攀钢六流方圆坯连铸机中间包流场的数学模拟及现场实验研究.docx
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攀钢六流方圆坯连铸机中间包流场的数学模拟及现场实验研究
攀钢六流方圆坯连铸机中间包流场的数学模拟及现场实验研究
TheMathematicalandindustrialtestoftheFluidFlowinthesix-strandradiusbilletcasterTundishofPangangcompany
摘要
中间包在连铸进程中对钢质量的阻碍愈来愈受到冶金工作者的重视，专门是用户对产品质量要求提高后。
对多流中间包，除要保证钢液的干净度外，还要保证各流之间温度、成份尽可能的均匀。
为此，采取了一系列方法来强化中间包的冶金功能，而在中间包内设置合理的控流装置是行之有效的方式。
本课题结合攀钢六流方圆坯连铸机中间包的内型，在通过水力学模型确信出最正确控流装置的前提下，进行数学模拟并进行工业实验。
研究结果说明：
在无控流装置时，中间包内流场不合理，存在明显的短路流和死区，各流温度、成份不同较大，夹杂物不能充分碰撞、聚集上浮，相反，有湍流操纵器、挡墙和挡坝组合起来利历时能明显改善该状况。
在进行现场实验时，测得各流平均温度差小于℃，且温度较均匀。
精炼样和铸坯样对照分析＜20μm的夹杂物减少了87%，20～50μm的夹杂物减少了73%，而在铸坯中未发觉粒径大于50μm的夹杂物，扫描电镜分析得出夹杂物要紧为Al2O3。
氧氮分析铸坯样中[O]含量平均值为20ppm，中间包内的控流装置起到了良好的冶金成效。
关键词：
六流中间包，控流装置，数学模拟，现场实验
ABSTRACT
Metallurgicalworkshavefocusthattheinfluencingonthequalityofsteelduringcontinuouscastingbytundish,particulartherequirementsrisedbyuserincreasingonMulti-flowtundish,apartfromensuringthecleanlinessofliquidsteel,alsopromotetheconclusionfloattionanduniformtheliquidsteeltemperatureandthispropuse,themetallurgicalshavetakenaseriousactiononstrengtheningthemetallurgicalfunctionofashowsthataseriesofFlow-controldeviceapplyintundishismoreeffictive.
Thispaperdependedonthesix-strandradiusbilletcastertundishatPangangcompany,usingnumericalsimulationmethodresearchthebestflowcontroldeviceinthetundish,andthroughfiledtesttoprovethecontroldevicewetakingisthebestornot.
Theresultshowsthatnofolwcontroldeviceswereequipped,obviousshort-circuitedflowandlargedeadregionexistedinthetundish.Thisbringaboutdifferenttemperature,compositioninvariousflow,atthesametime,theconclusioncan’tfullycrash,floatingtogetherandbeenremovedatthecontraty,thereisturbulencecontrol,retainingwallanddamwhenusedtogethercansignificantlyomprovethisusedtherecommendedflowcontroldeviceintrial.Thetemperaturediscrepancyofdifferentflowwasbelow3.5℃inthetundish,andthetemperaturedistributionwasinclusioncontentinspecimensfromstrandthatthesizewasbelow20μmisless87%thaninrefining,thesizebetween20to50μmisreducedby73%,andthesizelargerthan50μminthecastingbloomwasnotfound.TakingSEMshowsthattheclusionsmainlyisAl2O3.
