張懷忠，穆保安，黃正華，張建春，劉旭峰，范正潔

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司；2.寶山鋼鐵股份有限公司）

八鋼十機(jī)十流小方坯中間包流場優(yōu)化與實踐

張懷忠1，穆保安1，黃正華1，張建春2，劉旭峰2，范正潔2

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司；2.寶山鋼鐵股份有限公司）

文章介紹了應(yīng)用三維湍流流動的數(shù)學(xué)模型及計算機(jī)模擬技術(shù)，對八鋼十機(jī)十流小方坯連鑄中間包流場和溫度場進(jìn)行的數(shù)值模擬研究。通過研究找出最優(yōu)的中間包內(nèi)部控流結(jié)構(gòu)，提高鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時間，減少各流間出口鋼水溫差。優(yōu)化后的方案在42CrMoA鋼的生產(chǎn)實踐中取得了良好效果。

數(shù)學(xué)模擬；連鑄；中間包；流場

中間包冶金最重要的兩個功能是去除夾雜和調(diào)整溫度，中間包內(nèi)流體流動特性對其內(nèi)非金屬夾雜物的上浮及均勻鋼水溫度起著至關(guān)重要的作用，合理的控流裝置是得到理想流動特性的關(guān)鍵保證[1]。

八鋼第一煉鋼廠十機(jī)十流小方坯連鑄機(jī)在42CrMoA等優(yōu)鋼的生產(chǎn)過程中存在夾雜物超標(biāo)的問題，其中小方坯夾雜物總和多為2級。

工藝流程：轉(zhuǎn)爐→LF爐外精煉→5流中間包（2個中間包左右對稱）→10流塞棒自動澆注連鑄。通過中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，應(yīng)用數(shù)值模擬手段，模擬不同中間包內(nèi)部控流結(jié)構(gòu)下流場的分布，找到最優(yōu)方案，優(yōu)化中間包內(nèi)流場，降低連鑄坯夾雜物水平。

1　中間包結(jié)構(gòu)研究方法及模型設(shè)定條件

現(xiàn)階段的連鑄生產(chǎn)中，中間包是鋼包與結(jié)晶器之間重要的連接設(shè)備，在連鑄生產(chǎn)過程中起著十分重要的作用[2]。中間包流場的優(yōu)化僅靠經(jīng)驗與實驗進(jìn)行研發(fā)，研發(fā)周期長、成本高，而且不易找到原因[3]。計算機(jī)數(shù)值模擬的方法得到了快速的發(fā)展。文章介紹應(yīng)用數(shù)學(xué)模擬手段建立八鋼五流中間包的三維數(shù)值模型，計算各種情況下中間包內(nèi)鋼液的流動、傳熱、平均停留時間等，從而找出最優(yōu)的中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高鋼液在中間包內(nèi)停留時間，促使大顆粒夾雜上浮排除，改善連鑄鋼水、鑄坯及最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

中間包主體框架不變，從左到右依次為1、2、3、4、5流。在此基礎(chǔ)上提出兩種控流優(yōu)化方案（圖1）。

圖1　中間包結(jié)構(gòu)示意圖

計算邊界條件設(shè)定：中間包內(nèi)流體流動模型的基本假設(shè)和邊界條件，根據(jù)文獻(xiàn)和實際情況確定。鑒于模型的對稱性，取模型的二分之一進(jìn)行計算：（1）在上表面的自由液面上，把該邊界處理為自由滑移壁面；（2）設(shè)流體在出口處充分發(fā)展，采用質(zhì)量邊界條件，即出口處與入口處質(zhì)量守恒；（3）固體壁面上的邊界條件的處理。在壁面附近的流體計算，一般可以采用低雷諾數(shù)的模型或壁面函數(shù)法。研究中采用壁面函數(shù)法；（4）中間包內(nèi)鋼水流動為穩(wěn)定態(tài)；（5）忽略表面渣層的影響；（6）入口邊界條件。入口定義在長水口入口處,入口鋼水速度根據(jù)連鑄機(jī)拉速和質(zhì)量守恒計算確定，方向垂直于入口。

