不锈钢连铸矩形连铸中间包流场优化试验研究

不锈钢连铸矩形连铸中间包流场优化试验研究

0控流装置设计分析高质量是生产高质量不锈钢的基础。连续性和铸造表面的混合是导致不锈钢翻新率高的原因之一。同时，内部不锈钢混合也是减少或废弃冷焊板的主要原因之一。某不锈钢厂铸坯表面皮下夹杂较多,严重影响了冷轧板的表面质量。经调查,发现连铸中间包的控流装置设计存在严重问题,下挡墙高度较低,且中间开有较大的开口,钢水进入钢包后沿着包底流出,大大缩短了钢液的停留时间,使钢液的过热度变大,夹杂物的上浮去除效果较差。合理的中间包设计直接关系到铸坯的质量。为充分发挥中间包的冶金作用,促进钢液混匀和夹杂物上浮。笔者以单流板坯矩形中间包为研究对象,依据相似原理,通过水模型试验,对原型中间包的流场进行物理模拟,综合考虑流场显示与响应曲线(RTD曲线),分析其结构的合理性。针对流场存在的问题,就影响流场的关键因素,采用正交试验的方法对中间包内部控流元件进行优化。通过优化中间包控流装置改善中间包内钢液的流动状态和分布,提高钢液的平均停留时间和减小死区比例等相关的参数,从而使钢液中的非金属夹杂物充分上浮排除,提高钢水的洁净度。1水模型试验的原理和方法1.1中间包流体模型的建立某炼钢厂的中间包的形状如图1所示,采用塞棒进行控流,其主要参数见表1。根据相似原理,模型与实型中液体流动相似的基本条件是几何相似和动力相似。选择几何相似比例λ为1∶2,用有机玻璃制作模型;对于动力相似,将中间包内的流体的流动视为粘性不可压缩流动,用水模拟钢液(见表2),由于选择水模型与实际中间包中液体流动状态均已处于第二自模化区,故只要保证弗鲁德准数Fr相等(Frr=Frm)即可。计算出流量比为λ5/2,速度比为λ1/2,速度、流量模型与原型的关系式:um=0.707ur,Qm=0.177Qr。实验模拟系统如图2所示。1.2中间包内钢液流动规律和模型根据刺激响应原理,在连续流动的钢包注流中,当中间包的液面稳定后以脉冲方式定量加入示踪剂(饱和KCl溶液),同时在中间包出口处利用电导率仪、计算机及数据采集系统测定示踪剂浓度随时间的变化曲线,从而得到流体在中间包内的停留时间分布(RTD),通过对RTD曲线分析计算,可得到流体在中间包内的平均停留时间(-τ)(−τ),滞止时间(τs),峰值时间(τm),根据描述中间包内钢液流动的修正混合模型,可计算活塞区体积分数(Vp/V),全混区体积分数(Vm/V)和死区体积分数(Vd/V)。这些参数是评价中间包内流场好坏以及夹杂物上浮几率的重要指标。一般停留时间长,滞止时间长,死区体积分数小,有利于中间包内钢液的混匀和夹杂物上浮去除。中间包内钢液的流动过程可作如下数学描述:(1)钢水实际平均停留时间-τ=Δτn∑i=1iCin∑i=1Ci−τ=Δτ∑i=1niCi∑i=1nCi式中Ci—水口出口示踪剂的浓度;i—采样次数;Δτ—采样时间间隔。(2)理论平均停留时间(τ0)τ0=V/Q=(0.537875/3.2)×3600=614.7s(3)活塞区体积分数(Vp/V),全混区体积分数(Vm/V),死区体积分数(Vd/V):Vp/V=τs/τ0‚Vd/V=1--τ/τ0‚Vm/V=1-Vp-VdVp/V=τs/τ0‚Vd/V=1−−τ/τ0‚Vm/V=1−Vp−Vd本试验利用DJ800水工测量仪对钢液的流动进行模拟监测,每次采样时间为25min,采样间隔时间为0.1s,每个工况连续测三次,然后取平均值作为研究数据。在计算机数据采集完成后,通过颜色示踪法进行中间包流场显示,向中间包内脉冲加入500mL自来水和大约30mL的墨水,用高速摄像机来观察中间包内颜色示踪剂的流动轨迹。由于选用的示踪剂与水的跟随性好,示踪剂的流动趋向可有效地反映中间包内流体的流动。1.3中间包流量分析试验方案的设计,考虑了以下原则:①尽量减少中间包内所留的钢水;②尽可能提高平均停留时间;③上挡墙、下挡墙制作简单,安装方便,所需耐材少,寿命长。原型中间包考虑到不锈钢为高附加值钢种,对中间包下挡墙开口,减少包内留钢。首先利用原中间包的参数(见图3),在不同拉速下对流体的流动状态进行检测;其次以上挡墙的位置、高度,上下挡墙之间的距离,下挡墙的位置、高度以及开口等作为考察参数,在一定拉速下进行优化,最后对原型中间包和优化后的中间包流场进行显示对比,以了解中间包内钢液的流动途径和流动状态。2试验结果及分析2.1全场流场所占比例在原中间包结构参数下,进行不同拉速下水模型研究,试验参数如表3所示。试验结果如表4所示。由表4可看出,不同拉坯速度下,原中间包钢水的平均停留时间均较短,死区所占比例较大,相应的活塞流体积分数较小。