Keywords:
six-strandtundish,flow-control-device,numericalsimulation,industrialtest
1绪论
我国连铸技术的进展概况
连铸进程是在持续状态下，钢液释放显热和潜热，并慢慢凝固成必然形状铸坯的工艺进程。
连铸技术的应用是钢铁生产的一次重大技术革命，与传统的模铸相较具有专门大的优势，要紧有这几个方面[1]：
①简化了铸坯生产的工艺流程，省去了模铸工艺的脱模、整模、钢锭均热和开坯工序。
流程基建投资可节省40%，占地面积可减少30%，操作费用可节省40%，耐火材料的消耗可减少15%。
②提高了金属收得率，集中表此刻两方面一是大幅度减少了钢坯的切头切尾损失；二是可生产出的铸坯最接近最终产品形状，省去了模铸工艺的加热开坯工序，减少金属损失，整体讲，连铸造工艺相对模铸工艺可提高金属收得率约9%。
③降低了生产进程能耗，采纳连铸工艺，可省去钢锭开坯均热炉的燃动力消耗，可节省能耗1/4—1/2。
④提高了生产进程的机械化、自动化水平，节省了劳动力，为提高劳动生产率制造了有利条件，并可进行企业的现代化治理升级。
我国连铸技术开发研究[2]从1957年开始，在1958年于重钢三厂建成了我国第一台立式双流连铸机。
1958-1980年，由于政治缘故，工业停滞不前，这期间仅建了25台连铸机，设计能力为345万吨，实际生产铸坯230万吨，连铸比%。
到1985年，铸机数量为49台，连铸比为%，这五年间连铸比平均增加不足1%。
通过认真总结体会和教训，1988年提出大力进展连铸的战略思想，1989年连铸坯产量第一次冲破万万吨大关。
1989-1997年,连铸坯产量年均增加万吨,连铸比年均增加%。
到新世纪，连铸比已经超过90%，目前各个钢铁生产厂家大体实现了全连铸。
2006年，我国连铸钢产量超过4亿吨，2007年，又冲破了5亿吨,2020年由于金融危机,产量有所下降，但仍是在5亿吨以上的生产量。
以此看到，连铸技术在我国起步较早，在改革开放以后，进展迅速，进入21世纪，进展壮大。
要以“连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的生产技术为中心，推动我国连铸技术进展推向一个新的时期。
中间包概述
1.2.1中间包冶金技术的进展
中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术[3],是从钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯那个生产流程中保证取得质量优良铸坯的关键一环。
在持续铸钢技术进展的初期，中间包只是作为钢液的贮存和分派器来利用。
随着连铸技术的进展，钢液质量对连铸工艺的重要意义渐渐为人们所熟悉。
为了保证连铸顺行，为了保证多炉连浇，钢液必需有足够的纯净度，钢液成份范围要尽可能精准地操纵，钢液温度和过热度要在足够长的时刻维持稳固。
因此作为钢冶炼进程中的最后一个耐火材料容器，中间包的冶金作用受到了更多的关注。
“中间包冶金"的概念是在二十世纪八十年代初期提出的，多伦多大学教授麦克莱恩是首倡者。
近20年来，国内外关于中间包冶金的学术研究开始只有不多的几篇论文，后慢慢成为热点论题，而且研究功效已转化为生产中实际应用的技术方法[25]，如中间包结构设计、流动操纵技术、抑制钢液二次氧化、耐火材料和覆盖渣操纵、改换钢包操作时温度和成份操纵、吹氩清洗、过滤、加热钢液、热中间包重复应用等。