2　不同中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬方案對比

2.1原中間包內(nèi)流場

原中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

從原中包的流動來看，鋼水進(jìn)入中間包后，大部分鋼流沿底部鋪散，小部分的鋼水在中間包中段浮起，很快又落回包底，這使得鋼水不能有效上浮，整個中間包液面不夠活躍，鋼水與中間包渣的有效交換不多。

圖2　原中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬示意圖

從原中包的溫度場來看，與中包內(nèi)流動是對應(yīng)的，在中間包的遠(yuǎn)端存在較大的冷區(qū)，包底極端溫度只有1468℃。因此，中間包需要通過優(yōu)化控流裝置來增加鋼水和渣面的接觸，同時也要疏導(dǎo)過熱鋼水到中間包遠(yuǎn)端側(cè)，減少包內(nèi)的冷區(qū)，提高最低溫度。

2.2方案1中間包內(nèi)流場

方案1中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬結(jié)果見圖3。

圖3　方案1中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬示意圖

從方案1的圖3看出，鋼水進(jìn)入中間包后，首先在沖擊區(qū)混勻，再通過控流擋墻上的開孔導(dǎo)出。鋼水在前2/3段得到強制上浮，與原中包相比，鋼水與液面的渣接觸機(jī)率增加，有效交換增多，但之后鋼水又快速下沉。從方案1圖3中的溫度場來看，與流動對應(yīng)，鋼水通過擋墻上的導(dǎo)流孔強制上浮，過熱鋼水被推送到鋼包的遠(yuǎn)端側(cè)，但鋼水在2/3段后快速下沉，遠(yuǎn)端側(cè)依然不是很活躍。但在遠(yuǎn)端側(cè)的包底極端溫度提高到了1484℃。

另外，此方案存在從導(dǎo)流孔出來的鋼水直接沖向包壁，對耐火材料沖刷，降低中包壽命。

2.3方案2中間包內(nèi)流場

方案2中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。

圖4　方案2中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬示意圖

從優(yōu)化方案2的流動來看，鋼水進(jìn)入中間包后，首先在沖擊區(qū)混勻，再通過控流擋墻上的開孔導(dǎo)出。鋼水在前2/3段得到強制上浮，與原中包相比，鋼水與液面的渣接觸機(jī)率增加，有效交換增多。與優(yōu)化方案1相比，在中間包的后段加設(shè)了一個擋壩，強制鋼水在末端再次上浮，增加與渣面的接觸幾率。

從優(yōu)化方案2的溫度場來看，與流動對應(yīng)，鋼水通過擋墻上的導(dǎo)流孔強制上浮，過熱鋼水被推送到鋼包的遠(yuǎn)端側(cè)，與優(yōu)化方案1相比，鋼水在2/3段被矮壩托舉，在遠(yuǎn)端側(cè)鋼水溫度提升，極端溫度提高到了1496℃。方案2避免了方案1可能存在著從導(dǎo)流孔出來的高溫過熱鋼水對包壁的沖擊隱患。

2.4不同方案下平均停留時間與溫度場計算結(jié)果對比

通過計算，得到穩(wěn)定的流場和溫度場后，加入一定濃度的示蹤劑，開始計算瞬態(tài)的中間包流場和溫度場，同時計算示蹤劑在中間包中的擴(kuò)散方程，并分別監(jiān)測1流和5流處出口示蹤劑濃度變化（RTD），將圖中數(shù)據(jù)整理分析，得出不同方案下平均停留時間與溫度場數(shù)據(jù)（見表1、表2）。

表1　不同方案下死區(qū)、活塞流區(qū)、混合流區(qū)的計算結(jié)果

表2　不同方案下中間包內(nèi)的溫度場計算結(jié)果

對比現(xiàn)場使用的中間包，其沖擊區(qū)容積很小，不到整包的5%，流股的回流速度大，不利于夾雜物的上浮。且容易在沖擊區(qū)湍動過分，誘發(fā)二次吸氣。從RTD數(shù)據(jù)來看，原包近端的5流和遠(yuǎn)端的1流差異比較大，近端過熱鋼水還沒有得到充分停留就進(jìn)入了澆注口，遠(yuǎn)端鋼水的活躍性差，使得整個中間包的死區(qū)較大，達(dá)到25.9%。從優(yōu)化方案1的平均停留時間來看，縮小了5流和1流的停留時間差異，遠(yuǎn)端側(cè)的鋼水不活躍也有所改善，死區(qū)比例減小。從優(yōu)化方案2的平均停留時間來看，是更進(jìn)一步的縮小了5流和1流的停留時間差異，整個包內(nèi)的死區(qū)比例降到了一個新的水平。

