錢凡 楊文剛 馬天飛 于建賓 劉國齊 馬明鍇

(1.中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司;2.山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司)

六流小方坯中間包流場優(yōu)化水模研究*

錢凡1楊文剛1馬天飛1于建賓1劉國齊1馬明鍇2

(1.中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司;2.山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司)

為改善某鋼廠六流小方坯中間包鋼液流場，凈化中間包鋼水以及改善鋼水的溫度分布，通過合理設(shè)計(jì)正交水模試驗(yàn)，考察各方案中間包死區(qū)體積、多流一致性等參數(shù)，以及兩者的綜合指標(biāo)，表明影響該中間包流場綜合特性的主次因素順序?yàn)?孔徑大小→導(dǎo)流孔傾角→擋墻位置→擋墻高度，其中導(dǎo)流孔徑55mm，向上傾角30°，擋壩距中端400 mm，高度250 mm，此方案流場較為合理。

中間包 流場 水模 正交試驗(yàn)

0 引言

中間包是連接鋼包與結(jié)晶器之間的過渡容器，不僅是穩(wěn)壓、分配鋼液、保證鋼液連續(xù)澆鑄的緩沖容器，還是防止鋼渣進(jìn)入結(jié)晶器、去除鋼液中非金屬夾雜物、均勻鋼液溫度等保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備［1］，利用物理模擬得到的停留時(shí)間分布(RTD)曲線分析中間包內(nèi)的流動(dòng)特性已成為優(yōu)化中間包流場及控流裝置的重要手段［2］，其中，合理使用擋墻和

擋壩是當(dāng)前改善中包內(nèi)鋼液流動(dòng)方式的常用途徑。本研究基于某鋼廠連鑄中間包澆鋼過程中遠(yuǎn)端水口出現(xiàn)結(jié)冷剛現(xiàn)象，在原U擋墻基礎(chǔ)上通過改進(jìn)導(dǎo)流孔及擋壩等措施后，發(fā)現(xiàn)其流場改善并不明顯，最后開展了V型擋墻結(jié)構(gòu)下相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對該中間包流場性能的影響研究，以期獲得一個(gè)最佳的流場方案。

1 實(shí)驗(yàn)

水模擬實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理，即模型與原型中液體流動(dòng)相似的基本條件是幾何相似和動(dòng)力相似。對于幾何相似，模型Lm和實(shí)際Lp的幾何相似比取Lm∶Lp=1∶4。對于動(dòng)力相似，要求模型和實(shí)型中的流體的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr分別相等［3］。但同時(shí)滿足模型和實(shí)型中的雷諾準(zhǔn)數(shù)和付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等相當(dāng)困難，考慮到在此實(shí)驗(yàn)條件下，模型和實(shí)型中流體流動(dòng)狀態(tài)已處于第二自模化區(qū)。因此，該系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)及流速分布與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re無關(guān)，只要保證與重力有關(guān)的付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr相等即可達(dá)到動(dòng)力相似。由Fr準(zhǔn)數(shù)相等可以確定模型和原型中流體的速度、流量、平均停留時(shí)間的關(guān)系。可得:

長度 Lm=λ·Lp，

速度 Vm= λ1/2·Vp，

流量 Qm=λ5/2·Qp

式中:λ——幾何比例系數(shù)，等于模型與原型的幾何尺寸之比;

L——幾何尺寸;

V——流速; Q——流量;

m——模型; p——原型。

1.1 測量方法及計(jì)算

反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，簡稱RTD曲線，反映了反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際的流動(dòng)過程。RTD的測定通常采用在入口處加入一定濃度的刺激信號，并在出口處測定出口濃度隨時(shí)間變化，稱為刺激－響應(yīng)法。在中間包的模型中，隨著鋼包注流注入一定劑量的示蹤劑KCl溶液，用刺激－響應(yīng)實(shí)驗(yàn)法描繪濃度C和時(shí)間t的RTD曲線，從而得出滯止時(shí)間tmin(進(jìn)入反應(yīng)器的流體微元的最短時(shí)間，即從加入脈沖信號開始時(shí)間到反應(yīng)器出口得到響應(yīng)時(shí)的最短時(shí)間，濃度達(dá)到最大的時(shí)間)、峰值時(shí)間tmax及計(jì)算得出流體平均停留時(shí)間tf，死區(qū)體積Vd，活塞區(qū)體積Vp和混合區(qū)體積Vm，實(shí)驗(yàn)采用鄭淑國等人所提出分析模型來計(jì)算各區(qū)的體積分?jǐn)?shù)［4］，具體到本實(shí)驗(yàn)所測的三個(gè)流則有:

timin——各流示蹤劑的響應(yīng)時(shí)間;

ci(t)——在采樣時(shí)間點(diǎn)為t時(shí)各流的濃度值;

