孟 娜，余 嘉，劉 嵐，康瑞泉

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

連鑄工藝要求具有低能耗、高效率、高產(chǎn)量、高質(zhì)量等特點。隨著生產(chǎn)鋼種的增加和對連鑄生產(chǎn)效率要求的進一步提高，越來越多的鋼廠傾向于在同一連鑄機上多爐連澆不同的鋼種，即:在快澆完一個鋼種時，接著澆注另一個鋼種，因此，一段時間內(nèi)中間包中將出現(xiàn)兩鋼種混合的情況。生產(chǎn)出來的這段鑄坯既不屬于第一種鋼種，也不屬于第二種鋼種，就將其稱為交接部鑄坯。實際生產(chǎn)過程中，希望有較小的過渡坯長度，以達到較高的金屬收得率。

異鋼種連澆過程中，國內(nèi)某鋼廠經(jīng)常出現(xiàn)混澆時間長，過渡坯量多，且切割時交接部位置不能準(zhǔn)確確定等問題。本文結(jié)合該廠的實際生產(chǎn)情況，利用流體動力學(xué)理論與模型方法計算，研究拉速大小和液面高度(即混澆時中間包內(nèi)剩余舊鋼液量)對混澆時間和過渡坯長度的影響。具體內(nèi)容包括:設(shè)計六種澆注工況，定量分析拉速和液面高度對混澆過程的影響，各工況的具體參數(shù)見表1。其中工況1、2、3是只改變拉速大小，研究拉速大小對中間包內(nèi)鋼液混合過程的影響;工況4、5、6只改變液面高度，研究中間包內(nèi)剩余鋼液量對過渡時間的影響。

表1 不同工況的工藝參數(shù)Table 1 Technical parameters under different working condition

1 數(shù)學(xué)模擬

1.1 幾何模型

該六流T型40 t中間包的基本包型為幾何對稱結(jié)構(gòu)，正常澆鑄時六流鑄坯斷面與拉速(通鋼量)一致，中間包鋼水的流動狀態(tài)同樣具有對稱性，因此取鋼水所在區(qū)域的一半作為流體動力學(xué)計算域，計算域以中間包下水口中心線與對稱面底部的交點為坐標(biāo)原點，分別以長、高、寬(T型方向)為x、y、z軸正方向，建立直角坐標(biāo)系，如圖1所示。其中模型計算中涉及的有關(guān)中間包幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

2.2 中間包內(nèi)流體流動的數(shù)學(xué)模型

鋼液在中間包內(nèi)的實際流動是一個復(fù)雜的過程?？疾爝B鑄生產(chǎn)澆鑄過程，可作如下假設(shè):

(1)中間包內(nèi)鋼水的流動為湍流流動;

(2)中間包液面為自由液面，忽略保護渣層的影響;

(3)不考慮溫度波動對鋼水密度的影響，即鋼水密度取常數(shù)。

中間包內(nèi)鋼水流動的主要控制方程有:連續(xù)性方程、動量方程(N－S方程)以及描述湍流的k－ε方程，并采用傳質(zhì)方程來描述異鋼種混合過程，具體表達式如下

連續(xù)性方程

標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型

傳質(zhì)方程

式中，ui、uj為i和j方向的速度;xi、xj為 i和j方向的坐標(biāo)值;ρ為鋼液密度;P為壓強;μeff為有效粘度系數(shù)，由湍流模型決定;Deff為湍流有效擴散系數(shù);C為相對濃度;k為湍動能;ε為湍動能耗散率;G為湍動能產(chǎn)生項;μl和μt分別為層流和湍流粘性系數(shù);模型中的5個常數(shù)采用Lauder和Spalding所推薦的數(shù)據(jù)C1=1.43，C2=1.93，CD=0.09，σk=1.00，σε=1.00。F(x，y，z，t)為給定元素在中間包某一位置的體積分數(shù)，F(xiàn)old和Fnew分別為元素在新舊鋼種中所占的體積分數(shù)。

2.3 邊界條件

(1)中間包上表面。opening邊界條件，該邊界條件只允許空氣自由進出(設(shè)置入口回流中空氣的體積分數(shù)為1)，鋼液不能自由進出。其壓力設(shè)置為一個大氣壓;