近几十年来,我国连铸中间包冶金技术取得了专门大进展，但与国外相较仍存在必然的差距。
我国中间包控流技术利用比较普遍,控流装置普遍采纳挡墙、坝、过滤器及其之间的组合。
从图1能够看出中间包所采纳的要紧设备和技术。
1.长水口Ar封2.密封盖3.内衬耐火材料
4.挡墙和坝5.过滤器气吹洗装置7.覆盖剂
8.钢包下渣监测系统9.加热装置10.塞棒吹氩
图中间包提高钢液干净度的方法
1.2.2中间包的作用
中间包是短流程炼钢顶用到的一个耐火容器[4]，是钢液凝固之前所通过的最后一个冶金容器，对钢的质量有重要阻碍。
从中间包的进展历程能够看出，传统中间包所具有的贮存钢液、分流、减压以使连铸得以顺利进行。
通过几十年的进展，随着社会进步，用户对产品质量的更高要求，需要提高钢水的干净度和均匀性。
因此归结起来，中间包冶金的要紧作用是[5]：
①改善钢液流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物，避免短路流，减少死区，改良流线方向，增加钢液的停留时刻。
②操纵好钢液温度，必要时增加加热方法，使钢液过热度维持稳固。
③选择适合的包衬耐火材料和熔池覆盖剂[23]，减轻热损失，避免钢液二次氧化同时促使夹杂物的吸收分离和上浮。
国内外对多流中间包的研究现状
1.3.1中间包增容的研究
中间包容量阻碍到中间包液面高度和中间包钢水在包内的停留时刻。
大容量中间包能够保证改换钢包时中间包内的钢水处于相对稳固状态，避免卷渣。
为了幸免卷渣，中间包钢水必需在最小深度以上操作。
北美20世纪80年代以后投产利用的中间包容量均为45t以上，其中最大的中间包容量为70t。
日本的中间包容量均在60t以上，最大的中间包容量达84t。
据报导，克鲁斯公司的中间包由25t扩大到45t后，不仅氧化铝夹杂数量减少，而且夹杂物在铸坯内弧侧聚集的现象也明显减少[24]。
国内某钢厂对薄板坯用中间包进行水模实验后发觉:
增大中间包容量，钢水静置时刻延长约10s，死区减少3%。
有研究说明，在控流装置相同的条件下，60t中间包比10t中间包夹杂物去除率明显提高，钢水的干净度大大改善[6-7]。
中间包容量对钢水清洁度的阻碍见表。
还有人以为在相同的挡墙条件下，中间包加高能延长钢水停留时刻约30%，有利于[8]钢中夹杂物的上浮。
表中间包容量对钢水干净度的阻碍
容量/t
夹杂物去除率/%
洁净度
wT[O]
宏观夹杂
微观夹杂
wT[O]/%
宏观夹杂
微观夹杂
10
25
5
87×10-4
kg
kg
60
50×10-4
kg
kg
张海明[9]等人针对鞍钢板坯中间包，采纳ANSYS系列软件对不同拉速下及增容后的中间包内的钢液流场进行了数值模拟计算。
得出关于同一铸坯规格提高拉速，中间包内钢液流动速度场是相似的，流速增加，更有利于夹杂物上浮，减少包内死区。
中间包增容后，中间包内流动速度场减弱，平均降速11%，这有利于增加平均停留时刻，使钢中夹杂物有更充分的时刻上浮。
1.3.2湍流器、堰坝组合运用于中间包
众多研究中说明[24-28]，堰在专门大程度上起到操纵湍流区的作用，它将冲击区和浇注区分开。
堰安装在中间包上部，钢液从它的下部流出。
加入坝后促使钢液向上翻，从坝的上部流过，能够排除短路流，因此堰一样都要和坝结合在一路利用。
湍流操纵器的应用愈来愈普遍。
它的形状多种多样，其作用确实是尽可能减少钢渣的乳化，幸免空气的二次氧化，降低钢流的速度。
挡墙相当于将坝堰组合在一路，它的大体作用是将冲击区与浇注区分开。
在冲击区，钢液充分混合，有利于温度、成份的均匀和夹杂物的聚集长大。
