阮文康,包燕平,李怡宏,王 敏,田永華

(1. 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京，100083)

湍流抑制器對(duì)中間包鋼液流動(dòng)的影響

阮文康,包燕平,李怡宏,王 敏,田永華

(1. 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京，100083)

采用水模擬試驗(yàn)研究湍流抑制器對(duì)中間包鋼液流動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明，拉速變化時(shí)單層湍流抑制器對(duì)鋼液流動(dòng)影響程度較小，雙層湍流抑制器能延長(zhǎng)包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間；液位變化時(shí)雙層湍流抑制器對(duì)鋼液流動(dòng)影響程度較小，相同液位下雙層湍流抑制器使鋼液在中間包內(nèi)平均停留時(shí)間較之于單層湍抑器相應(yīng)值至少增加20 s；3種湍流抑制器對(duì)中間包流場(chǎng)的改善程度從大到小排序?yàn)椋弘p層湍流抑制器，八角形湍流抑制器，單層湍流抑制器。

中間包；鋼液流動(dòng)；湍流抑制器；拉速；液位

中間包作為連鑄環(huán)節(jié)中的精煉設(shè)備直接影響鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量，其中中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為對(duì)鑄坯質(zhì)量影響較大[1]。為了提高中間包鋼液中夾雜物的去除率，已對(duì)中間包內(nèi)型和控流裝置進(jìn)行過(guò)大量研究[1-5]，其中包括對(duì)湍流抑制器結(jié)構(gòu)的研究[6-8]，但考慮現(xiàn)場(chǎng)操作條件和工藝參數(shù)變化的研究較少。為此，本文采用物理模擬方法，研究中間包包型、鑄坯拉速及液位變化時(shí)湍流抑制器對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)相似原理，用水模擬鋼液。模型和原型、模型現(xiàn)象與原型現(xiàn)象之間滿足幾何相似、動(dòng)力學(xué)相似。

試驗(yàn)條件：板坯斷面尺寸為1300mm×230 mm，板坯拉速為1.6 m/min，中間包液位為1100 mm，中間包原型與模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。根據(jù)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，將中間包內(nèi)分為活塞區(qū)、全混區(qū)和死區(qū)3個(gè)區(qū)域[10-12]。將鋼液死區(qū)體積和活塞流體積作為中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)象為80 t板坯中間包。試驗(yàn)變量為：湍流抑制器類型、拉速和液位高度。中間包結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。中間包實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將2支電極探頭分別插入中間包出水口中，調(diào)節(jié)流量至試驗(yàn)方案值，待液面高度穩(wěn)定后，注入300 mL飽和KCl溶液和40 mL飽和KMnO4溶液，同時(shí)使電導(dǎo)率儀和電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始工作，以2倍的理論停留時(shí)間作為采集時(shí)間，根據(jù)不同試驗(yàn)條件確定不同采集時(shí)間，范圍為20～30 min。湍流抑制器試驗(yàn)方案如表2所示。中間包流體特性試驗(yàn)方案如表3所示。中間包不同試驗(yàn)方案下數(shù)據(jù)采集時(shí)間如表4所示。

表2 湍流抑制器試驗(yàn)方案

Table 2 Experiment scheme of different turbulence inhibitors in the tundish

表3 中間包流體特性試驗(yàn)方案

Table 3 Experiment scheme of flow characteristics in the tundish

注：*液位為1100 mm時(shí)；**拉速為1.3 m/min時(shí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉速和液位固定時(shí)湍流抑制器類型對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響

