武钢60t双流连铸中间包流场优化试验研究

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1、冶金之家网站武钢60t双流连铸中间包流场优化试验研究张剑君1，高文芳1，曹同友1，杨新泉2，唐树平2，杨枝超2(1．武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北武汉430080；2．武钢股份有限公司炼钢总厂，湖北武汉430083)摘要：利用水力学模型试验方法研究了武钢60t双流连铸中间包的流场特性，分析了各方案的中包特性参数和停留时间分布曲线(RTD曲线)，得出了优化方案，并进行了工业试验。结果表明：水模型试验死区体积比Vd由23．63％降至5．33％，平均停留时间Ta达到364．5s，较现用中包增加了70．5s，优化后的中包流场更加合理。工业试验结果表明，中间包—铸坯氧化物夹杂物去除率由46．

2、5％提高到71．5％，铸坯洁净度显著提高。关键词：双流中间包；水力学模型；流场；夹杂物连铸中间包是钢包和结晶器之间的过渡容器，具有稳定钢流、减少钢流对结晶器中初生坯壳的冲刷、有利于钢中非金属夹杂物上浮、实现多炉连浇的作用[1—2]。近年来，随着市场对钢材要求的不断提高，中间包正朝着促进夹杂物上浮、分离，对夹杂物进行变性处理及对钢水进行微合金化的精炼器方向发展[3]。武钢股份有限公司(以下简称武钢)炼钢总厂60t双流中间包存在钢水停留时间短，夹杂物上浮不充分等造成的产品夹杂改判量高的问题。为解决此问题2011年初立项，利用水力学模型对现用中间包进行了分析和优化，并进行了工业试验。1试验

3、原理和方法1．1试验原理中间包物理模拟试验的理论基础是相似原理，其基本条件是保证模型与实物几何相似和动力学相似。对于几何相似，可以采用一定比例的模型加工来实现。对于动力学相似，要求模型和实型中的流体雷诺准数和弗劳德准数分别相等。相似理论认为，当模拟系统中与粘性力有关的雷诺数(Re)进入第二自模化区的临界值(103～104)时，系统处于自模化状态，即该系统的流动状态及流速分布与Re无关[4]。经计算，本试验的实物及模型的Re均已进入第二自模化区。因此，只要保证弗鲁德准数Re相等即可。即：Frm=Frs(1)v2m／(g·lm)=v2s／(g·ls)模型和实物的速度、时间和流量的关系为：

4、vm=(lm／ls)1／2vs(2)tm=(lm／ls)1／2ts(3)Qm=(lm／ls)5／2·Qs(4)式中，v为流体速度，m／s；t为时间，s；Q为流量，m3／h；g为重力加速度，m／s2；l为特征长度，m；下标s为表示实物；下标m为表示模型。1．2试验装置和试验条件模型中间包用有机玻璃制成，与原型比例为1：3，装置如图1所示。按现场铸坯典型断面尺寸1500mm×冶金之家网站230mm和拉速1．1m／min计算，得出模型入口水流量2．92m3／h，出口水流量1．46m3／h。流量以出水口流量为控制依据，通过滑板控制中间包液位，进水口流量显示为辅助监控表。模型与实物的通钢量和理

5、论停留时间计算结果如表1。1．3试验方法1．3．1停留时间分布(RTD)曲线的测定采用DJ800系统，通过脉冲响应法，即将定量的脉冲示踪剂注入大包铸流，并在中包出流口检测示踪剂变化，一直到中间包内示踪剂大部分流出为止，与此同时，将检测信号输入计算机，绘制出各工况下流体在中间包内的停留时间分布RTD曲线，记录并计算出流体在中间包内最短停留时间Tmin、全混区Vm、活塞区VP和死区Vd体积比等流场特征参数。本研究根据Sahai和Emil[5]提出的中间包死区体积计算方法，计算中间包内的死区体积分率Vd见式(5)，活塞流体积分率VP及全混流体积分率Vm用式(6)、式(7)计算。式中，θmi

6、n为无因次最小停留时间；θmax为无因次浓度峰值时间；Qα为通过混合流区和活塞流区的流量，m3／h；Q中间包的流体流量，m3／h；θc为无因次时间θ≥2时的无因次实际平均停留时间。1．3．2流场显示待流场达到稳定状态后，将一定浓度的染色液示踪剂快速注入大包铸流，观察流体变化过程，并用图像记录设备实时记录示踪剂在中包内的流动形态，以综合评价各工况下中间包内的控流效果。本次试验着重对比了中包优化前后，在不同时刻的中包流场形态。2试验结果与分析2．1现用中包及空包流场特性现用中间包仅采用湍流抑制器控流，包内无其它控流装置。为了验证湍流抑制器对中包流场特性的影响，选用了空包(包内无任何控流装

7、置)作为对比方案。现用中包和空包流场特性测定结果见表2。由表2可知，空包死区体积比Vd为29．75％，现用中包(空包+湍流抑制器)Vd平均为23．63％，其平均停留时间Ta为294．02s，较空包延长了24s。结果表明设置湍流抑制器，即可有效减小入口流股的动能，又有助于延长中包钢液的平均停留时间，降低死区体积比。虽然现用中包的各项特性参数较空包都有了明显改善，但中包死区体积比仍然较大，达到23．63％，这意味着近四分之一的中包容积没有发挥净化钢液的作用，对