太钢三炼钢板坯连铸中包结构优化

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2007.s1.014 第29卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.1 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 太钢三炼钢板坯连铸中包结构优化 林纲1,2)李士琦)黄筠) 韩建军)王贺利) 王立新) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)中咨工程建设监理公司，北京1000443)太原钢铁（集团）有限公司，太原030003 摘要采用数值模型方法对太钢第三炼钢厂板坯连铸用中间包内部结构几何参数进行了最优化虚拟实验研究，研究 中使用的评价指标是钢液在中间包内平均停留时间等三项时间参数，这些参数值用虚拟的示踪剂的脉冲响应实验测量 求得.按L16(2)正交表试验设计安排（四因子二水平）全因子实验.实验结果经方差分析、F检验，确定了有显著性影 响的因子，按三项评价指标确定最佳工况是：挡墙位置前移至500mm,下口减少至200mm,墙和坝中心线距离仍维 持322mm,坝高仍为272mm.虚拟实验结果表明现生产用中包流动情况良好，采用最佳参数后中间包钢液流动的死 区将由现工况的4.80%减至4.37%，采用湍流抑制器后死区可进一步减至1.54%. 关键词连续铸钢：中间包：虚拟实验：平均停留时间 分类号TF777.1 特进行本研究. 符号表 本研究采用数值虚拟实验方法，可以为这一具 体工程研究给出精细的结果，对其他类似的研究也 P一流体密度，kgm3: 给出了有益的参考. 一粘度，kg/(ms): t一平均停留时间，S: 2基本的工程条件 t一时间自变量，s: c一反应器出口处示踪剂的浓度，kgm3: 太钢三炼钢不锈钢板坯连铸中间包的公称容量 t一从开始加入示踪剂到时间步数为i步时的时间间 为18t,钢液注入区和流出区之间设有挡墙和挡坝， 隔，S: 包中钢液公称液面深度为800mm,生产用中间包 c一时刻的示踪剂的浓度，gm3: 的内部几何结构见图1.大包水口内径d=70mm, △t一第i步的时间步长，s: 插入钢液深度h=200mm,中包出水口（结晶器浸入 N一出口处示踪剂量达到(0.95~0.99)G的时间步数： 式水口)内径d2=48mm. 均一理论平均停留时间，S: 500 3195 t一滞留时间，s: 人包管 tma一峰值时间，S: 挡墙 寒棒 G°一示踪剂的总加入量，kg 一反应器有效容积，m3: Q一稳定流过反应器的介质的体积流量，m/s. H-260 2940 1研究的目的和意义 图1生产用中包内部结构 按正常的稳定连浇生产节奏，每炉45t钢液， 太钢第三炼钢已有多年的不锈钢冶炼和连铸经 平均浇注时间为47min,即流过中包的平均质量流 验，为进一步改善不锈钢连铸板坯的质量，希望对 量Q=970.79 kg/min,即16.18kg/s.生产的钢种按 其中间包内部的几何结构对钢液流动特征的影响做 304不锈钢考虑，其相关的液态(1600°C)物理性质 更为深入的细微的研究，为其优化改进提供指导， 为：密度p=7050kg/m3,粘度u=0.00624kg/(ms). 收精日期：2007-02-01 修回日期：2007-04-15 作者简介：林纲(1965一)，男，高级工程师，博士生