拉速為1.6 m/min、液位為1100 mm時(shí)，湍流抑制器類型對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響如圖3所示。由圖3中可看出，對(duì)于中間包內(nèi)型A，相對(duì)于單層湍流抑制器和八角形湍流抑制器，采用雙層湍流抑制器時(shí)鋼液在包內(nèi)平均停留時(shí)間分別延長(zhǎng)了58.37 s和41.29 s，雙層湍流抑制器包內(nèi)鋼液滯止時(shí)間和峰值時(shí)間與八角形湍流抑制器包內(nèi)鋼液相應(yīng)值相近，但比單層湍流抑制器相應(yīng)值分別增加了8.6%和17.3%。對(duì)于中間包內(nèi)型B，雙層湍流抑制器包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間比單層湍流抑制器和八角形湍流抑制器包內(nèi)鋼液相應(yīng)值分別延長(zhǎng)了19.64 s和17.26 s，3種湍流抑制器包內(nèi)鋼液滯止時(shí)間相差無(wú)幾，雙層湍流抑制器包內(nèi)鋼液峰值時(shí)間比單層湍流抑制器和八角形湍流抑制器包內(nèi)鋼液相應(yīng)值分別增加了12.3%和4.1%。三種湍流抑制器對(duì)中間包流場(chǎng)的改善程度從大到小排序?yàn)椋弘p層湍流抑制器、八角形湍流抑制器、單層湍流抑制器。

Fig.3 Effect of turbulence inhibitor on the flow characteristics of molten steel at different tundish shapes

2.2 拉速變化時(shí)湍流抑制器類型對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響

選取中間包液位高度為1100 mm，研究拉速變化時(shí)湍流抑制器類型對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，兩種湍流抑制器包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間和滯止時(shí)間均隨拉速增大而減??；拉速變化時(shí)單層湍流抑制器對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響程度較??；相同拉速下，單層湍流抑制器包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間小于雙層湍抑制器包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間；雙層湍流抑制器控流、拉速為1.04 m/min時(shí)的鋼液平均停留時(shí)間與單層湍流抑制器控流、拉速為0.87 m/min時(shí)的鋼液平均停留時(shí)間相當(dāng)，表明雙層湍流抑制器利于快節(jié)奏生產(chǎn)狀態(tài)下改善鋼液流動(dòng)和去除夾雜物。

2.3 液位變化時(shí)湍流抑制器類型對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響

拉速為1.3 m/min條件下液位變化時(shí)湍流抑制器類型對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，液位變化時(shí)雙層湍流抑制器對(duì)鋼液流動(dòng)的影響程度較小；相同液位下，雙層湍流抑制器包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間較之于單層湍抑器相應(yīng)值至少增加20 s。

圖5 液位變化時(shí)湍流抑制器類型對(duì)鋼液流動(dòng)特性的影響

Fig.5 Effect of turbulence inhibitor on the flow characteristics of molten steel at different steel levels

3 結(jié)論

(1)拉速變化時(shí)單層湍流抑制器對(duì)鋼液流動(dòng)的影響程度較小，相同拉速下雙層湍流抑制器能延長(zhǎng)包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間。

(2)液位變化時(shí)雙層湍流抑制器對(duì)鋼液流動(dòng)的影響程度較小，相同液位下，雙層湍流抑制器包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間較之于單層湍流抑制器相應(yīng)值至少增加20 s。

(3)3種湍流抑制器對(duì)中間包流場(chǎng)的改善程度從大到小排序?yàn)椋弘p層湍流抑制器、八角形湍流抑制器、單層湍流抑制器。

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[責(zé)任編輯 彭金旺]

Effect of turbulence inhibitor on the flow behavior of moltensteel in slab tundish

RuanWenkang,BaoYanping,LiYihong,WangMin,TianYonghua

(1. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Hydraulic simulation experiment was conducted to study the effect of turbulence inhibitor on the flow behavior of molten steel in the slab tundish.The results show that when the casting speed changes,turbulence inhibitor with single layer structure has less influence on the flow of molten steel and turbulence inhibitor with double layer structure can extend the average residence time of molten steel in the tundish.When the level of molten steel changes,turbulence inhibitor with double layer structure has less influence on the flow of molten steel.Compared with the single layer structure inhibitor,the average residence time of molten steel in the double layer structure inhibitor under the same liquid level increases by at least 20 seconds.The improvement of the flow field in the slab tundish is the greatest with double layer structure,followed by octagonal structure and single layer structure.

tundish;molten steel flow;turbulence inhibitor;casting speed;level of molten steel

2015-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404022).

阮文康(1979-)，男，越南籍，北京科技大學(xué)博士生.E-mail: mm.liyh@163.com

包燕平(1963-)，男，北京科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:baoyp@ustb.edu.cn

TF769.9

A

1674-3644(2015)03-0161-04