中间包导流挡板设计与冶金效果

中间包导流挡板设计与冶金效果

许长军1,2，胡小东1，胡林1，汪琦2，轩宗宇3，王欣3，陈兴伟3

(1．辽宁科技大学冶金工程技术中心，辽宁鞍山114051；2．辽宁科技大学辽宁省化学冶金工程重点实验室，辽宁鞍山114051；3．唐山钢铁集团有限责任公司，河北唐山063016) 摘要：为了提高6流方坯中间包冶金效果，通过中间包水力学模拟试验，研究了导流挡板中导流孔参数对中间包流场特征的影响，并对其进行极差分析，最终确定了导流挡板各参数影响中间包流场特征的主次顺序为：导流孔孔径>倾角>高度。并以此为指导思想，结合CFD 数值仿真对导流挡板进行设计。设计方案为：3个导流孔直径分别为93、72、36mm，位置分别为(220mm，140mm)、(350mm，280mm)、(700mm，300mm)，倾斜角度分别为(21°，15°)、(8°，23°)、(10°，28°)。工业试验表明，设置该导流挡板装置可以有效改善钢液流动特性，提高中间包冶金效果。

关键词：CFD；中间包冶金；导流孔；水力学；数值模拟

随着连铸技术的发展，钢液品质对提高产品质量的重要意义逐渐为人们所认识，中间包的冶金作用受到了更多的关注[1-4]。唐山钢铁集团有限责任公司(以下简称“唐钢”)高速线材生产线3号连铸机中间包寿命不足、铸坯中大颗粒夹杂物多、产品质量不稳定。其中间包结构上存在先天设计缺陷，但是外型结构已经无法改变，而导流挡板可以将中间包流域上下游完全分开，通过在挡板上设置不同参数如位置、尺寸和倾斜角度的导流孔，使钢液按需要方向经由导流孔从上游流向下游。因而在中间包内设置合理导流挡板可以有效改善钢液流动方式和状态、均匀钢液温度和成分、促进夹杂物碰撞与上浮[1-3]。

从2010年5月开始对此连铸机中间包进行导流挡板设计和试验，试验过程基于水力学模拟并以其极差分析结论为指导思想，结合CFD数值仿真对不同导流孔参数条件下的中间包流动细节，如流场、湍动能分布、死区、钢液停留时间等进行预测[1-2，4-6]，2011年5月设计与试验结束，2012年2月开始将研究成果应用到部分工业生产上，取得较好效果，其效果与模拟预测结果基本一致。

1 水力学模拟

1．1 试验装置与方案

根据相似原理，对于冶金流体来说，模型与原型的雷诺数同处于第二自模化区，两值不必相等即能保证二者在流动现象上的运动相似，经过计算使用常温净水替代高温钢液即可。同时，采用弗劳德准数相等计算水模型参数，即可保证动力学相似[7]。本试验选取中间包模型与原型的几何相似比为1：2，中间包原型主要参数见表1。模型用有机玻璃制作而成，其主要设备有：钢包、中间包、钢包长水口、控流塞棒、出口示踪剂浓度电导探头、DDL Y-2005型电导率仪和数据记录仪等组成。试验采用经过改进的DJ800多功能检测系统(中国水利水电科学研究院研制)，电导探头为上海精密科学仪器有限公司生产的雷磁DJS-1C型铂黑电极。其试验装置如图1所示。

导流挡板中导流孔各参数对中间包流场特性均有影响，确定各参数对中间包流场特性影响的主次顺序对设计导流挡板结构有重要意义。研究过程中采用“正交试验法”，选用三因素、四水平进行设计，影响因素分别为挡板导流孔的高度、倾角和孔径，其正交设计水平表如表2所示。

1．2 试验原理与测试方法

试验测试过程采取“刺激—响应”试验技术，以定量了解中间包内钢液的流动和混合情况[5-6]，进而对其进行极差分析得出导流孔高度、孔径和倾角等参数对流场特性的影响次序。

安装并调试好试验设备后，向钢包内注入常温净水，净水通过长水口流入中间包注流区，并使其液位和流量稳定。然后把500mL饱和KCl溶液通过漏斗加入到钢包长水口处，同时多功能检测系统通过安装在中间包出水口处的电导率仪对流经此处的KCl浓度信号进行检测和数据采集，被捕捉的数据经过数据记录仪写入计算机，并绘制示踪剂浓度随时间变化的曲线即RTD曲线。

实际上，中间包的钢液流动过程往往是有死区存在的，而死区空间的流体不会参与中间包内钢液的主体流动，因此不利于夹杂物的上浮和减少热损失，死区的存在相当于减少了中间包的有效容积。对RTD曲线进行积分可以得到各流体微元在中间包中实际的平均停留时间t av(如式1)，同时也可通过计算得到死区体积分率V d／V(如式2)和理论平均停留时间t s(如式3)。

式(1)～式(3)中，C(t)为示踪剂浓度；t为时间，s；t s为理论平均停留时间，s；V为中间包体积，m3；V d为中间包死区体积，m3；Q为体积流率，m3/s。

1．3试验结果与分析

水力学试验对响应时间、平均停留时间、全混区体积、死区体积、活塞区体积等进行了测试。表3列出了依据正交试验各方案所进行的部分水力学测试的结果，并对其进行了极差分析。考察实际平均停留时间(t av)时，对导流孔高度h、倾角α、孔径Φ的极差分析值分别为61．35、81．83、102．09。而考察死区体积分率(V d／V)时，对3因素的极差分析值为8．52、11．28、22．70。因此，各因素对平均停留时间和死区体积分率的影响主次顺序均为：导流

孔直径>倾角>高度。导流孔孔径和倾角对所考察因素影响较大，而高度影响较小。考虑到导流挡板和塞棒均为耐火耗材，高温钢液对其冲刷蚀损较为严重，另外，导流孔吞吐量直接影响中间包冶金生产的正常运行，因此，二者亦纳入衡量指标。这为CFD仿真设计导流挡板结构提供思路和数据保证。

2 CFD数值仿真

2．1 仿真方法与模拟方案

仿真过程在Ansys商业软件平台上进行，假设钢液流动为牛顿不可压缩稳态流动，不考虑中间包内熔池表面渣层的影响，采用70钢进行浇铸生产。因体系几何关系和动力条件的对称性，实际空间体系的1／2(右半部)被用作仿真计算对象。设置导流挡板前后的中间包半侧示意图如图2所示。选用湍流标准κ-ε双方程、连续性方程、动量方程等，具体模型及边界条件描述见文献[7—10]。研发过程以各参数对考察因素的影响次序“导流孔直径>倾角>高度”为指导思想。

2．2 研究结果与讨论

中间包导流挡板导流孔参数设计涉及导流孔的直径、位置和倾斜角度，其中倾斜角度包括导流孔轴线与YZ面所成夹角α、与XZ面所成夹角β(图3)。为此，CFD仿真工作进行了一系列基于不同参数条件下中间包内钢液流动行为的数值模拟研究。最后，研发过程提出了导流挡板具体设计方案：导流孔直径分别为93、72、36mm；位置分别为(220mm，140mm)、(350mm，280mm)、(700mm，300mm)；倾斜角度分别为(21°，15°)、(8°，23°)、(10°，28°)。具体结构如图3所示。