張忍德，翁 承，李宇彤，連天龍，楊昌霖

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

連鑄中間包的控流裝置直接影響鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響中間包的冶金作用，深入了解控流裝置對(duì)鋼液流動(dòng)狀態(tài)的影響至關(guān)重要[1]。有研究者對(duì)中間包流場(chǎng)的物理模擬采用示蹤法，即將一定量的示蹤劑，從鋼包長(zhǎng)水口處瞬時(shí)注入，然后以錄像的方式記錄示蹤劑溶液的運(yùn)動(dòng)情況[2,3]，然而使用顯示劑的流動(dòng)顯示技術(shù)只能觀察液體流動(dòng)的大致情況，不能提供詳細(xì)的定量結(jié)果。本研究中對(duì)中間包流場(chǎng)的測(cè)試采用一種將PIV粒子成像技術(shù)與基于PXI硬件平臺(tái)結(jié)合而產(chǎn)生的PXI粒子成像技術(shù)，即利用高分辨率高感光度相機(jī)拍攝激光掃射平面上示蹤粒子的軌跡圖像來(lái)獲取流場(chǎng)信息[4]。

通過(guò)測(cè)定停留時(shí)間分布曲線可定量描述中間包內(nèi)流體流動(dòng)特性，對(duì)于RTD曲線的研究，傳統(tǒng)的研究者[5]采用酸、鹽溶液或染色溶液作為示蹤劑，采用PH值測(cè)量?jī)x、電導(dǎo)率儀或比色計(jì)分析中間包出口示蹤劑的濃度變化。有研究表明[6]，使用與測(cè)試對(duì)象密度不同的示蹤劑，會(huì)使獲取的RTD曲線失真，導(dǎo)致中間包流動(dòng)的分析產(chǎn)生錯(cuò)誤。本測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)的基于圖像檢測(cè)技術(shù)的中間包RTD測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)激光照射出流口透明管道內(nèi)流過(guò)的示蹤粒子(聚苯乙烯微粒1.05 g/cm3)，產(chǎn)生輝光，通過(guò)記錄測(cè)試區(qū)域內(nèi)粒子濃度隨時(shí)間變化曲線來(lái)得到RTD曲線。

Chiang, L.K.[7]試驗(yàn)研究了擋壩、擋堰等控流裝置對(duì)中間包流場(chǎng)的影響，研究結(jié)果表明擋壩可以減少短路流，延長(zhǎng)中間包內(nèi)最小停留時(shí)間，擋壩的高度對(duì)流場(chǎng)影響作用較小。多孔擋墻是一種可以代替壩堰組合的單片式導(dǎo)流墻，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)流墻上過(guò)流孔的角度，改變鋼液流動(dòng)方向，可延長(zhǎng)鋼液在中間包的平均停留時(shí)間，有利于夾雜物上浮去除。Sheng, D.Y.等人[8]采用數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合的方法研究了多孔擋墻對(duì)鋼液流動(dòng)的影響，結(jié)果表明多孔擋墻使鋼液分布更均勻，平均停留時(shí)間提高了35%。本文采用PXI粒子成像技術(shù)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了壩堰組合和多孔擋墻兩種控流裝置對(duì)中間包流場(chǎng)的影響。

1 中間包流場(chǎng)的模擬試驗(yàn)平臺(tái)

本文中間包流場(chǎng)及RTD曲線測(cè)試采用PXI連鑄綜合水模試驗(yàn)平臺(tái)[4]。試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示，水模擬系統(tǒng)主要由中間包模型、結(jié)晶器模型、循環(huán)水箱、各種電磁閥、流量計(jì)、液位計(jì)及各種控制設(shè)備組成，利用中間包及結(jié)晶器液位耦合閉環(huán)控制，可模擬不同澆注條件下的連鑄過(guò)程。本研究中主要用中間包流場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6和中間包RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2 試驗(yàn)方案