挡墙将湍流操纵在冲击区，可幸免它对浇注区的干扰，扩大活塞流的体积，同时维持浇注区爱惜渣层的覆盖平稳，幸免卷渣和空气氧化。
挡墙的开孔角度、位置和大小也超级重要，它能促使钢液流向中间包内钢液的上表面，缩短夹杂物上浮的途径。
梁福斌，陈健等[11]以唐钢不锈钢厂2号连铸机中间包为研究对象，通过水模实验对其结构进行优化设计。
在中间包内设置挡墙、坝和湍流抑制器组合形成控流装置，对照各个方案得出，要合理设置堰坝之间的距离、坝的高度，挡墙不能太靠近入水口，挡坝也不能太靠近出水口，坝的高度要适中，增大液体流动速度增大了中间包的利用率，活塞流增加，死区减少，更有利于夹杂物的排除。
在孙玉霞，王宝峰等人[12]的研究中，通过数值模拟，对钢液流动的速度矢量图、流线图来对照分析有，无控流装置的中间包的流动特点。
在没有控流装置时，短路现象严峻，包底侵蚀严峻，由于在中间包内的停留时刻短，夹杂物来不及上浮，产品质量存在隐患。
由于多流中间包各流相距较远，造成各流成份、温度不均匀，最终造成铸坯质量不一，如表，图所示。
樊精彪，刘伟等人[13]在包钢大方坯六流中间包改良及数模分析中，在包钢40t中间包设置挡墙和坝后，各流钢液停留时刻取得增加，中间包内活塞流增加了%，全混流增加了%，死区减少了17%，各流钢液温度的均匀性能明显提高。
表两种情形下各中间包流动情形
装置
钢液停留时间/s
流动区域比例/%
近流
中流
远流
全混流
活塞流
死区
无控流
510
650
830
64
有控流
680
760
1000
a无控流装置b有控流装置
图有无控流装置下各流温度差随时刻转变情形
1.3.3中间包导流挡墙的应用
杨树峰，李京社[14]等通过水模实验和现场实验研究了U型挡墙中间包和Y型中间包挡墙对夹杂物去除的阻碍。
结果说明：
Y型挡墙中间包能提高夹杂物的去除率，250～300μm的夹杂物比在U型挡墙中间包中上浮率提高5%，从中间包到铸坯，钢中平均总氧去除率显著提高，铸坯中大于50μm的夹杂物显著减少，而显微夹杂数量转变不大；同时Y型挡墙中间包内各流夹杂物散布较均匀。
利用U型挡墙中间包时，中间包到铸坯进程吸氮较少。
王键，范黎明[15]等在莱钢炼钢厂六流方坯连铸机上对中间包进行实验。
主若是对照一字型挡渣墙和V字型挡渣墙和挡渣墙上开孔的倾角和湍流抑制器对中间包流场合理性进行研究。
通过RTD曲线得出各类控流装置下的活塞流、全混流、死区的比例大小，和流场的合理性。
结果证明V型挡墙上开孔角度在20°，而且外加圆环形抑湍器是最正确方案。
东北大学的屈天鹏等人[16]通过物理模拟分析直挡墙和V型挡墙的RTD曲线特点参数如表所示：
表两种类型的挡墙物理模拟参数对照结果
控流方案
/s
直板挡墙
226
7
42
51
V型挡墙
316
10
23
67
通过对照发觉，V型挡墙比直板挡墙更优。
而通过数值模拟V型挡墙的RTD曲线与测量取得的RTD曲线吻合得专门好。
通过对V型挡墙中间包流体迹线图分析，该流场延长了钢水在中间包内的停留时刻，有利于夹杂物的上浮去除。
V型挡墙的利用减少了中间包内外侧水口在流动特性的不同，均匀了各出水口之间的流动状况。
但由于该中间包呈狭长型，致使优化后的中间包死区体积分数偏大，优化后也达到23%。
重庆大学文光华，唐萍，祝明妹等[17]结合攀钢六流大方坯中间包内腔形状，研究采纳近T形中间包结构再加合理的控流装置实现中间包流场的优化。
控流装置为围墙+双坝或双斜墙+双坝的组合模式。
针对多流中间包，在设计时遵循几个原那么：
