五流小方坯连铸中间包结构优化研究

五流小方坯连铸中间包结构优化研究

1中间包结构优化连铸中间颗粒的作用不仅是一个稳定、分配钢水的缓冲容器，也是保证钢水连续输送的缓冲容器。同时，促进钢水成分和温度的均匀迁移，提高保证铸造质量，确保连铸生产顺利。其中，中间袋控流装置不仅能保证中间包的金银效应，而且能促进中间包的金银作用。南钢转炉厂现有的二号机五流小方坯连铸机为梯形结构中间包,目前没有任何空控流置装置,难以满足品种钢生产的需要,因此,对中间包结构优化是一项非常迫切的工作.尽管关于优化中间包结构优化的研究很多,但由于板坯连铸机多为矩形中间包,而方坯连铸机多为T形中间包,关于连铸中间包结构优化的研究也多以这两种结构中间包为研究对象,而关于梯形中间包结构优化的研究较少.本研究结合该连铸机目前生产的具体情况,采用数值模拟和物理模拟方法对中间包内流场进行了研究,并确定了合理的控流装置,以促进连铸生产顺行和铸坯质量的提高.2实验2.1湍流场的力学数值模拟采用FLUENT软件进行计算,根据计算流体动力学,进行一定的假设,给出足够的初始条件和边界条件,控制方程为连续性方程、动量方程及描述湍流流动的k-ε方程.鉴于中间包形状的对称性,仅计算了1/2区域的流场.2.2实验模型和方案在物理模拟中,要求模型中间包与原型中间包的几何相似和动力相似.选取模型与原型的几何相似比选取1:4.实验时通过长水口注入示踪剂,用“刺激-响应”法获得实验数据,并将数据处理后得到RTD曲线和中间包流体流动特性参数(包括响应时间Tmin、峰值时间Tpeak、平均停留时间Tm、活塞流体积分率Vp、死区体积分率Vd及全混流体积分率Vm等),以此来描述中间包内流体的流动特性,评价中间包内控流效果优劣.在进行水模实验时,取低、高两个不同水平的拉速(即2.0和2.2m/min)进行研究.考虑到中间包结构的对性称,实验中只考察3流、4流和5流.实验模型采用有机玻璃制作,实验装置示意图如图1所示.其中,导流墙有圆孔和矩形孔两种开孔方式,导流坝有与前后包壁垂直和倾斜两种布置方式.为研究中间包内控流装置的布置方式对中间包流场的影响,采用表1所示实验方案进行研究.3结果与讨论3.1钢水流场的组成通过FLUENT软件模拟几种实验方案,并进行了比较,典型结果以原型和方案III来说明.图2(a)为原型中间包在中流量条件下的速度矢量图.可以看出,原型包内由于无任何控流装置,钢水自大包长水口注入中间包时,冲击包底后迅速向四周铺展,由于3流和4流水口距冲击区距离短,钢水容易经底部直接到达这两个水口,导致这两个水口钢水分配多,并且距离长水口较远的侧壁附近钢水流动的速度很低,几乎不流动,易形成死区.从图2(b)~2(d)看出,钢水从长水口流到湍流控制器后,消弱了注流的能量,从矩形导流孔流出后,形成带有角度的向上的流股.流股使3流和4流之间形成一个小的循环及4流和5流之间形成一个大的循环,对包内的流场起到了很好的搅拌效果,有利于钢水的混合及能量的交换.并且由于挡坝的存在,使钢水在4流和5流之间分配趋于合理.3.2控流装置的设计原型中间包采用高拉速时的RTD曲线如图3所示,计算出的中间包高拉速时流体流动特性参数如表2所示.可以看出,5流的响应时间比3,4流分别短12和10s,峰值时间分别短19和14s,平均停留时间分别长38和7s.此外,3个流的活塞流体积和全混流体积相差很大,死区也较大.3,4,5流的死去体积分别为48.1%,47.2%和38.2%,平均为44.5%.从图3可以看出,3流和4流的响应时间和到达峰值时间都很短且峰值很高,结合数学模拟结果,可以认为此时存在短路流.各流间流动特性的差别,不仅影响铸坯质量,也不利于生产顺行.因此,必须进行控流装置的优化设计.方案I采用了湍流控制器,并在冲击区设置了围墙,其中围墙两侧开设圆形导流孔,在4流和5流之间设有垂直导流坝.拉速为2.2时方案I的RTD曲线如图4所示,此时计算得到的的中间流体流动特性参数如表2所示.钢水从长水口到达湍流控制器后,经圆形导流孔从导流坝导出,减少了钢水的湍动能,并通过增加钢水的行程,延长了钢水在中间包内的停留时间,3流和4流与原型相比响应时间分别延长8和9s,3流的平均停留时间延长了21s,活塞流体积增加了4倍,全混流体积也明显增加,有利于促进钢水混合与能量交换.但这种控流装置的布置和开孔方式仍然存在不足之处,即流股对流场的搅拌能力仍不足.从图4还可看出,3个流股间峰值时间相差较大且峰值较高,表2也表明此方案的活塞流体积较低,死区体积仍偏高,对实际生产不利.因此需要进一步优化.方案III采用了围墙侧壁的开孔为斜向上45°的矩形开孔,同时3流对面围墙为斜向上45°的圆孔,并在4流和5流之间设有斜倒流坝.图6是拉速为2.2m/min时的RTD曲线,流体流动特性参数如表2所示.4控流方案的rtd曲线本研究结合南钢小方坯连铸机生产具体情况,利用数值模拟和水模拟对梯形中间包结构进行了优化研究,并得出以下结论.(1)梯形中间包由于冲击区距各流间距离差别较大,导致中间包内各流间钢水的流动特性存在较大的差异,钢水在各流间分配不合理.(2)原型中间包内由于没有任何控流装置,3流和4流的响应时间和平均停留时间过短,并且存在明显短路流.此外,各流的死区体积较大,平均高达44.5%.(3)采用湍流控制器+围墙+导流坝的控流装置优化后,3流和4流的响应时间明显增加,分别增加到11和13s,使各流间停留时间分布趋于一致.此外,平均死区体积为29.1%,比原型显著减小.研究结果有利于生产顺行和铸坯质量的提高.方案II采用了围墙侧壁的开孔为斜向上45°矩形导流孔,3流对面围墙为斜向上45°圆孔,在4流和5流之间设有直导流坝,直导流坝距向5流移动了一定距离.拉速为2.2m/min时方案II的RTD曲线如图5所示.与方案I相比,此方案各流之间的响应时间与峰值时间比较接近,峰值也明显降低,说明各流间钢水分配比较合理,从矩形导流孔导出的带角度的流股对包内的钢液的搅动能力大于方案I.但此方案也存在不足之处,即活塞流体积和死区体积偏高,且挡坝距5流水口过近,容易因耐火材料卷入而在铸坯中形成大型外来夹杂,影响铸坯质量.从表2可以看出,与方案II相比,此时3流、4流和5流的峰值时间分别达到了23,24和26s,较其他方案得到了明显延长.此外,活塞流体积和全混流体积均有所增加,且各流的平均停留时间更加均衡,死区体