第 29 卷 增刊 1 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol.29 Suppl.1 2007 年 6 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 收稿日期：2007−02−01 修回日期：2007−04−15 作者简介：林纲(1965—)，男，高级工程师，博士生 太钢三炼钢板坯连铸中包结构优化 林 纲 1,2) 李士琦 1) 黄 筠 1) 韩建军 1) 王贺利 3) 王立新 3) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2)中咨工程建设监理公司，北京 100044 3)太原钢铁(集团)有限公司，太原 030003 摘 要 采用数值模型方法对太钢第三炼钢厂板坯连铸用中间包内部结构几何参数进行了最优化虚拟实验研究，研究 中使用的评价指标是钢液在中间包内平均停留时间等三项时间参数，这些参数值用虚拟的示踪剂的脉冲响应实验测量 求得．按 L16(215)正交表试验设计安排(四因子二水平)全因子实验．实验结果经方差分析、F 检验，确定了有显著性影 响的因子，按三项评价指标确定最佳工况是：挡墙位置前移至 500 mm，下口减少至 200 mm，墙和坝中心线距离仍维 持 322 mm，坝高仍为 272 mm．虚拟实验结果表明现生产用中包流动情况良好，采用最佳参数后中间包钢液流动的死 区将由现工况的 4.80%减至 4.37%，采用湍流抑制器后死区可进一步减至 1.54%． 关键词 连续铸钢；中间包；虚拟实验；平均停留时间 分类号 TF777.1 符号表 Ρ⎯流体密度，kg/m3 ； µ⎯粘度，kg/(m⋅s)； τ⎯平均停留时间，s； t⎯时间自变量，s； c⎯反应器出口处示踪剂的浓度，kg/m3 ； ti⎯从开始加入示踪剂到时间步数为 i步时的时间间 隔，s； ci⎯ti 时刻的示踪剂的浓度，g/m3 ； ∆ti⎯第 i 步的时间步长，s； N⎯出口处示踪剂量达到(0.95~0.99)G˚的时间步数; τ平均⎯理论平均停留时间，s； τ0⎯滞留时间，s； τmax⎯峰值时间，s； G˚⎯示踪剂的总加入量，kg； V⎯反应器有效容积，m3 ； Q⎯稳定流过反应器的介质的体积流量，m3 /s． 1 研究的目的和意义 太钢第三炼钢已有多年的不锈钢冶炼和连铸经 验，为进一步改善不锈钢连铸板坯的质量，希望对 其中间包内部的几何结构对钢液流动特征的影响做 更为深入的细微的研究，为其优化改进提供指导， 特进行本研究． 本研究采用数值虚拟实验方法，可以为这一具 体工程研究给出精细的结果，对其他类似的研究也 给出了有益的参考． 2 基本的工程条件 太钢三炼钢不锈钢板坯连铸中间包的公称容量 为 18 t，钢液注入区和流出区之间设有挡墙和挡坝， 包中钢液公称液面深度为 800 mm，生产用中间包 的内部几何结构见图 1．大包水口内径 d1 = 70 mm， 插入钢液深度 h = 200 mm，中包出水口(结晶器浸入 式水口)内径 d2 = 48 mm． 图 1 生产用中包内部结构 按正常的稳定连浇生产节奏，每炉 45 t 钢液， 平均浇注时间为 47 min，即流过中包的平均质量流 量 Q = 970.79 kg/min，即 16.18 kg/s．生产的钢种按 304 不锈钢考虑，其相关的液态(1600°C)物理性质 为：密度 ρ = 7050 kg/m3 ，粘度 µ = 0.00624 kg/(m⋅s)． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2007.s1.014