以流量为3.2m3/h,拉速为1.2m/min时的流场为例,如图4所示。由图4可知:钢水进入中间包后,经湍流控制器返回上表面,与下来的流体碰撞,返流到达中间包自由表面后,经上挡墙的阻挡,产生一个向上的流动,但湍动能较弱,上挡墙的周围存在较大的死区,下挡墙的高度较小,且下挡墙的中间开了较大的口,钢水沿包底直接流向出口,导致严重短路流现象。2.2正交试验结果本试验采用正交试验,先利用正交表的极差分析辨别影响因子的主次,预测更好的水平组合,并为进一步的试验设计提供依据;然后利用正交表的方差分析考虑误差,把各因子水平变化引起试验数据间的差异同误差所引起的试验数据的差异区分开来,从而定量描述因素的影响是否显著,得出较优的试验方案。确定试验为四水平五因素试验,采用L16(45)正交表头,共16组数据,正交试验水平表如表5所示,试验结果如表6所示。由表6可知,正交设计方案中方案15平均停留时间最长,滞止时间也最长,而且死区比例最少,是试验方案中最优的试验组合,其流场如图5所示。由图5可知,与原型中间包流场相比,死区和短路流基本消失。钢水经过冲击区后,主股流有较大的湍动能,一部分液体碰到包壁后迅速上翻,另外一部分在沿包底流动的过程中受到下挡墙的阻挡,向钢水自由表面流去,钢液中的夹杂物在较短的时间可上浮到表面,这有利于夹杂物的去除。从表6可看出,影响中间包流场的最主要因素是下挡墙的开口大小,次要因素为下挡墙的高度,上挡墙的位置和上挡墙的高度影响程度相差不大,次于因素下挡墙的高度,上下挡墙之间的距离对中间包流场影响最小。最优的试验方案是上挡墙位置375mm、上挡墙高208mm、上下挡墙之间距离575mm、下挡墙高度100mm、下挡墙开口为0mm。2.3下挡墙开口对流场的影响针对正交试验结果,对下挡墙的高和开口两个参数进行试验验证,试验选择上述最优方案且中间包流量采用3.2m3/h,拉速1.2m/min,试验方案及结果见表7、8。根据表8可知,下挡墙的高度对中间包流场影响很大,随着高度增加,平均停留时间增加、滞止时间增加,死区比例减少;下挡墙是否开口对中间包短路流影响较大。验证试验证实了正交试验结果的正确性,最优方案结果很好,明显优于正交试验方案中的最好组合。下挡墙开口,虽然很小,但是滞止时间大大减少,表明中间包内产生短路流现象。根据验证试验结果得出,下挡墙越高越好,考虑到生产高附加值钢高效低成本高质量的经济技术目标,下挡墙不能过高。在本模型中建议下挡墙的高度100mm或者75mm,由于下挡墙的开口对流场影响很大,建议下挡墙不要开口。验证试验最优流场显示如图6所示。由图6可知,钢水经长水口进入中间包后,以较大的速度注入湍流控制器,与湍流控制器内壁发生碰撞后反向向上流动,钢包注流冲击区空间变大,注入区回流变小,主股流经上挡墙迫使钢水侧向上流动,部分沿包底流动的钢水在下挡墙的作用下流向钢包的自由表面,阻止了短路流,延长了平均停留时间,可使夹杂物充分上浮,同时避开了钢水流对塞棒的冲击。综合考虑RTD曲线及流场显示,根据本模型,在拉速1.2m/min,浇铸断面为1235mm×200mm,其他中间包结构参数不变的情况下,不锈钢连铸中间包水模型上下挡墙设置最优方案:上挡墙位置:375mm(实际750mm)、上挡墙高:208mm(实际416mm)、上下挡墙之间距离:575mm(实际1150mm)、下挡墙高:100mm(实际200mm)、下挡墙开口:0mm。3优化挡墙组合控流效果分析对原型中间包、优化挡墙组合方案进行工业试验,试验在其他工艺和装备条件相同的情况下,分别进行两个浇次4炉试验,试验钢种为304不锈钢,浇铸断面为1235mm×200mm,通过取样对比分析铸坯中全氧,以及夹杂物含量和形态分布,并对冷轧板质量进行对比分析,以评价三种控流方式的冶金效果。与原型中间包相比,中间包在优化挡墙组合控流作用下,铸坯中显微夹杂物数量减少,特别是尺寸在20μm以上的夹杂物,见表9。铸坯中T[O]从58.5×10-6下降到25.4×10-6,降低了50%,纯净度得到了较大的提高。冷轧板不良废品率从10%下降到5%,减小了50%。4最佳方案验证试验结果(1)某钢厂不锈钢连铸中间包控流装置结构不合理,原型中间包在不同拉速下,钢水在中间包内平均停留时间短,死区体积大,短路流现象严重。(2)采用正交试验通过极差分析得到影响中间包内流场主次因素:下挡墙开口>下挡墙高>上挡墙的位置>上挡墙高度>上下挡墙之间的距离。且得到中间包水模型最佳方案:上挡墙位置375mm,上挡墙高208mm,上下挡墙之间距离575mm,下挡墙高100mm,下挡墙开口0mm。(3)验证试验结果表明:最佳方案与