原中包方案中間包各流出口鋼水溫度最大差為3K，整個中間包內(nèi)的最低溫度在遠(yuǎn)端的后角部，最低溫度為1741K；方案1在沖擊區(qū)內(nèi)鋼水的溫度較高，最低溫度1757K，各流出口鋼水溫度最大溫差為2 K；方案2進(jìn)一步得到優(yōu)化，最低溫度1769K，各流之間的溫度也基本相同，最大溫差為1 K，溫度場更加均勻。

通過對3種不同中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)工藝數(shù)值模擬的比較，方案2中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)效果最優(yōu)。

3　方案2在生產(chǎn)42CrMoA鋼中的實踐

通過對3種不同中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，確定采用方案2進(jìn)行42CrMoA鋼的生產(chǎn)試驗。

在八鋼十機(jī)十流小方坯連鑄機(jī)中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，跟蹤了42CrMoA鋼中的夾雜物水平，在原有中間包結(jié)構(gòu)時夾雜物水平多為2級，甚至達(dá)到2.5級。改用方案2中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，測得的低倍組織結(jié)構(gòu)，鋼中夾雜物水平有效的控制在1級以內(nèi)（見表3），同時中間包的增[N]量控制在5×10-6以內(nèi)，連鑄坯的潔凈度得到了有效提高。

表3　方案2中包42CrMoA鋼低倍與夾雜物情況

4　結(jié)論

（1）采用方案2中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鋼水流場分布更加合理，增加了鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時間，同時縮短了近端5流與遠(yuǎn)端1流間的停留時間差異，減小了死區(qū)比例，有利于夾雜物的去除，確保了中間包的冶金效果。

（2）采用方案2中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，中間包內(nèi)鋼水溫度穩(wěn)定，各流間最大溫差1K，滿足了連鑄生產(chǎn)對鋼水成分及溫度的穩(wěn)定、均勻要求。

生產(chǎn)實踐表明：采用方案2中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鋼水夾雜物水平控制在了1級以內(nèi)，中間包增[N]量控制在5×10-6以下，相應(yīng)提高了鑄坯質(zhì)量，實現(xiàn)了優(yōu)化改進(jìn)的目的，達(dá)到了預(yù)期效果。

[1]劉大方，施哲，詹樹華，等.五流非對稱結(jié)構(gòu)中間包流動及傳熱特征數(shù)值模擬[J].鋼鐵釩鈦，2006，27(2)：38～42.

[2]謝健,朱苗勇.五流T型中間包內(nèi)控流裝置優(yōu)化的水模型實驗[J].材料與冶金學(xué)報，2002，4：285～289.

[2]劉中興，賀友多.五流中間包結(jié)構(gòu)研究.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報[J]，1999，18（2）：130～133.

Practice and Optimization of Flow Field in Tundish of 10-strand Billet Continuous Casting in Bayi Steel

ZHANGHuai-zhong1，MUBao-an1，HUANGZheng-hua1，ZHANGJian-chun2，Liu Xu-feng2，F(xiàn)ANZheng-jie2
（1.XinjiangBayi Iron&Steel Co.,Ltd.；2.Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.）

In the research,the flow fields and temperature distribution of molten steel 10-strand tundish in Bayi Steel were investigated bymathematical simulation.The condition offlowofsteel in the tundish with different baffles perform a vital role in lengthening the residence time ofsteel and decreasing temperature difference between all tundish outlets.On this basis,presenting some optimization programs for the tundish's construction.The best optimization program in production practice ofthe 42CrMoAsteel has achieved good results.

mathematical simulation；continuous casting；tundish;flowfields

TF777.3

B

1672—4224（2016）02—0034—04

聯(lián)系人：張懷忠，男，37歲，本科，工程師，烏魯木齊（830022）新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鋼廠

E-mail:zhanghz1@bygt.com.cn