·134. 北京科技大学学报 2007年增刊1 3中包结构优化的特征指标和影响 B一挡墙距中包底部（开口）的距离，mm: 因素 C一挡墙和挡坝中心线的水平距离，mm: D一挡坝的高度，mm. 3.1中包结构优化的特征指标 评价中间包内钢液流动状态的优劣有各种各样 4 虚拟实验研究方法的选择 的判据，本研究选用反应工程学中通用的指标一 平均停留时间x作为评定中间包结构最优的宏观目 4.1理论平均停留时间墙 标参数.平均停留时间x定义式见式(1)-2刘： 由反应工程学可知，一个反应器的理论平均停 留时间是介质以理想的活塞流方式流过反应器的时 [(et)dt J 间1-2： (1) t平均=V1Q (5) 按上述太钢三炼钢板坯连铸的基本工况可知， 显然，式()中分母为浓度对时间的定积分，应 钢液以理想的活塞流的形式平均的流过中间包所用 等于反应器入口处投入示踪剂的总量，即： 的时间，即理论平均停留时间为： cdi-G (2) t平均=V1Q=1074s. 对于一个具体的有限时间内的实验，很难做到 4.2预实验、无挡坝的极端情况 t→0.常以出口处示踪剂量达到(0.95~0.99)G°的 考虑另一极端情况，该中间包内部不设挡墙、 时刻1，代替积分上限，即取平均停留时间为： 也不设挡坝，钢液由入口流到出口将出现“短路”现 象，可以设想，该工况下钢液在中包内相应的平均 (ct)dt 停留时间应该最短.采用数值模拟方法（方法详见下 (3) 文)求知T'=985s. 4.3实验方法的选择 本研究采用数值方法模拟过程，积分式(3)化为 由上述理论分析可知，在本研究中钢液在中间 求和： 包内的平均停留时间最短的是985s,最长的不会超 ctt 过1074s,总的变动范围大约是89s.可见，在现 = (4) 行工况的基础上调整中间包的内部结构对平均停留 时间指标造成的影响可能的量级只是±10s 这样的精度要求，排除了工业实验，也排除了 本研究还选取响应曲线中另外两个特征参数作 水力学模型实验的可能，决定了本研究只能采用数 为参考指标，分别是滞止时间和和峰值时间xx(参 值方法进行虚拟的脉冲刺激响应实验， 见响应曲线图2). 4.4虚拟实验 考虑到钢液在中间包中的流动是在几何形状、 12.0 物理条件较为复杂的情况下的流动，远非均匀粘性 8.0 流体在无限长管中或无限大平板间的理想流动状 态，故采用描述紊流状态的K-￡双方程模型，并假 4.0 设3-： 0. (1)均匀单一的介质，各项物理性质为常数： 0 10 2030 40 50 (2)钢液处于连续稳态的流动状态： (min (3)各项边界条件按常规处理： 图2中间包停留时间分布曲线 (4)各项物理条件按工艺条件选取： 3.2待优化的中间包结构参数 (⑤)由大包水口出处瞬间加入质量为G°的某 参见图1，本研究选取以下四项中包内部几何 示踪剂，中包内示踪剂的浓度随时间而变化（非稳 参数为有待优化的中间包内部几何结构参数： 态)，示踪剂在钢液中的扩散远小于流体流动带来的 A一挡墙到大包水口中心线的距离，mm: 传质效应，扩散可忽略

• 134 • 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 1 3 中包结构优化的特征指标和影响 因素 3.1 中包结构优化的特征指标 评价中间包内钢液流动状态的优劣有各种各样 的判据，本研究选用反应工程学中通用的指标—— 平均停留时间τ作为评定中间包结构最优的宏观目 标参数．平均停留时间τ定义式见式(1)[1−2]： 0 0 ( )d d ct t c t τ ∞ ∞ = ∫ ∫ (1) 显然，式(1)中分母为浓度对时间的定积分，应 等于反应器入口处投入示踪剂的总量，即： o 0 ct G d ∞ = ∫ (2) 对于一个具体的有限时间内的实验，很难做到 t → ∞ ．常以出口处示踪剂量达到(0.95~0.99) o G 的 时刻 t∞ 代替积分上限，即取平均停留时间为： 0 0 ( )d d t t ct t c t τ ∞ ∞ = ∫ ∫ (3) 本研究采用数值方法模拟过程，积分式(3)化为 求和： 1 1 N iii i N i i i ctt c t τ = = = ∑ ∑ (4) 本研究还选取响应曲线中另外两个特征参数作 为参考指标，分别是滞止时间τ0 和峰值时间τmax (参 见响应曲线图 2)． 