田 源
中國(guó)第一重型機(jī)械有限集團(tuán)公司
中間包冶金過程模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
田 源
中國(guó)第一重型機(jī)械有限集團(tuán)公司
近些年來,我國(guó)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,鋼鐵冶金業(yè)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步,社會(huì)對(duì)于鋼鐵冶金的要求也越來越高。隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)中連鑄比的不斷提高,中間包內(nèi)鋼液流態(tài)會(huì)發(fā)生變化,中間包熔池液面波動(dòng)、熔池溫度分布、各流出口溫度差異更加難以控制,直接影響著鑄坯的質(zhì)量。采用數(shù)學(xué)物理模擬方法能夠很好的設(shè)計(jì)或優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)和控流擋墻結(jié)構(gòu),提高中間包冶金效果。
中間包、冶金過程模擬、結(jié)構(gòu)優(yōu)化
中間包是鋼水罐與結(jié)晶器之間的過渡容器,傳統(tǒng)的中間包由包體、包蓋、水口和控流裝置組成,本公司所用中間包是水桶式中間包和橢圓帶擋墻式中間包。包體的外殼一般用厚度為12~20mm的鋼板焊成,要求具有足夠的剛性,長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下承受澆鑄,搬運(yùn),清渣和翻包等操作時(shí)結(jié)構(gòu)不變形。中間包內(nèi)襯有耐火材料。中間包內(nèi)設(shè)有擋墻結(jié)構(gòu),用于隔離鋼水罐注流對(duì)中間包鋼液的擾動(dòng),使中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)更合理,有利于夾雜物的分離和上浮。隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展,對(duì)中間包內(nèi)襯、滑動(dòng)水口和浸入式水口的耐火材料的質(zhì)量要求越來越高,以避免侵蝕后進(jìn)入鋼液。中間包蓋主要用于保溫,減少鋼液的散熱損失。一般小容量為整體形,大容量可由幾部分組成。包蓋用鋼板焊成,內(nèi)襯耐火材料,包蓋上設(shè)有鋼流注孔、塞棒孔和加熱孔。
中間包的一個(gè)重要參數(shù)就是中間包容量,一般情況下,我們?nèi)′撍奕萘康?0%-40%,小容量鋼水罐取最大值,大鋼水罐取最小值。為了保證多爐連澆時(shí)的鑄坯質(zhì)量,其儲(chǔ)存的鋼液,應(yīng)大于換包所需的時(shí)間。鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間和中間包容量及鑄速有關(guān),為了使鋼液在中間包內(nèi)有必要的停留時(shí)間,應(yīng)根據(jù)鑄速來核算中間包的容量。
在一個(gè)上下有完全隔開的耐火材料上,設(shè)置若干個(gè)不同尺寸和傾角的孔洞。鋼液根據(jù)需要的方向流過孔洞,其通過導(dǎo)流擋板后的流速和方向由孔的大小和方向決定,這就是控流擋墻。英國(guó)鋼鐵廠的實(shí)踐表明,在六流中間包中采用不對(duì)稱、能承受7小時(shí)以上澆鑄的陶瓷質(zhì)導(dǎo)流擋板后,與不設(shè)控流裝置的中間包冶金效果相比,內(nèi)、外側(cè)水口的鋼液溫度差降低了7℃,拉漏現(xiàn)象發(fā)生率降低40%,拉坯成型率提高8%,并且無水口堵塞現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)的中間包有兩種形式。一種是設(shè)上、下?lián)踉鼔Γ硪环N在第一種基礎(chǔ)之上又加了多孔導(dǎo)流擋板。大量實(shí)驗(yàn)證明:帶有導(dǎo)流擋板的中間包中流向各水口的鋼液成分和溫度更加均勻,從內(nèi)側(cè)水口流出的鋼液的平均停留時(shí)間比前者延長(zhǎng)了35%,但對(duì)于從外側(cè)水口流出的鋼液來說,平均停留時(shí)間卻略縮短。
生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出中間包主要有以下作用:澆鑄作用:換鋼水罐時(shí)需要通過中間包存儲(chǔ)的鋼液來起到銜接的作用;分流作用:多流連鑄機(jī)的多水口必須通過中間包對(duì)鋼液進(jìn)行分流;保護(hù)作用:通過保護(hù)裝置(例如液面的覆蓋劑、長(zhǎng)水口以及其他保護(hù)措施),可以減少中間包中的鋼液受到外界環(huán)境帶入的各類污染。減壓作用:鋼水罐內(nèi)液面高度落差一般在5-6m,有很大沖擊力,可以用于穩(wěn)定在鋼液澆注的過程中,鋼液對(duì)結(jié)晶器凝固坯殼的沖刷,另外在澆注過程中鋼液的液面變化幅度也很大。由于中間包液面高度比鋼水罐液面低得多,也使得液面的變化幅度小得很多。
