可得到如下结论：4.1. 采用底吹气方式是解决混匀中间包中部等离子加热时温度

12、不均匀、高温钢液漂浮在上层而得不到很好地向两侧传输问题的有效方法；4.2. 生产实际表明，CFD数值模拟方法所优化的底吹气位置和底吹气量是合理的；4.3. 等离子加热中间包采用底吹Ar的方法，使中间包包盖的寿命大大延长；4.4. 在等离子加热中间包底吹Ar气条件下，对铸坯的夹杂、增N量无影响。参考文献1. Li R S, Li Y H, Zhou D G, Hu X G. Iron and Steel,1999;34:70 （李润生，李延辉，周大刚，胡学军. 钢铁，1999；34：70）2. Kirshenbaum A D, Cahill J A. Trans AIME, 1962,224:8

13、163. Launder B E, Spalding D B. Mathematical Models of Turbulence. London, Academic Press, 19724. A H Castillejos, J K Brimacombe. Metall. Trans, 1987;18B:6595. Launder B E, Spalding D B. Computer methods in Applied Methanics and Engineering, 1974,3:2696. He Y and Sahai Y. Metall. Trans. B, 1987,18B: 817. 樊俊飞，张清朗，朱苗勇，王文忠.六流连铸中间包内流动