1）适当延长近流的时刻；2）缩短远流的响应时刻；3）降低各出水口响应时刻的标准差；4降低各出水口浓度峰值时刻的标准差；5）每一个水口应有适合的平均停留时刻，且它们的平均值应较大；6）降低各出水口的平均停留时刻的标准差；7）增加相关于各出水口的中间包内平均活塞流区体积；8）增加平均活塞流区体积与平均滞留区体积之比。
郑淑国，朱苗勇，王颖[18]通过六流方坯连铸中间包水模实验，研究了不同控流装置对流动特性的阻碍。
要紧研究了带横墙和不带横墙的V型挡墙均能显著改善各流流动特性，与不带横墙的V型挡墙组合挡坝的数量、高度均对流动特性有阻碍，在较优的V型挡墙与挡坝组合控流装置基础上加上抑湍器后控流成效更佳。
其实验方案如下图：
图近T型中间包各类控流装置组合示用意
1.3.4中间包气幕挡墙的研究
黄奥，张美杰等人[19]依照六流方坯中间包，采纳欧拉两流体模型、多孔介质模型、欧拉-拉格朗日随机轨道模型及Monte-Carlo法，并引入气泡吸附模型，用数学模拟法对照研究了采纳气幕挡墙技术对六流中间包内钢液流动特性及夹杂物去除的阻碍。
结果说明，采纳气幕挡墙技术优化后，能够有效改善钢液的流动状态，均衡各出口停留时刻，有效延长钢液的平均停留时刻，降低死区体积，提高夹杂物去除率，适应多流中间包超纯净钢冶炼的需求。
如图～对照模拟得出，在距离中间包1500mm处吹入气泡形成气幕挡墙，气泡带动钢液向上流动，改变了钢液的流动方向，排除短路流，起着挡墙的作用。
在剪切力的作用下，气幕挡墙双侧形成两个方向相反的回流区，增加了该区域钢液的混合程度，同时也增大了夹杂物的碰撞长大机率，有利于夹杂物的上浮去除。
与此同时，由于有漩涡，会形成涡心，因此吹气量要适中，以避免造成卷渣。
图原始装置无气幕挡墙中心截面和出口截面
图有气幕挡墙中心截面和出口截面
a无气幕挡墙b有气幕挡墙
图两种情形下中间包的流场
在有底部吹气的中间包内，浇注区夹杂物碰撞长大机率增加，大部份夹杂物上浮到液面被渣捕捉，使总去除率增加%。
考虑气泡对夹杂物的吸附作用，所有尺寸的夹杂物颗粒的总去除率均增加，且随着夹杂物颗粒尺寸降低，吹气进程对其去除率阻碍慢慢增加，专门对≤50μm的夹杂物颗粒去除率阻碍比较显著，因此，更能提高钢水的纯净度。
1.3.5现场实验分析方式
朱正海，彭世恒等人[22]在研究马钢薄板坯连铸机中间包时，采纳突然停浇的方法，当钢液冷却成钢锭后，在如下图位置取样：
图中间包钢样取样位置
所取得的样通过扫描电镜和图像分析仪来观看夹杂物所占比例和夹杂物的种类、含量及粒度。
实验结果说明:
改造优化以后的中间包大体能够去除>40μm的大型夹杂物，也为<30μm的小型夹杂物提供了聚集、长大的动力学条件，中间包去除夹杂物的能力较强，为生产高品质的电工钢提供了有力保障。
崔衡，唐德池，包燕平[20]对某钢厂板坯中间包在利用底吹氩控流装置后对所取得的试样采纳大样电解和氧氮分析，其方式为：
板坯宽度1/4处取通厚试样进行大样电解分析，在板坯试样内弧1/4处取氧、氮样进行分析结果说明：
中间包实施底吹氩后，T[O]和[N]都有不同程度地降低，其中T[O]降低了%，说明施加底吹氩后，铸坯中显微夹杂物含量显著减少。
采纳中间包底吹氩后，铸坯中大型夹杂物含量大幅度减少，由kg降至kg，降低了%。
杨树峰、李京社[14]在对照U型和V型挡墙的冶金成效时，在进行工业实验时，在中间包和铸坯上取样，在铸坯内弧1/4处上取2个圆饼样，再圆饼样上切割金相样和大样。
要紧分析内容：
分析中间包样及铸坯的平均氧氮含量转变；在金相显微镜下对夹杂物进行分类，并对夹杂物的数量、尺寸进行统计；通过大样电解分析直径≥50μm夹杂物的含量。
本课题的目的及要紧内容