图 2 中间包停留时间分布曲线 3.2 待优化的中间包结构参数 参见图 1，本研究选取以下四项中包内部几何 参数为有待优化的中间包内部几何结构参数： A—挡墙到大包水口中心线的距离，mm； B—挡墙距中包底部(开口)的距离，mm； C—挡墙和挡坝中心线的水平距离，mm； D—挡坝的高度，mm． 4 虚拟实验研究方法的选择 4.1 理论平均停留时间τ平均 由反应工程学可知，一个反应器的理论平均停 留时间是介质以理想的活塞流方式流过反应器的时 间[1−2]： τ 平均 =V Q/ (5) 按上述太钢三炼钢板坯连铸的基本工况可知， 钢液以理想的活塞流的形式平均的流过中间包所用 的时间，即理论平均停留时间为： τ 平均 =V Q/ = 1074 s． 4.2 预实验、无挡坝的极端情况 考虑另一极端情况，该中间包内部不设挡墙、 也不设挡坝，钢液由入口流到出口将出现“短路”现 象，可以设想，该工况下钢液在中包内相应的平均 停留时间应该最短．采用数值模拟方法(方法详见下 文)求知τ ' = 985 s． 4.3 实验方法的选择 由上述理论分析可知，在本研究中钢液在中间 包内的平均停留时间最短的是 985 s，最长的不会超 过 1074 s，总的变动范围大约是 89 s．可见，在现 行工况的基础上调整中间包的内部结构对平均停留 时间指标造成的影响可能的量级只是±10 s． 这样的精度要求，排除了工业实验，也排除了 水力学模型实验的可能，决定了本研究只能采用数 值方法进行虚拟的脉冲刺激响应实验． 4.4 虚拟实验 考虑到钢液在中间包中的流动是在几何形状、 物理条件较为复杂的情况下的流动，远非均匀粘性 流体在无限长管中或无限大平板间的理想流动状 态，故采用描述紊流状态的 K − ε 双方程模型，并假 设[3−5]： (1) 均匀单一的介质，各项物理性质为常数； (2) 钢液处于连续稳态的流动状态； (3) 各项边界条件按常规处理； (4) 各项物理条件按工艺条件选取； (5) 由大包水口出处瞬间加入质量为 Go 的某 示踪剂，中包内示踪剂的浓度随时间而变化(非稳 态)，示踪剂在钢液中的扩散远小于流体流动带来的 传质效应，扩散可忽略．

Vol.29 Suppl.1 林纲等：太钢三炼钢板还连铸中包结构优化 ·135 虚拟实验使用商用软件ANSYS CFX10.0工 指标2和3部分反映了钢液在中包中的停留状 具，中间包内钢液稳态流动流场的数值模拟每次耗 况，数值较大者，表明钢液在中包内的停留时间较 时约为4h,加示踪剂的刺激响应虚拟实验每次耗 长 时约为8h,数据后处理时间约2h.典型的虚拟实 5.2待优化的中包内部结构参数一因子和水平 验结果示意图如图2和图3. 本研究中有待优化的中包内部结构参数是A、 B、C、D四项参数.考虑到以前不曾进行过精细的 实验研究和理论研究，缺乏关于这些因子之间的交 互作用的定量估计，本次虚拟实验采取“低水平数的 全因子”实验设计一四因子二水平的全因子实验， 实验次数取2·=16次.如前所述，数值模拟方法的 虚拟实验的再现性极高，故不安排重复实验估计基 【ms 准误差. ●州 根据太钢三炼钢厂生产中使用的中间包内部几 图3中包对称面的速度矢量图 何结构为各因子的第一水平取值，参照有关的实验 研究和理论研究的结果选取各因子的第二水平值， 5L16(2l5正交表实验设计 各因子及其水平取值列于表1. 中包钢液流动特征的虚拟实验按正交表安排 表1因子和水平 5.1定量评价指标一目标函数 因子 一水平 二水平 评价中间包钢液流动状况优劣的指标有许多 A al 700 mm a2=500mm 种，本研究选下述三项计量值指标，以便进行定量 B b1=224mm b2=200mm 的方差分析和显著性检验6 c1=322mm c2=346mm (1)主评价y1指标(%)一由虚拟实验中示踪剂 D d1=272mm d2=296mm 注：A、B、C、D如图1所示. 的脉冲响应曲线（见图2），由式(4)求得的钢液在中 包中的平均停留时间值最能全面表征钢液流动状况 十六次虚拟实验按L16(25)正交表安排，四个主 优劣的计量值参数.