供稿|徐和平，張立強(qiáng)，趙傲南，張超杰，褚昌悅，ALI Naqash / XU He-ping, ZHANG Li-qiang, ZHAO Ao-nan, ZHANG Chao-jie, CHU Chang-yue, Naqash ALI

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章以某廠四機(jī)四流中間包為研究對(duì)象，通過(guò)水模型實(shí)驗(yàn)方法，采用刺激響應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了中間包內(nèi)型結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后滯止時(shí)間、峰值時(shí)間提高明顯，死區(qū)比例降低。通過(guò)限定變量對(duì)孔徑、開(kāi)孔高度和孔的傾斜角度逐一進(jìn)行優(yōu)化最大限度的優(yōu)化中間包流場(chǎng)。通過(guò)優(yōu)化前后鑄坯取樣及大樣電解方法，對(duì)鋼中夾雜物含量進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)擋墻優(yōu)化后鋼的純凈度有明顯改善，大型夾雜物含量較原型降低了64.2%。

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，是鋼水進(jìn)入結(jié)晶器之前最后的精煉手段[1]。通過(guò)中間包水模實(shí)驗(yàn)研究，可發(fā)現(xiàn)不同控流裝置對(duì)中間包流動(dòng)特性的影響，研究結(jié)果表明堰、壩的尺寸和位置與湍流控制器的結(jié)構(gòu)對(duì)中間包流動(dòng)特性影響較大[2]。張彩軍等[3]通過(guò)水模實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中間包控流裝置采用弧形開(kāi)孔導(dǎo)流墻和湍流控制器優(yōu)化后，由于沖擊區(qū)體積的增大，兩端的控流能力增強(qiáng)，流體在中間包內(nèi)的流動(dòng)情況得到很大改善。楊樹(shù)峰等[4]通過(guò)中間包物理模擬的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)某鋼廠四流中間包進(jìn)行控流裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使最小停留時(shí)間和平均停留時(shí)間延長(zhǎng)，并增大了活塞流體積，減少了死區(qū)體積。李洋等[5]通過(guò)流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合研究了不同導(dǎo)流孔傾角的U型擋墻對(duì)中間包鋼液流動(dòng)特性的影響。Foseco鋼鐵公司[6]開(kāi)發(fā)了一種可使鋼水流平行于中間包壁且流速穩(wěn)定的裝置。這種裝置可以分離夾雜物使生產(chǎn)的潔凈鋼更穩(wěn)定。迄今為止，多擋墻組合裝置是國(guó)內(nèi)外普遍使用的裝置。

本文通過(guò)擋墻組合水力學(xué)模型，采用刺激-響應(yīng)研究方法，分析中間包澆注過(guò)程中流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，比較滯止時(shí)間、死區(qū)比例等因素，探索適合某廠四流中間包的內(nèi)型結(jié)構(gòu)，使各流均勻化，促進(jìn)夾雜物上浮，滯止時(shí)間增加，死區(qū)比例減小，最終達(dá)到提高鑄坯質(zhì)量的目的。

水模實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備是鋼包、中間包、擋墻、塞棒、流量計(jì)、中間包支架、示蹤劑、電導(dǎo)電極、電導(dǎo)率儀、計(jì)算機(jī)。中間包的制作材料為透明有機(jī)玻璃，其厚度約為10 mm。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1，實(shí)驗(yàn)時(shí)改變開(kāi)孔位置和方向，以探索合理的中間包流場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)以相似原理為基礎(chǔ)，通過(guò)水模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)要求原型和模型幾何、物理相似。本實(shí)驗(yàn)按模型與實(shí)際中間包比例為1∶2。從鋼包長(zhǎng)水口處加入示蹤劑，在中間包出水口處連續(xù)或間斷測(cè)量示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化，從而測(cè)得停留時(shí)間分布曲線(RTD曲線)。選取弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr為定性準(zhǔn)數(shù)。中間包形狀：四機(jī)四流，澆注時(shí)間為40 t，鋼水27-33 min澆鑄完畢，取均值30 min。某廠鑄機(jī)工作拉速及模型等規(guī)格參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 四機(jī)四流中間包與模型參數(shù)

弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)：

式中，v為拉速，m/min；Q為氣體體積流量，m3/min；下標(biāo)m和s分別表示模型和原型，本實(shí)驗(yàn)中，取原型比例為1∶2，即比例系數(shù)λ=0.5，故長(zhǎng)度比cl=0.5，速度比cν=0.707，流量比cQ=0.177。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

