田 源

中國第一重型機(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

中國第一重型機(jī)械有限集團(tuán)公司

近些年來，我國的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，鋼鐵冶金業(yè)也得到了長足的進(jìn)步，社會對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)會發(fā)生變化，中間包熔池液面波動、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

1 中間包冶金技術(shù)綜述

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，長期在高溫環(huán)境下承受澆鑄，搬運(yùn)，清渣和翻包等操作時結(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中間包鋼液的擾動，使中間包內(nèi)鋼液的流動更合理，有利于夾雜物的分離和上浮。隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，對中間包內(nèi)襯、滑動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的鑄坯質(zhì)量，其儲存的鋼液，應(yīng)大于換包所需的時間。鋼液在中間包內(nèi)的停留時間和中間包容量及鑄速有關(guān)，為了使鋼液在中間包內(nèi)有必要的停留時間，應(yīng)根據(jù)鑄速來核算中間包的容量。

2 中間包擋墻技術(shù)和中間包冶金的作用

在一個上下有完全隔開的耐火材料上，設(shè)置若干個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。英國鋼鐵廠的實(shí)踐表明，在六流中間包中采用不對稱、能承受7小時以上澆鑄的陶瓷質(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?，而另一種在第一種基礎(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間比前者延長了35%，但對于從外側(cè)水口流出的鋼液來說，平均停留時間卻略縮短。

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：換鋼水罐時需要通過中間包存儲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，這時只要中間包不損毀，整個生產(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，也是對中間包的要求之一。

3 中間包冶金過程模擬方法

3.1 冶金過程物理模擬

冶金工作者們對于冶金反應(yīng)器內(nèi)的液體運(yùn)動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，但是針對不同工藝參數(shù)條件，研究內(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)確性直接影響了計算結(jié)果的可信度。而對于物理模擬方面，如何模擬中間包內(nèi)的溫度場分布依舊是困擾實(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)計提供理論依據(jù)。

冶金系統(tǒng)中，流體的流動、傳熱、傳質(zhì)和冶金反應(yīng)同時發(fā)生，而且在高溫下進(jìn)行，很難對這些現(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)。在針對冶金過程的物理模擬中，因?yàn)殇撘旱牧鲃訉鳠?、傳質(zhì)、混合和返混等有較為重大的影響，所以對流動現(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)針對中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計間對比實(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)計思路的正確性。如果針對數(shù)值模擬設(shè)計方案而進(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)動行為模擬研究[D].武漢科技大學(xué)，2004.

[3]許長軍，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)計與冶金效果[J].煉鋼，2013，01：69-73.