然而，中包内部挡墙和挡坝几 效应分别安排在第1、2、7和15列，各二级交互作 何尺寸的变化会使中包实际容积有所改变，由式(1) 用不相混杂，各主效应及其二级交互作用均可以定 可知，理论平均停留时间t平均的数值也将有所改 量地做方差分析和显著性检验，三级交互作用占了 变.在本实验研究中其变动幅度大约有3%.因此， 五列，均作为误差项处理，表头设计见表2，详表 直接对比虚拟实验测到的平均停留时间的可比性 从略 就受到了干扰.所以，本研究取虚拟实验得到的实 表2四因子二水平全因子实验L16(215)设计表头 测与相应的理论值之相对差值y作为评价指标： 列号123456789101112131415 To-T x100%=1-T ×100% (6) 因子符号A B AB C AC BC e D AD BD e CD eee ”可以认为表征了中包内钢液流动死区的百分 6 实验结果 数.1越小，死区越小，=0表明中包流动可视为 理想的活塞流. 6.1虚拟实验 (2)两项辅助评价指标，分别是： 按L16(25)正交表实验设计的安排完成了16次 2(S)一脉冲响应曲线中示踪剂开始达到中包 数值实验，实际的实验顺序随机进行，对加入的虚 出口的时间间隔值xo(s): 拟示踪剂的脉冲刺激响应曲线进行了后处理，分别 y(S)一脉冲响应曲线中示踪剂浓度达到最大 求知了16种实验工况下钢水在中间包中流动的三 值时的时间间隔值tmax(S). 个数值特征和2、3的数值，（数据从略） 同上所述，2和值都按理论平均停留时间 6.2方差分析和显著性检验 t平均的改变做了相应的修正. 按三项数值特征指标1和2、3，分别对四项 影响因子及其二级交互作用的贡献做方差分析和F

Vol.29 Suppl.1 林纲等：太钢三炼钢板坯连铸中包结构优化 • 135 • 虚拟实验使用商用软件 ANSYS CFX 10.0 工 具，中间包内钢液稳态流动流场的数值模拟每次耗 时约为 4 h，加示踪剂的刺激响应虚拟实验每次耗 时约为 8 h，数据后处理时间约 2 h．典型的虚拟实 验结果示意图如图 2 和图 3． 图 3 中包对称面的速度矢量图 5 L16(215)正交表实验设计 中包钢液流动特征的虚拟实验按正交表安排． 5.1 定量评价指标——目标函数 评价中间包钢液流动状况优劣的指标有许多 种，本研究选下述三项计量值指标，以便进行定量 的方差分析和显著性检验[6]． (1) 主评价 y1 指标(%)——由虚拟实验中示踪剂 的脉冲响应曲线(见图 2)，由式(4)求得的钢液在中 包中的平均停留时间值最能全面表征钢液流动状况 优劣的计量值参数．然而，中包内部挡墙和挡坝几 何尺寸的变化会使中包实际容积有所改变，由式(1) 可知，理论平均停留时间 τ 平均 的数值也将有所改 变．在本实验研究中其变动幅度大约有 3%．因此， 直接对比虚拟实验测到的平均停留时间τ的可比性 就受到了干扰．所以，本研究取虚拟实验得到的实 测与相应的理论值之相对差值 y1 作为评价指标： 0 1 0 0 y 100% 1 100% ττ τ τ τ ⎛ ⎞ ⎛⎞ − = × =− × ⎜ ⎟ ⎜⎟ ⎝ ⎠ ⎝⎠ (6) y1 可以认为表征了中包内钢液流动死区的百分 数．y1 越小，死区越小，y1 = 0 表明中包流动可视为 理想的活塞流． (2) 两项辅助评价指标，分别是： y2(s)——脉冲响应曲线中示踪剂开始达到中包 出口的时间间隔值τ 0 (s)； y3(s)——脉冲响应曲线中示踪剂浓度达到最大 值时的时间间隔值τ max (s)． 同上所述，y2 和 y3 值都按理论平均停留时间 τ 平均 的改变做了相应的修正． 指标 y2和 y3部分反映了钢液在中包中的停留状 况，数值较大者，表明钢液在中包内的停留时间较 长． 