五流大方坯连铸中间包的水模型实验研究

五流大方坯连铸中间包的水模型实验研究 徐益峰1 刘乐东1 代 刚1 钟良才2 (1 苏钢集团有限公司技术中心，苏州 215151 ；2 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110004)

摘 要:通过水模型实验对苏钢五流大方坯连铸中间包现状进行了流体流动的模拟研究，发现了存在问题并提出改进方案。结果表明：五流中间包通过设置合理的控流装置(坝/墙)后，中间包内钢水的最小停留时间大大增加， 峰值浓度时间和平均停留时间均增大，死区体积分率下降明显。 关键词：五流中间包，水模型实验，流体流动特性，优化 中图分类号：TP77 文献标识码：A 文章编号:1674-0971(2009)04-031-04

Experimental Research on Water Modeling of Liquid Steel Flow

Field in Tundish for Five - strand Bloom Caster 1 1 1 2 Xu Yifeng1 ，Liu Ledong1 ，Dai Gang1 ，Zhong Liangcai2

(1 R&D Center，Suzhou Steel Group，Suzhou215151，China； 2 College ofMaterials Science and Metallurgy ， Northeastern University ，Shenyang 110004) Abstract：Simulation research on fluid flowing in tundish for five - strand bloom caster in Su Steel was carried out by water modeling.Then existing problems were found and improving measures were put forward. It is shown from the research that the rational FCDs(dam/baffle) can greatly increase the minimum residence time，peak concentration time and the average reaidual time and reduce the dead region. Key Words：5 - strand tundish，Water model experiment，F1uid flow characteeristic，Optimization

引言 苏钢集团有限公司新区生产线定位于中、高端产品用户，高质量的铸坯（中间产品）是最终产品的前提条件和基础。从钢的熔炼和精炼到浇注成固态连铸坯这个生产流程中连铸中间包是保证获得优质钢的最后、最为关键的一环。中间包冶金是一项特殊的炉外冶金技术，国内外关于中间包冶金展开了大量的研究[1-3]。对净化钢液的措施而言，除中间包的几何结构和容量外，中间包中钢液的流动状态起到关键的作用。对于三流以上的多流中间包而言，由于中间包几何形状复杂以及钢包注流在中间包的冲击点与各流水口的距离不同，如果中间包的结构设计不好，会造成中间包各流间的停留时间分布曲线、温度分布和浓度分布产生很大的差别，这些差别影响到钢液的质量和可浇性。因此，在多流中间包的实际操作中，除了希望各流具有最佳的流动特性外，还希望各流间的流动特性相一致。 收件日期：2009-08-17 作者简介：刘乐东(1969- )，男，高级工程师；E mail:ledongliu888@I26.com 本研究针对苏钢五流大方坯连铸中间包，采用物理模拟的研究方法，对原有的中间包结构进行模拟实验，确定原中间包结构在正常浇注和非正常浇注的流体流动特性。在此基础上，对中间包结构进行改进，优化钢液在5流中间包的流动特性。

1 实验方法 1.1物理模型建立 在建立中间包冷态模拟试验中，主要考虑几何相似和动力相似。物理模型的建立，必须保证模型与原型的几何相似，根据中间包尺寸和实验室条件，本实验取相似比1:2.7。模型中间包内形几何尺寸、结构及原导流隔墙如图1所示。

1.2模拟原理 一般而言，中间包的钢液流动处于湍流流动。有研究表明，在湍流流动条件下，不论中间包的几何形状和尺寸大小，流动过程的湍流Ret数是非常相近的。在此基础上，要保持在湍流流动范围的原型中间包的流动与模型中间包的流动相似，只需保证原型中间包和模型的Fr数相等，即: a）模型中间包内型尺寸及结构 b）原导流隔墙 图1 模型中间包内型尺寸、结构及原导流隔墙

Fig. 1 Inside size，structure of model tundiøh and original diversion wall

2.2模拟原理 一般而言，中间包的钢液流动处于湍流流动。有研究表明，在湍流流动条件下，不论中间包的几何形状和尺寸大小，流动过程的湍流Ret数是非常相近的。在此基础上，要保持在湍流流动范围的原型中间包的流动与模型中间包的流动相似，只需保证原型中间包和模型的Fr数相等，即 22ppmmUglUgl (1) 式中，下标m代表模型；下标p代表原型。由此可得模型中间包的流量和原型中间包的流量关系为 pmQQ5.2 （2） 由式（2）可以计算出模型中间包的流量与实际中间包在不同断面和拉速下的对应值。 1.3实验装置及方法 本实验的物理模型装置由大包、中间包模型、电导率仪、数据采集系统和计算机组成。中间包模型采用有机玻璃制作而成，实验装置示意图如图2所示。 水模实验时，加入示踪剂测定之前，让模拟钢水的介质—水流入模型钢包和中间包内的模拟高度。然后打开中间包水口，在保持钢包和中间包液面深度稳定的情况下流动5min，从长水口注流加入示踪剂测定测定其在中间包的停留时间分布（RTD）曲线，示踪剂采用浓度为0.2g/ml的NaCl溶液，每次实验加入200ml。 示踪剂从长水口流入中间包内，从中间包水口流出，通过电极，测出从中间包水口流出的流体的电导率随时间变化的曲线。每次实验重复进行两次，取两次实验结果的平均值作为该条件的中间包流体流动特性。

