大方坯连铸中间包抑制卷渣水模实验研究.doc

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1、大方坯连铸中间包抑制卷渣水模实验研究赵亮，张晓光，丁丽华(鞍钢股份技术中心，辽宁鞍山114001)摘要：依据相似原理，通过水模拟实验，对大方坯连铸中间包钢水旋涡产生及抑制钢水卷渣方法进行研究，通过设置抑流装置，破坏出水口处旋转流动状态，达到抑制卷渣，降低卷渣高度的目的。结果表明，出水口设置抑流装置，卷渣高度与生产实际相比有明显下降。其中单砖布置，对旋涡形成有一定的干扰效果，但随机性很大；采用双砖布置方式，出现旋涡高度稳定，表明双砖布置对旋涡形成有很强的干扰作用，从而达到抑制卷渣提高钢水纯净度的目的。关键词：大

2、方坯中间包；卷渣；旋涡；水模1前言在连铸中间包浇注末期，由于钢水产生旋涡而引起的钢流卷渣不但降低了钢水的纯净度，同时也会对包衬和水口的使用寿命产生不利影响[1-3]。因此，研究钢包内钢水旋涡产生过程及控制措施具有重要意义。黄晔等[4]指出，形成旋涡的能量来源有3个，一是地球自转引起的科氏力，二是流场不均匀性诱发的环流，三是流体流出过程中自身的位能。浇钢过程中，当钢包内的钢液面下降到一定高度时，首先在自由表面产生旋转流动，然后转速逐渐加快、下凹，直至贯通水口。一般将刚产生旋转流动时的液面高度称为临界高度。本次文

3、以大方坯连铸中间包作为研究对象，建立实验室水力模型进行大方坯连铸中间包抑制卷渣水模实验，通过优化设置并考虑生产实际，最大限度降低大方坯连铸中间包内液面卷渣高度。2水模实验2．1水模实验原理水模型实验采用模型与原型之比1：2的模型进行。根据相似理论，几何相似就是要保证模型与原型中各对应的长度比为一常数，对应几何角度相等。考虑到在中间包内产生的回流为复杂的湍流流动，紊流条件下中间包内钢水流动雷诺数的自模化特性，控制运动状态的主要因素是惯性力和重力，保证中间包原型和模型之间的弗鲁德数(Fr)相等即可[5]。(Fr)

4、m=(Fr)s。即：u2m／gLm=u2s。／gLs其中：u为特征速度，m·s-1；L为特征长度，m；下标m和s分别表示中间包模型和原型，实验参数根据相似准则进行相应的换算。2．2实验装置及研究方法2．2．1水模实验装置以四流大方坯中间包为原型，实验模型采用有机玻璃制作，装置示意图如图1所示。2．2．2研究方法在中间包包底水口附近加矩形砖抑流装置，通过设置抑流装置破坏出水口处旋转流动状态达到抑制卷渣、降低卷渣高度的目的，试验时测量产生不同类型漩涡的初始高度。矩形砖最近断面距离距水口边缘距离为L(单位：mm)，

5、设置抑流件的实验方案具体见图2。3实验结果及分析3．1旋涡产生类型及其影响对于一定液位的大方坯连铸中间包，出水口处可能出现的旋涡，一般分为自由表面旋涡和水中旋涡两种，其中表面旋涡对浇铸影响很大，通常是关注的重点。美国Alden实验研究室根据实验观察到的现象[6]，将表面涡依其强弱分为以下六种类型。旋涡对生产产生的影响因其类型而异，近于无旋涡不会引起危害，允许存在；弱旋涡情况对浇注可能会产生一定影响，一般不太严重，宜考虑防止出现；属于强旋涡情况会引起较严重的后果，在浇注过程中不允许出现(见表1)。3．2水模实验

6、结果分析及讨论正常生产时中包水口无任何抑流装置的方案试验结果见表2。加装抑流砖后，对液面旋涡产生高度影响显著。各个加抑流砖的中间包试验图片剪辑见图3。每个实验方案进行3次重复性实验，以保证实验结果的重现性。实验结果见表3。对各方案1#～4#水口的涡流高度进行平均，分析及比较其平均高度的优劣。与生产实际(d-空白)比较结果见表4。由表3、表4可看出，与生产实际(d-空白方案)相比，对于表面凹陷涡出现时的平均液位，b(ii)-20方案降低幅度最大，为46．5％，最小为d和b(i)-10方案。对于间断吸气涡出现时的

7、平均液位，a(i)-20方案降低幅度最大为55．5％，最小为a(i)-0方案。以代表卷渣开始的间断吸气涡为例，由统计结果可以得到如下结论。单砖情况：随L的增加，与生产实际情况(d方案)相比，平均高度降幅增大。对于a-(i)布置方式，L=0、10、20mm，平均高度降幅分别为31％、49．3％、55．5％，降幅梯度很大；a-(ii)布置方式，平均高度降幅分别为49％、50．7％、51．3％，降幅梯度平缓。双砖情况：随L的增加，与生产实际情况(d方案)相比，平均高度降幅增大。对于b-(i)布置方式，L=0、20m

8、m，平均高度降幅分别为46．8％、46．2％，从多次实验观察，出现涡流时平均高度重现性较好；b-(ii)布置方式，平均高度降幅基本在41％～43．7％之间，降幅梯度平缓。从实验中可以看出，在没有安装抑流装置的情况下，在145mm(实物290mm)高度水口附近的液面粒子开始聚集转动并逐渐旋转加快，70mm(实物140mm)高度，旋涡处有粒子卷入并持续到65mm(实物130mm)高度形成贯通空气流，且挟