在中間包流場(chǎng)模擬試驗(yàn)中水的流動(dòng)主要是重力和慣性力起主導(dǎo)作用的湍流流動(dòng)，在湍流流動(dòng)條件下，不論中間包的幾何形狀和尺寸大小，流動(dòng)過(guò)程的湍流雷諾數(shù)是非常相近的。在此基礎(chǔ)上，要保持在湍流流動(dòng)范圍和原型與模型動(dòng)力相似，只需要保證原型和模型的佛魯?shù)聰?shù)相等即可，選用佛魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)作為試驗(yàn)的決定性準(zhǔn)數(shù)，有式(1)成立。即

(1)

以某鋼廠雙流板坯連鑄中間包為研究對(duì)象，該中間包容量44 t，長(zhǎng)水口內(nèi)徑75 mm，浸入式水口內(nèi)徑45 mm，中間包穩(wěn)定操作液面高度900 mm，鑄坯斷面尺寸為180 mm×650 mm，正常拉坯速度為1.1 m/min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，模型與原型比例設(shè)為1∶1.5，通過(guò)相似換算則可得到原型及模型的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原型及模型中間包主要參數(shù)

本試驗(yàn)對(duì)模型中間包的典型截面的流場(chǎng)信息進(jìn)行采集并進(jìn)行分析。圖2為兩種控流裝置的中間包的典型物理截面。

圖2 中間包典型截面結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

合理的中間包流場(chǎng)必須保證三點(diǎn)： (1)全混流區(qū)被限定在一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)，以保證夾雜物的上浮和溫度的均勻性；(2)中包流場(chǎng)應(yīng)包括一個(gè)較大的活塞流和盡量小的死區(qū)；(3)鋼液在中間包內(nèi)有較長(zhǎng)的平均停留時(shí)間。所以在中間包設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)目亓鞔胧?，延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間，從而提高夾雜物的去除效果。圖3、圖4所示為兩種控流裝置下數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)的中間包流場(chǎng)，由于中間包關(guān)于長(zhǎng)水口中心兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，故本文針對(duì)一半流場(chǎng)進(jìn)行分析研究。

圖3 壩堰組合中間包流場(chǎng)

圖4 多孔擋墻中間包流場(chǎng)

圖3所示為壩堰組合控流裝置下的中間包內(nèi)流場(chǎng)，由圖可知，在長(zhǎng)水口澆注區(qū)，由于鑄流沖擊作用，中包流場(chǎng)呈現(xiàn)出混合流特征，擋堰把該區(qū)域限定在一個(gè)范圍之內(nèi)，進(jìn)而將隨鋼包注流進(jìn)入中間包的爐渣控制在注流區(qū)內(nèi)，減少對(duì)鋼液的二次污染，并可以將注流沖擊引起的表面波動(dòng)限制在壩堰的上游，穩(wěn)定下游中間包熔池工作液面，有利于減少因表面卷渣、二次氧化和機(jī)械沖擊所產(chǎn)生的夾雜物。擋壩的基本作用是引導(dǎo)鋼液折向液面，使其與覆蓋渣接觸，有利于覆蓋渣吸收夾雜物。除此之外設(shè)置擋壩可以減少沿鋼包底部流動(dòng)的動(dòng)能，從而降低鋼水的流動(dòng)速度，并減少短路流，延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間。由圖可知，鋼液經(jīng)過(guò)擋壩后比較明顯地折向中間包液面，隨后向下流向浸入式水口處，鋼液從擋堰到擋壩，再到浸入式水口，顯示出比較明顯的活塞流特征，即流體在中間包內(nèi)的流動(dòng)是平行推動(dòng)，后面的流體微元不超過(guò)前面的流體微元，前面的流體微元也不會(huì)返混到后面。此外，中間包內(nèi)也存在流體不流動(dòng)或流動(dòng)速度極小的死區(qū)(停留時(shí)間大于表觀停留時(shí)間兩倍)，在中包設(shè)計(jì)中應(yīng)該優(yōu)化控流裝置，盡量減小死區(qū)體積。