作為鋼液凝固之前所經(jīng)過的最后一個(gè)耐火材料容器,必須盡可能地防止鋼液吸收空氣以及耐火材料的氧,防止造成二次氧化,必須使鋼液中的非金屬夾雜物上浮并及時(shí)排除掉,這樣才能使鋼液滿足純凈鋼的技術(shù)要求。另外,要想保持煉鋼生產(chǎn)線能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),必須使所有的鋼液能順利通過中間包。在整個(gè)生產(chǎn)線中,中間包壽命是關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù)推廣應(yīng)用后,轉(zhuǎn)爐壽命大幅度增加,這時(shí)只要中間包不損毀,整個(gè)生產(chǎn)線就能維持運(yùn)轉(zhuǎn),所以中間包的運(yùn)轉(zhuǎn)成為煉鋼廠的限制環(huán)節(jié)。提高中間包耐火材料壽命,以及在線更換易損毀的原件,也是對(duì)中間包的要求之一。
3.1 冶金過程物理模擬
冶金工作者們對(duì)于冶金反應(yīng)器內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)行為和溫度分布已經(jīng)開展了相當(dāng)廣泛的研究工作,盡管從理論上的研究較多,但是針對(duì)不同工藝參數(shù)條件,研究?jī)?nèi)容依然存在較多不同。研究者們大多采用建立數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)此類行為進(jìn)行研究,然而,數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性直接影響了計(jì)算結(jié)果的可信度。而對(duì)于物理模擬方面,如何模擬中間包內(nèi)的溫度場(chǎng)分布依舊是困擾實(shí)驗(yàn)室研究工作的難題。為此,依據(jù)數(shù)學(xué)物理模擬中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)行為和數(shù)學(xué)模擬溫度分布來判斷研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,為中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
冶金系統(tǒng)中,流體的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和冶金反應(yīng)同時(shí)發(fā)生,而且在高溫下進(jìn)行,很難對(duì)這些現(xiàn)象完全加以模擬。只能進(jìn)行局部、冷態(tài)或者單元過程的模型實(shí)驗(yàn)。在針對(duì)冶金過程的物理模擬中,因?yàn)殇撘旱牧鲃?dòng)對(duì)傳熱、傳質(zhì)、混合和返混等有較為重大的影響,所以對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象的模擬最為廣泛。
物理模擬有兩種類型。一種是完全模擬,它以精確的物理模型,嚴(yán)格地按照相似原理構(gòu)造模型,可以直接對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比例放大。另一種是部分模型,也就是以半精確模型,對(duì)冶金過程只能做到部分模擬,研究其中的較為關(guān)鍵的物理現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可借助數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。
3.2 冶金過程水力學(xué)模擬
根據(jù)水力學(xué)物理模擬的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn),為更加節(jié)省人力、物力,水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)針對(duì)中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路而制定了控流擋墻主次因素實(shí)驗(yàn)方案和不同設(shè)計(jì)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案,以達(dá)到與數(shù)值模擬結(jié)論相互驗(yàn)證的目的。如果控流擋墻正交試驗(yàn)測(cè)定影響中間包控流擋墻各因素主次順序的水力學(xué)模擬與數(shù)模實(shí)驗(yàn)結(jié)論吻合,即可證明中間包控流擋墻設(shè)計(jì)思路的正確性。如果針對(duì)數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方案而進(jìn)行的水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)得出了與數(shù)值模擬相同或相近的結(jié)論,即可證明中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。
[1]董水秀.中間包冶金過程模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].遼寧科技大學(xué),2012.
[2]楊小容.連鑄中間包內(nèi)鋼中夾雜物運(yùn)動(dòng)行為模擬研究[D].武漢科技大學(xué),2004.
[3]許長(zhǎng)軍,胡小東,胡林,汪琦,軒宗宇,王欣,陳興偉.中間包導(dǎo)流擋板設(shè)計(jì)與冶金效果[J].煉鋼,2013,01:69-73.