国内外许多冶金工作者为了提高最终产品的质量，知足日趋增加的需求，做了许多工作，专门是最近几年来在提高钢水干净度和钢水成份、温度的均匀性方面做了大量研究。
钢企在生产产品时一方面知足了社会需求，另一方面也需要生产更具有竞争力和更高附加值的产品，如电工钢、轨道钢、轴承钢等等，而这些产品除专门的成份要求外，对夹杂物含量及尺寸的要求就显得专门严格。
关于板坯，咱们常见的是单流或双流，但关于方圆坯，多数钢厂采纳多流中间包。
多流与单流或双流的要紧区别确实是各流的成份、温度、夹杂物含量不同会更大，这给最终产品的稳固性带来隐患。
文献中可知，关于多流连铸机，通常采纳近T型中间包，如此比梯形、T型或三角形成效更好，也更有利于控流装置的设置[17]。
本课题依照攀钢六流方圆坯连铸机中间包，通过数学模拟优化中间包的控流装置，以达到改善中间包的流场、温度场，使得各流的平均停留时刻、温度加倍均匀，夹杂物取得充分的聚集、上浮。
同时，增加活塞流的比例，减少死区，杜绝短路流的产生。
由现场实验取样分析大包、结晶器、铸坯金相样、气体样等来验证控流装置去除夹杂物的成效，达到提高控流装置的冶金功能的目的。
实验要紧内容有：
成立中间包数学模拟研究模型；
研究不同控流装置下中间包内流体的流动状况，分析流场的合理性；
研究夹杂物在中间包内运动轨迹和控流装置对夹杂物去除率的阻碍；
制订现场实验方案并进行现场实验；
对现场搜集数据进行金相、氧氮、电镜、大样电解分析，评判实验室研究结果。
2数模理论及现场实验方式
数学模拟理概述
本课题的要紧研究方式是：
通过成立数学模型，对照无控流装置和有控流装置下的温度场、流场的合理性和夹杂物去除成效，再依照现场实验搜集的试样进行分析，从而验证数学模拟结果，评判所选方案的冶金成效。
钢液在中间包内的流动是一个复杂的紊流流动进程，描述钢液在中间包内流动的方程有持续性方程、动量方程，能量方程和确信紊流粘性系数的κ-ε两边程模型。
①大体假设
1）钢液流动为不可紧缩稳态流动；
2）不考虑温度对密度的阻碍，密度为常数；
3）不考虑中间包覆盖剂对钢液流动的阻碍；
4）钢液流动由入水口初始速度驱动。
②大体操纵方程
中间包内钢液流动属湍流流动，在中间包内钢液流体的运动与传热同时进行，描述该进程钢液的三维稳态不可紧缩流体流动和传热问题的数值表达式有[9，21]：
1）持续性方程：
····································（）
2）动量方程（N—S方程）：
·······················（）
N—S方程中
为有效粘度，即：
·····························（）
式中κ和ε值由湍动能方程（κ方程）和湍动能耗散方程（ε方程）联立求解取得。
3）湍动能方程（κ方程）：
··························（）
4）湍动能耗散方程（ε方程）：
·······（）
其中：
湍动能能量产生率：
···········································（）
上述方程中显现的系数如表所示：
表—ε模型中常数值
参数
Cμ
σk
σε
C1
C2
取值
5）能量方程
····（）
计算方式
2.2.1边界条件
由于该模型是对称的，取模型的二分之一作为研究对象。
由质量守恒方程明白：
······································（）
式中：
—铸坯
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