圖4所示為多孔擋墻控流裝置下的中間包內(nèi)流場(chǎng)，同壩堰組合控流裝置一樣，中間包流場(chǎng)在澆鑄區(qū)有比較明顯的混合流，該區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)分布比較均勻。相比壩堰組合，多孔擋墻中間包在澆鑄區(qū)的全混流更為均勻，范圍更廣。擋墻上出流孔的角度和直徑的設(shè)置，可以有效地限制中間包底部流動(dòng)促進(jìn)表面流，對(duì)延長(zhǎng)鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)路徑，促進(jìn)夾雜上浮具有重要的作用。由圖可知，經(jīng)過(guò)多孔擋墻后，由于出流孔角度的設(shè)置，鋼流折向鋼液面，有利于去除夾雜物。擋墻外的流場(chǎng)均勻性得到很大程度的改善，中間包流場(chǎng)呈現(xiàn)出比較明顯的活塞流特征，對(duì)比壩堰組合和多孔擋墻兩種控流裝置可知，多孔擋墻控流裝置下中間包內(nèi)的活塞流范圍更寬廣。

圖5所示為壩堰組合和多孔擋墻兩種控流裝置下的水模試驗(yàn)和數(shù)值模擬的RTD曲線，如圖所示，水模試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的RTD曲線趨勢(shì)一致，結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本研究建立的數(shù)學(xué)模型是合理的。理論和試驗(yàn)結(jié)果都表明多孔擋墻控流裝置下中間包流場(chǎng)RTD曲線較為平滑，RTD曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間較晚，說(shuō)明鋼液的流動(dòng)狀態(tài)較好，這也與圖3及圖4的直觀分析結(jié)果相吻合。

圖5 不同控流裝置下物理模擬和數(shù)值模擬RTD曲線

根據(jù)Ahuja和Shahai等[9,10]人的研究，通過(guò)RTD曲線可以計(jì)算出中間包內(nèi)各區(qū)的體積分?jǐn)?shù)，具體計(jì)算參見(jiàn)式(2)～(7)。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

實(shí)際平均停留時(shí)間

(7)

圖6所示為兩種控流裝置下中間包內(nèi)不同區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)，由圖可知，兩種控流裝置中間包內(nèi)全混流體積大致相等，這是由于兩種中間包內(nèi)擋堰和多孔擋墻的位置一致，擋堰和多孔擋墻把全混流限制在一個(gè)范圍。多孔擋墻控流裝置下中間包內(nèi)活塞流體積均高于壩堰組合控流裝置，這也與圖4、圖5的流場(chǎng)直觀顯示情況相一致。相比而言，本研究中多孔擋墻控流裝置更有利于改善中間包流場(chǎng)，但是多孔擋墻鋼液在控流孔處的流速較大，鋼液對(duì)擋墻上過(guò)流孔的侵蝕比較嚴(yán)重，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮。

圖6 不同控流裝置下中間包內(nèi)各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)

4 結(jié)論

(1)采用PXI粒子成像技術(shù)可以清晰、直觀地研究中間包內(nèi)流場(chǎng)情況，該技術(shù)對(duì)研究中間包流場(chǎng)具有重要意義 。本研究中物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的RTD曲線趨勢(shì)比較吻合，在今后的研究中，利用物理試驗(yàn)結(jié)果，可以對(duì)數(shù)值模擬模擬的參數(shù)進(jìn)行修正，使模擬結(jié)果更真實(shí)反映實(shí)際流場(chǎng)。利用數(shù)值模型可以對(duì)物理試驗(yàn)方案進(jìn)行提前篩選甄別，指導(dǎo)物理模擬試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

(2)兩種控流裝置下中包流場(chǎng)均呈現(xiàn)出不同程度的混合流和活塞流,對(duì)比兩種控流裝置可知,多孔擋墻的控流效果較好,活塞流體積較多，死區(qū)體積較少，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)流孔侵蝕較嚴(yán)重,而過(guò)流孔的位置及角度明顯影響其控流效果。因次在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮兩種控流裝置的使用。