V—實(shí)驗(yàn)時(shí)中間包內(nèi)水的體積。

原則上，從熱量的角度考慮，好的各流流動(dòng)特性的一致性能保證中間包各流有均勻的鋼液清潔度和鋼水溫度，這樣才能獲得高潔凈度的鋼水和保證中間包連鑄生產(chǎn)的順行。本研究采來定量分析多流中間包各流流物特性的一致性［5－6］。即:

ci(θj)——在采樣時(shí)間點(diǎn)為 θj時(shí)各流的無因次濃度值(i=1～3，j=1～Z);

θj——RTD曲線的第j個(gè)無因次采樣時(shí)間點(diǎn);Z是采樣時(shí)間點(diǎn)的總數(shù);

ˉc(θj)——在采樣時(shí)間點(diǎn)為 θj時(shí)各流無因次濃度的平均值。

ˉS3越小，多流中間包各流流動(dòng)特性的一致性越好。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置包括中間包模型、示蹤劑加入裝置、大包注流水口、中間包內(nèi)控流裝置、電導(dǎo)儀、dj800水量工程測量儀，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等(如圖1所示)。

中間包死區(qū)體積和多流一致特性是衡量中間包流場合理性的兩項(xiàng)重要的指標(biāo)，結(jié)合這兩個(gè)指標(biāo)，綜合考察流場的合理性，提出綜合評價(jià)指數(shù)R，計(jì)算公式為:

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置試驗(yàn)圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

本研究基于某鋼廠連鑄中間包澆鋼過程中容易遠(yuǎn)端水口出現(xiàn)結(jié)冷剛現(xiàn)象，在原U型擋墻基礎(chǔ)上通過改進(jìn)導(dǎo)流孔及擋壩等措施后，發(fā)現(xiàn)其流場改善并不明顯，最后在原中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一尺寸合理的V型結(jié)構(gòu)擋墻，該中間包及擋墻結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖2所示(圖中L為擋墻距中端水口距離，d為導(dǎo)流孔直徑)。

圖2 中間包結(jié)構(gòu)及其主要尺寸

本實(shí)驗(yàn)開展了該結(jié)構(gòu)擋墻下相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對該中間包流場性能的影響研究。通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)方案(見表1和表2)，研究擋墻導(dǎo)流孔直徑、傾角、擋壩位置及高度對中間包流場的影響，實(shí)驗(yàn)選擇了導(dǎo)流孔直徑，導(dǎo)流孔傾角、擋壩位置、擋壩高度四個(gè)因素，每個(gè)因素對應(yīng)3個(gè)水平，共9組實(shí)驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表2 實(shí)驗(yàn)因素和水平

3 結(jié)果分析

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，分析不同因素(導(dǎo)流孔直徑、導(dǎo)流孔傾角、擋壩位置、擋壩高度)對流場相關(guān)參數(shù)的影響，以期得到最好的實(shí)驗(yàn)組合方案條件。并對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，考察各因素對死區(qū)體積分?jǐn)?shù)和多流一致性方差、流場特性綜合指數(shù)影響的顯著性，以及影響程度的大小順序。

表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.1 考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)直觀分析

考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的直觀分析見表4，可以看出，最佳組合d1θ3l2h3。由于極差的大小可知，對死區(qū)體積影響最顯著的因素為孔直徑的大小，其次為導(dǎo)流孔的傾角，再次為擋墻位置，最后為擋墻高度。

表4 考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的直觀分析表

考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的方差分析見表5，可以看出，四種因素F比都沒有大于F的臨界值，都沒有達(dá)到顯著性的程度，但是依然可以從F的大小看出影響死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的因素影響程度和先后水平。影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:孔徑大小→導(dǎo)流孔傾角→擋墻位置→擋墻高度。與直觀分析得到的結(jié)果是一樣的。

表5 考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的方差分析表

3.2 考察各流一致性直觀分析

考察各流一致性的直觀分析見表6，可以看出，最佳組合θ2l1d1h2。根據(jù)極差大小分析得，影響各流一致特性最顯著的因素為導(dǎo)流孔的傾角和擋墻位置，其次為孔直徑的大小，再次為擋墻高度。