(2)水口入口。給定質(zhì)量流量;

(3)出口。出口物質(zhì)為鋼液，設(shè)為速度出口，速度方向沿y軸負方向，其值根據(jù)拉速求得;

(4)中間包壁和水口壁。采用無滑移邊界條件，壁面附近流場采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計算，并且在所有固體表面上，各組分的質(zhì)量傳輸為零;

(5)對稱面(YOZ)。速度及其他變量的法向?qū)?shù)為零。

2.4 數(shù)值求解

本研究采用四面體對計算域進行網(wǎng)格劃分，為了使計算結(jié)果準(zhǔn)確，對入口和出口處進行網(wǎng)格細化，模型的總網(wǎng)格數(shù)目約為22萬。采用分離求解器，隱式法離散方程。計算過程中涉及的連鑄工藝參數(shù)見表2。

表2 連鑄工藝參數(shù)Table 2 Technological parameters of continuous casting

3 計算結(jié)果與分析

3.1 拉速對異鋼種連澆的影響

異鋼種連澆過程中，工況1、2、3為:入口流量(46.42 kg/s)和液面高度(400 mm)保持不變，只改變拉速大小，研究拉速變化對混合時間和過渡坯長度的影響。圖3、圖4為新鋼液擴散圖，不同顏色代表不同的質(zhì)量分數(shù)，具體數(shù)值已在圖中標(biāo)出。

圖5至圖7為不同拉速下中間包各流水口處新鋼液質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化曲線，橫軸代表時間，從新鋼液開始澆注時計算，縱軸代表各流水口截面上新鋼液的質(zhì)量分數(shù)。表3為不同拉速下，各流水口處新鋼液達到不同質(zhì)量分數(shù)時所對應(yīng)的時間。

為了定量分析新鋼液到達各流水口的時間，假設(shè)新鋼液質(zhì)量分數(shù)達到0.001的時刻為初始時刻，結(jié)合圖表分析可知，各流水口(近流、中流、遠流)處開始出現(xiàn)新鋼液，其工況1所需時間為:近流12 s，中流41 s，遠流87 s;工況2所需時間為:近流11.8 s，中流42 s，遠流89 s;工況3所需時間為:近流11.7 s，中流43 s，遠流94 s，由此看來，雖然三種工況時的拉速不一樣，但對新鋼液到達各流水口處的時間影響不大，這與圖3所示的新鋼液濃度擴散圖一致。

由于新鋼液質(zhì)量分數(shù)從70%增加到100%非常緩慢，即新鋼液完全充滿整個中間包需要很長時間，因此為了方便分析、比較不同工況對異鋼種連澆過渡時間的影響，本文假設(shè)新鋼液質(zhì)量分數(shù)達到70%為最大值。由表3可知，出口處新鋼液質(zhì)量分數(shù)達到不同質(zhì)量分數(shù)時，3種工況的所需的時間不同:質(zhì)量分數(shù)達到最大時，工況3比工況1時間明顯縮短:近流減小了29 s，中流減小了194 s，遠流減小了153 s;同樣，工況2比工況1縮短了混澆時間:近流減少了13 s，中流減少了84 s，遠流減少了70 s。圖4所示的1000 s時新鋼液的擴散圖也表明，拉速0.7 m/min較0.5 m/min和0.6 m/min加快了新鋼液到達各流出口的速度。

圖7 拉速0.7 m/min時，中間包各流水口處新鋼液質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化Fig.7 Variation of new molten steel mass fraction at each outlet of tundish with time as withdraw speed is 0.7 m/min

因此，在入口流量、液面高度一定的情況下，增加拉速，有利于縮短混澆時間，減小過渡坯長度;同時比較三種工況下各流的混澆時間差可發(fā)現(xiàn)，拉速變化對各流的混合狀態(tài)影響不同:增加拉速使中流混澆時間減小最大，遠流次之，近流變化較小。

表3 不同拉速下各流水口處新鋼液達到不同質(zhì)量分數(shù)時所對應(yīng)的時間Table 3 Time corresponding to different withdraw speed when new molten steel at each outlet reaches different mass fraction