5.2 待优化的中包内部结构参数——因子和水平 本研究中有待优化的中包内部结构参数是 A、 B、C、D 四项参数．考虑到以前不曾进行过精细的 实验研究和理论研究，缺乏关于这些因子之间的交 互作用的定量估计，本次虚拟实验采取“低水平数的 全因子”实验设计——四因子二水平的全因子实验， 实验次数取 24 = 16 次．如前所述，数值模拟方法的 虚拟实验的再现性极高，故不安排重复实验估计基 准误差． 根据太钢三炼钢厂生产中使用的中间包内部几 何结构为各因子的第一水平取值，参照有关的实验 研究和理论研究的结果选取各因子的第二水平值， 各因子及其水平取值列于表 1． 表 1 因子和水平 因子 一水平 二水平 A a1 = 700 mm a2 = 500 mm B b1 = 224 mm b2 = 200 mm C c1 = 322 mm c2 = 346 mm D d1 = 272 mm d2 = 296 mm 注：A、B、C、D 如图 1 所示． 十六次虚拟实验按 L16(215)正交表安排，四个主 效应分别安排在第 1、2、7 和 15 列，各二级交互作 用不相混杂，各主效应及其二级交互作用均可以定 量地做方差分析和显著性检验，三级交互作用占了 五列，均作为误差项处理，表头设计见表 2，详表 从略． 表 2 四因子二水平全因子实验 L16(215)设计表头 列号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 因子符号 A B AB C AC BC e D AD BD e CD e e e 6 实验结果 6.1 虚拟实验 按 L16(215)正交表实验设计的安排完成了 16 次 数值实验，实际的实验顺序随机进行，对加入的虚 拟示踪剂的脉冲刺激响应曲线进行了后处理，分别 求知了 16 种实验工况下钢水在中间包中流动的三 个数值特征 y1 和 y2、y3 的数值，(数据从略)． 6.2 方差分析和显著性检验 按三项数值特征指标 y1 和 y2、y3，分别对四项 影响因子及其二级交互作用的贡献做方差分析和 F

·136· 北京科技大学学报 2007年增刊1 检验，结果列于表3. 表5现行工况和最佳工况的评价指标值 指标 现行工况 最佳工况 表3虚拟实验的显著性检验结果(a■0.05) 1% 4.80 4.37 指标 有显著影响的因子 月2/s 140.0 145.3 y A 3Is 621.0 606.0 2 A、D、AD 7.3改进实验 本研究在上述最佳工况下添加湍流抑制器进行 6.3主效应和交互作用的效应 数值模拟，虚拟实验结果表明，湍流抑制器对改善 (1)对于主要评价指标值有显著性影响的只 钢液在中包内部的流场，延长钢液在中包内的平均 有因子A,由16次实验的结果可分别求得A1和A2 停留时间具有显著效果，死区体积减少至1.54%. 两个工况下的的平均值，见表4. 其他三项因子及各二级交互作用的影响均不显 8结论 著，这表明在实验研究的范围内诸因子的变动值并 未对y指标产生明显的影响，故因子B、C、D可 本论文对太钢三炼钢厂板坯连铸中包内部几何 按其他方面的考虑取为一水平或二水平，即对于指 结构进行优化研究，得到如下结论： 标Ⅵ的最优工况是将挡墙的位置由距水口中心线 (1)钢液在中间包内的平均停留时间是综合描 700mm处移至500mm处，中包内钢液流动的死区 述钢液流动状况的宏观定量评价指标.本研究选择 可由4.80%减至4.37%，改善的幅度约为9%. 的三种评价指标都是单位计量值，各个指标均允许 (2)同理，对于参考评价指标2和3的值有显 进行方差分析，显著性检验等统计分析 著影响的因素可分别求出其效应，见表4. (2)本中间包的理论停留时间为1074s,现生 产中使用的工况的平均停留时间为1022s(死区占 表4在主效应影响下的三个评价指标的值 4.80%),无挡墙无挡坝的工况为993s(死区占 工况 指标只，/% 指标只，/s 指标男，/s 8.22%). A(原工况) 4.80 615.1 这些数据表明，中间包内部几何结构的改变对 4.37 605.1 B(原工况) 平均停留时间指标的影响的数量级大约为±10s.