原方案處理

某廠中間包形狀及擋墻形狀如圖2所示，對(duì)原型進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，對(duì)其流場(chǎng)特征參數(shù)進(jìn)行分析，如表2。

表2 原方案流場(chǎng)參數(shù)

通過(guò)對(duì)某廠原方案與優(yōu)化方案的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，原方案1、3流RTD曲線如圖3，其中通道9曲線為第1流，通道10曲線為第3流；兩流滯止時(shí)間、峰值時(shí)間、死區(qū)比例都相差較大，明顯不對(duì)稱(chēng)。不同控流裝置方案中間包內(nèi)鋼液的平均停留時(shí)間和死區(qū)體積分?jǐn)?shù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及流場(chǎng)顯示可以看出原方案各流場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)，死區(qū)比例較大，且較易出現(xiàn)在2、3流上方沿?fù)鯄μ?，鋼液? min后才達(dá)到完全混勻，較短的滯止時(shí)間及較大的死區(qū)導(dǎo)致夾雜物不易上浮排除而帶入連鑄過(guò)程。因此，有必要對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

優(yōu)化后方案

針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，綜合得到最優(yōu)方案，即在原方案上部?jī)煽字虚g開(kāi)一個(gè)φ50 mm導(dǎo)流孔，通鋼量增加，各參數(shù)最佳。通過(guò)水模型實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為穩(wěn)定，兩流對(duì)稱(chēng)性較好。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

流場(chǎng)顯示表明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后上升流股明顯，2、3流上方流動(dòng)得到明顯改善死區(qū)明顯減少，1 min后死區(qū)已經(jīng)不明顯，較原方案有很大改善。

表3 優(yōu)化方案流場(chǎng)參數(shù)平均值

優(yōu)化前后夾雜物數(shù)量

在工藝穩(wěn)定情況下，原工藝大型夾雜物含量為42 mg/10 kg，改進(jìn)擋墻后為15 mg/10 kg，渣洗工藝為14 mg/10 kg；擋墻優(yōu)化后大型夾雜物有明顯改善。圖5是優(yōu)化前后電解得到的不同粒徑范圍的大型夾雜物數(shù)量，(a)、(b)、(c)為優(yōu)化前，(d)、(e)、(f)為優(yōu)化后圖片，可見(jiàn)優(yōu)化后各粒度范圍大型夾雜物均有明顯減少。

改進(jìn)擋墻后全氧平均含量較原工藝降低了11×10-6，[N]平均含量較原工藝降低了25×10-6，一方面有效促進(jìn)了夾雜物上浮，另一方面擋墻改進(jìn)后有效降低了中間包過(guò)程的二次氧化。在工藝穩(wěn)定情況下，原工藝大型夾雜物含量為42 mg/10 kg，改進(jìn)擋墻后為15 mg/10 kg，擋墻優(yōu)化后大型夾雜物有明顯改善，較改進(jìn)前降低了64.2%。

結(jié)束語(yǔ)

1) 優(yōu)化后滯止時(shí)間相對(duì)原方案有一定提高，峰值時(shí)間提高明顯，死區(qū)比例明顯降低。原型方案1、2流滯止時(shí)間分別為33.17、36.50 s，峰值時(shí)間為162.17、67.17 s，死區(qū)分別為34.43%、41.03%；優(yōu)化后1、2流滯止時(shí)間分別為34.17、38.67 s，峰值時(shí)間為184.17、70.17 s，死區(qū)分別為27.53%、40.80%。

2) 在原方案的基礎(chǔ)上在上部?jī)煽字虚g開(kāi)一個(gè)同樣大小的φ50 mm圓孔可以有效降低死區(qū)比例且可以使1、2流分布對(duì)稱(chēng)，為現(xiàn)場(chǎng)中間包流場(chǎng)流動(dòng)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

3) 在原方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)限定變量對(duì)孔徑、開(kāi)孔高度和孔的傾斜角度逐一進(jìn)行優(yōu)化，最大限度的優(yōu)化中間包流場(chǎng)；優(yōu)化孔徑使從導(dǎo)流孔流出的液體盡量處于1、2流和3、4流的中間，可減小死區(qū)比例，改善對(duì)稱(chēng)性；改變孔的傾角或高度，以達(dá)到增加滯止時(shí)間的目的。

4) 通過(guò)水模型對(duì)該中間包內(nèi)型結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)優(yōu)化，鑄坯大型夾雜物含量原工藝為42 mg/10 kg，優(yōu)化后降低為15 mg/10 kg，中包擋墻優(yōu)化后鋼的純凈度明顯改善，較原型大型夾雜物含量降低了64.2%。