图2 中间包水模实验装置 Fig.2 Experimental installation for tundish water modeling 从模拟实验得到的中间包各流停留时间分布曲线，可

以直接得出示踪剂到达该流水口的最小停留时间tmin和示踪剂浓度达到最大时的峰值时间tmax。还可以得到示踪剂在中间包内的实际平均停留时间tav，活塞流体积分率Vp、死区体积分率Vd和混合流体积分率Vm。

2 实验结果及分析 2.1正常浇注 在原型中间包结构下，五流全开，对浇注195×195mm2方坯，拉速为1.5m/min的工况，实验测定的典型停留时间分布曲线如图3所示，得到该条件下中间包的流动特性见表1。 从图3和表1可知，在五流全开的正常浇注条件下，中间包采用原导流隔墙，第3流的最小停留时间最小，峰值浓度时间在42.25s，因此第3流的活塞流体积分率很小， 不到6.0%。这是由于中间包冲击区体积小，中间包第3流又十分靠近钢包注流冲击区，另外，原导流隔墙正面有两个导流孔，位于第3流的上方。所以，加入中间包的示踪剂很快从导流隔墙流出，流向第3流的水口。所以，第3流的最小停留时间、峰值浓度时间小，而死区体积大，达到50.77%。 第4流比第3流距离钢包注流冲击区有所增加，其最小停留时间为27.25s、峰值浓度时间为43.25s，活塞流体积分率6.77%，比第3流略有提高，但其死区体积分率依然高达44.42%。 由于第5流距冲击区远，所以它的最小停留时间长，在69.75s，峰值浓度时间达到146.50s，，死区体积分率比第3、4流要小些，为30.10%。 从图3和表1可以看出，原中间包结构下，外侧流（1、5流）和内侧流（2、3、4流）之间的流动特性存在大的差别。 3.2 非正常浇注 非正常浇注是指中间包其中的一流或两流关闭的情况下进行浇注。对195×195mm2方坯，拉速为1.2m/min的工况进行实验。表2和表3分别是关闭1、2或2、3流浇注的中间包流体流动特性。从表2、表3可知，关闭1、2流进行浇注，3流的最小停留时间、峰值时间和活塞流体积分率小，而关闭2、3流浇注，1、5流的最小停留时间、峰值时间和活塞流体积分率大，并且由于这两流距离钢包长水口的距离相同，它们的流动特性是相近的。因此。关闭两流浇注时，关闭2、3流中间包的流动特性比关闭1、2流的要好。

0.00.51.01.52.02.53.03.54.00.00.40.81.21.62.02.4

C/-

 /-

Strand 3

Strand 5Strand 4

图3 原中间包结构下典型的RTD曲线 Fig.3 Typical RTD curve at original tundish structure

表1 模型中间包单流流量为77500 mm3/s时中间包流体流动特性 Table 1 Fluid flowing characteristic in tundish at77500mm3 1s of single strand rate in model tundish 流号i tmin,i /s tmax,i /s ta,i/s Vp,i /% Vd,i /% Vm,i /%

3 19.25 42.25 256.49 5.91 50.77 43.33 4 27.25 43.25 289.58 6.77 44.42 48.82 5 69.75 146.50 364.17 20.76 30.10 49.15

表4和表5分别给出了中间包关闭1流或3流浇注中间包的流体流动特性。由表4、5可知，关闭1流浇注，由于3流存在，该流的流动特性差，其最小停留时间、峰值时间和活塞流体积分率小，而关闭3流浇注，中间包相当与四流中间包，1、5流和2、4流分别到中间包冲击区的距离相同，它们对称各流之间的流动特性相近，这样中间包的流动特性要好于关闭1流或2流浇注的中间包流体流动特性。由于中间包控流装置设计不好，中间包的死区体积分率大。 从上面的实验结果可知，非正常浇注时，无论是关一流还是关两流浇注，把内侧流（3流）关闭，中间包流体流动特性要好于关闭外侧流（1、5流）。在实际操作中应避免关闭外侧流浇注。 表2 关闭1、2流时中间包流体流动特性 Table2Fluidflowingcharacteristic intundish when1,2strands are closed 流号i tmin,i /s tmax,i /s ta,i/s Vp,i/% Vd,i /% Vm,i /% 3 17.00 22.50 556.75 1.84 48.31 49.86 4 42.50 94.25 529.24 6.35 50.86 42.79 5 86.50 129.00 577.73 10.01 46.36 43.64