普 一 140.0 一 B: 一 145.3 通的工业实验和水力学模型实验难以描述如此高的 D(原工况) 613.5 精度要求的实验.故合理的方法是采用数值模拟的 元 606.8 虚拟实验方法 D 一 612.6 (3)由于缺乏关于中包内部各几何结构参数之 607.6 间的交互作用大小的定量估计，本论文采用“多因 注：(AD)1为A和D有相同水平：(AD)2为A和D有不同水平. 子、少水平数”的研究策略.具体实验为四因子、二 7最佳工况和确认实验 水平的全因子实验，按L16(25)正交表安排实验.经 方差分析和显著性检验，确定中间包的内部几何结 7.1最佳工况 构最佳参数是： 根据表4（分别对于指标和2、）的结果， 挡墙到大包水口的中心线距离由原来的700 得到最佳工况为a2b2c1d,即：挡墙位置为500mm, mm减至500mm: 挡墙下口高度为200mm,挡墙和挡坝中心线的距 挡墙下口高度由原来的232mm减至200mm: 离为322mm,挡坝高度为272mm.最佳工况和现 挡墙和挡坝中心线的距离仍为原来的322mm: 行工况下三个评价指标见表5， 挡坝的高度仍为272mm. 7.2确认实验 (4)实验表明现行生产用中间包的内部几何结 按正规程序，应在最佳工况下进行若干次确认 构较为合理，但仍有改进的余地.若选用最优参数， 实验，然而本研究采用数值方法重复实验的再现性 可望达到的效果是：钢液平均停留时间延长至 极高，故可取全因子试验中的相应结果确认实验结 1069s,死区为4.37%，比原生产用工况减少 果，最佳工况下的指标值如表5所列. 12.25%:滞留时间间隔x增至145.3s,比生产工况

• 136 • 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 1 检验，结果列于表 3． 表 3 虚拟实验的显著性检验结果(α = 0.05) 指标 有显著影响的因子 y1 A y2 B y3 A、D、AD 6.3 主效应和交互作用的效应 (1) 对于主要评价指标 y1 值有显著性影响的只 有因子 A，由 16 次实验的结果可分别求得 A1 和 A2 两个工况下的 y1 的平均值，见表 4． 其他三项因子及各二级交互作用的影响均不显 著，这表明在实验研究的范围内诸因子的变动值并 未对 y1 指标产生明显的影响，故因子 B、C、D 可 按其他方面的考虑取为一水平或二水平．即对于指 标 y1 的最优工况是将挡墙的位置由距水口中心线 700 mm 处移至 500 mm 处，中包内钢液流动的死区 可由 4.80%减至 4.37%，改善的幅度约为 9%． (2) 同理，对于参考评价指标 y2 和 y3 的值有显 著影响的因素可分别求出其效应，见表 4． 表 4 在主效应影响下的三个评价指标的值 工况 指标 1 y / % 指标 2 y / s 指标 3 y / s A1 (原工况) 4.80 ⎯ 615.1 A2 4.37 ⎯ 605.1 B1 (原工况) ⎯ 140.0 ⎯ B2 ⎯ 145.3 ⎯ D1 (原工况) ⎯ ⎯ 613.5 D2 ⎯ ⎯ 606.8 1 ( ) AD ⎯ ⎯ 612.6 2 ( ) AD ⎯ ⎯ 607.6 注： 1 ( ) AD 为 A 和 D 有相同水平； 2 ( ) AD 为 A 和 D 有不同水平． 7 最佳工况和确认实验 7.1 最佳工况 根据表 4 (分别对于指标 y1 和 y2、y3)的结果， 得到最佳工况为 a2b2c1d1，即：挡墙位置为 500 mm， 挡墙下口高度为 200 mm，挡墙和挡坝中心线的距 离为 322 mm，挡坝高度为 272 mm．