3.2 液面高度對異鋼種連澆的影響

異鋼種連澆過程中，工況4、5、6為:入口流量(46.42 kg/s)和拉速(0.7 m/min)不變，只改變中間包液面高度，分析中間包內(nèi)剩余鋼水量對過渡坯長度的影響。

圖8和圖9為新鋼液擴散圖，不同顏色代表不同的質(zhì)量分數(shù)，具體數(shù)值已在圖中標(biāo)出。圖10～圖12為不同液面時進行異鋼種連澆過程中中間包各流水口處新鋼液質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化曲線，橫軸代表時間，從新鋼液開始澆注時計算，縱軸代表各流水口截面上新鋼液的質(zhì)量分數(shù)。表4為不同拉速下，各流水口處新鋼液達到不同質(zhì)量分數(shù)時所對應(yīng)的時間。

圖8 澆注102 s時不同液面高度下新鋼液的擴散圖Fig.8 Diffusion of new molten steel at different liquid level as pouring of 102 s

由圖表分析可知，各流水口處開始出現(xiàn)新鋼液時，工況4需要的時間為:近流12.7 s，中流38.8 s，遠流79.7 s;工況5需要的時間為:近流11.9 s，中流43.2 s，遠流94 s;工況6需要的時間為:近流12.8 s，中流45.5 s，遠流101 s。因此，中間包液面增加對近流的影響不大，但延長了中流和遠流處新鋼液到達出口的時間。

質(zhì)量分數(shù)達到最大值時，三種工況所需的時間不同:工況4比工況6的時間明顯減少:近流減小了136 s，中流減小了381 s，遠流減小了598 s;工況4比工況5對應(yīng)的混澆時間也相應(yīng)減小:近流減小108 s，中流減小266 s，遠流減小245 s。

此外，由圖8、圖9所示的不同時刻三種工況下新鋼液的擴散圖可知，液面高低，即中間包內(nèi)舊鋼液量對混合過程影響很大:隨著液面的降低，混澆時間縮短，過渡坯量減小，特別對中流和遠流更有利。

表4 不同液面高度時各流水口處新鋼液達到不同質(zhì)量分數(shù)所對應(yīng)的時間Table 4 Time corresponding to different height of liquid level when new molten steel at each outlet reaches different mass fraction s

比較6種工況下的異鋼種連澆工藝可發(fā)現(xiàn)，由于該中間包的特殊幾何結(jié)構(gòu):入口注流區(qū)域設(shè)有高擋墻及導(dǎo)流孔，導(dǎo)流孔的位置較高，距底面560 mm，鋼液經(jīng)過導(dǎo)流孔進入分配區(qū)后，先到達近流水口，再到達中流，最后到達遠流水口處，這使得近流混合時間最短，對應(yīng)的過渡坯長度最短，中流較長，遠流最長。此外還可發(fā)現(xiàn)，新鋼液質(zhì)量分數(shù)從0增加到70%時較快，但從70%增加到100%很慢，新鋼液要完全充滿整個中間包需要很長的時間，因此，該中間包適合澆注成分和性能差別不大的鋼種。

4 結(jié)論

(1)異鋼種連澆過程中，增加拉速，降低液面澆注能明顯縮短混澆時間，減小過渡坯長度，尤其對中流和遠流更有利。

(2)在其他工藝條件不變時，速度由0.5 m/min增加到0.7 m/min時，可使各流混澆時間減小:近流減小了29 s，中流減小了194 s，遠流減小了153 s;同樣，拉速由0.5 m/min變?yōu)?.6 m/min時，各流混澆時間減小:近流減少了13 s，中流減少了84 s，遠流減少了70 s。因此，增大拉速有利于縮短混澆時間。

(3)在其他工藝條件不變時，降液面澆注即減小舊鋼液剩余量，有利于減小混澆時間。液面300 mm較500 mm澆注時，各流混澆時間明顯減少:近流減小了136 s，中流減小了381 s，遠流減小了598 s，因此降液面澆注有利于縮短混澆時間。

(4)采用該中間包進行異鋼種連澆時，近流過渡坯長度最短，中流較長，遠流最長。

(5)新鋼液質(zhì)量分數(shù)從0增加到70%時較快，但從70%增加到100%很慢，舊鋼液完全流出中間包需要很長的時間，因此，該中間包適合澆注成分和性能差別不大的鋼種。

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