考察各流一致性的方差分析見表7，可以看出，四種因素F比都沒有大于F的臨界值，都沒有達(dá)到顯著性的程度，但是依然可以從F的大小看出影響各流一致性的因素影響程度和先后水平。影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:導(dǎo)流孔傾角→擋墻位置→孔徑大小→擋墻高度，與直觀分析得到的結(jié)果是一樣的。

表6 考察各流一致性的直觀分析表

表7 考察各流一致性的方差分析表

3.3 綜合指數(shù)考察

考察綜合指數(shù)的直觀分析見表8，可以看出，最佳組合水平為:d1θ3l2h2。根據(jù)極差大小分析得，影響流場綜合指數(shù)最顯著的因素為導(dǎo)流孔直徑，其次為導(dǎo)流孔的傾角，再次擋墻位置，最后為擋墻高度。

表8 考察綜合指數(shù)的直觀分析表

考察綜合指數(shù)的方差分析見表9，可以看出，四種因素F比都沒有大于F的臨界值，都沒有達(dá)到顯著性的程度，但是依然可以從F的大小看出影響流場綜合特性的因素影響程度和先后水平，影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:導(dǎo)流管直徑→導(dǎo)流孔傾角→檔壩距離→檔壩高度。

表9 考察綜合指數(shù)的方差分析表

4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

從上述正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以獲得幾組最佳的水平組合，以綜合指數(shù)為主要考察依據(jù)，對最佳的一組優(yōu)化實(shí)驗(yàn)d1θ3l2h2進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10，該方案RTD曲線如圖3所示。

表10 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖3 RTD曲線

由圖3可以看出，曲線變得平滑緩和，活塞區(qū)體積比例的增加，有利于夾雜物的上浮。同時(shí)各流曲線流動(dòng)特征比較相似，各流流動(dòng)特性一致性較好。

設(shè)置V型擋墻，沖擊區(qū)容積變大，所以示蹤劑溶液從鋼包長水口流出后在沖擊區(qū)的混勻時(shí)間變長，由于兩個(gè)孔洞都是向上的傾角，由圖4流場照片可以看出示蹤劑溶液通過擋墻后向鋼液面移動(dòng)，有利于夾雜物的上浮吸收。隨后墨水在鋼液面附近鋪展開并在2號水口上方向下移動(dòng)并混勻。2號、3號水口基本同時(shí)有墨水流入，95 s后中間包內(nèi)基本混勻，看不到有清水存在，說明此時(shí)已經(jīng)無死區(qū)存在。

圖4 流場照片

5 結(jié)論

1)影響六流中間包流場 綜合特性的主次因素順序?yàn)?導(dǎo)流管直徑→導(dǎo)流孔傾角→檔壩位置→檔壩高度。

2)對正交實(shí)驗(yàn)得出的優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，得出導(dǎo)流孔直徑55 mm、向上傾角30°、距中端400 mm位置設(shè)置高度250 mm擋壩時(shí)流場最為合理。在此方案下，中間包內(nèi)的鋼液平均停留時(shí)間延長，死區(qū)較小，能形成有利于夾雜物上浮，各流趨于均勻的流動(dòng)形態(tài)。

［1］王建軍，包燕平，曲英.中間包冶金學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001:4 －5.

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WATER MODEL EXPERIMENT ON 6－STRAND BILLET TUNDISH FLOW FIELD OPTIMIZATION

Qian Fan1Yang Wengang1Ma Tianfei1Yu Jianbin1Liu Guoqi1Ma Mingkai2
(1.Luoyang Refractory Research Co.，Ltd.Sinosteel;2.Jinan Iron and Steel Co.，Ltd.Shandong Group)

In order to solve the problems of the uneven distribution and high temperature difference of the molten steel among nozzles of the U shaped wall tundish，we do the water model experiment with the V shaped wall tundish，The orthogonal experiment indicated that signficant factors of flow field with the V shaped wall tundish in sequence is hole diameter＞deflector angle＞dam position ＞ dam height.When hole diameter is 50 mm，deflector angle is 30°，dam height is 250 mm and 400 mm far away from middle strand nozzle，flow field of which is much better.

tundish flow field water model orthogonal experiment

*聯(lián)系人:錢凡，碩士，助理工程師，河南.洛陽(471039)，中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院研發(fā)中心;

2012—6—11