最佳工况和现 行工况下三个评价指标见表 5． 7.2 确认实验 按正规程序，应在最佳工况下进行若干次确认 实验，然而本研究采用数值方法重复实验的再现性 极高，故可取全因子试验中的相应结果确认实验结 果，最佳工况下的指标值如表 5 所列． 表 5 现行工况和最佳工况的评价指标值 指标 现行工况 最佳工况 1 y / % 4.80 4.37 2 y / s 140.0 145.3 3 y / s 621.0 606.0 7.3 改进实验 本研究在上述最佳工况下添加湍流抑制器进行 数值模拟．虚拟实验结果表明，湍流抑制器对改善 钢液在中包内部的流场，延长钢液在中包内的平均 停留时间具有显著效果，死区体积减少至 1.54%． 8 结论 本论文对太钢三炼钢厂板坯连铸中包内部几何 结构进行优化研究，得到如下结论： (1) 钢液在中间包内的平均停留时间是综合描 述钢液流动状况的宏观定量评价指标．本研究选择 的三种评价指标都是单位计量值，各个指标均允许 进行方差分析，显著性检验等统计分析． (2) 本中间包的理论停留时间为 1074 s，现生 产中使用的工况的平均停留时间为 1022 s (死区占 4.80%)，无挡墙无挡坝的工况为 993 s (死区占 8.22%)． 这些数据表明，中间包内部几何结构的改变对 平均停留时间指标的影响的数量级大约为±10 s．普 通的工业实验和水力学模型实验难以描述如此高的 精度要求的实验．故合理的方法是采用数值模拟的 虚拟实验方法． (3) 由于缺乏关于中包内部各几何结构参数之 间的交互作用大小的定量估计，本论文采用“多因 子、少水平数”的研究策略．具体实验为四因子、二 水平的全因子实验，按 L16(215)正交表安排实验．经 方差分析和显著性检验，确定中间包的内部几何结 构最佳参数是： 挡墙到大包水口的中心线距离由原来的 700 mm 减至 500 mm； 挡墙下口高度由原来的 232 mm 减至 200 mm； 挡墙和挡坝中心线的距离仍为原来的 322 mm； 挡坝的高度仍为 272 mm． (4) 实验表明现行生产用中间包的内部几何结 构较为合理，但仍有改进的余地．若选用最优参数， 可望达到的效果是：钢液平均停留时间τ延长至 1069 s，死区为 4.37%，比原生产用工况减少 12.25%；滞留时间间隔τ0 增至 145.3 s，比生产工况

Vol.29 Suppl.1 林纲等：太钢三炼钢板还连铸中包结构优化 ·137· 增加2.84%：而峰值时间xmax为606.0s,比原工况 2]王建军，包燕平.中间包治金学，北京：治金工业出版社，2001 (621.0s)减少2.42%. [3)】钟良才.单流厚板坯连铸中间包结构优化.炼钢，2006,22(3)： (⑤)进一步的虚拟实验表明：在中间包内安置 10 湍流抑制器，钢液在包中的流动状况的宏观指标相 [4]Singh R.K,Paul A,Ray A K.Modelling of flow behaviour in continuous casting tundish.Seandinavian Journal of Metal- 当接近于理想活塞流，死区仅占1.54%. 1urgy,2003,32:137 (6)本文采用的数值虚拟实验、正交表实验设 [5]Singh S,Koria S.The Physical modeling of steel flow in con 计、显著性检验、最佳工况估计等研究方法，可供 tinuous casting tundish.Ironmaking Steelmaking,1993,20(3), 类似的中间包内部几何结构优化研究参考. 221 6]李士琦.治金系统工程.北京：治金工业出版社，1991 参考文献 山曲英，刘今.治金反应工程学导论.北京：治金工业出版社， 1987 Optimization of slab continuous casting tundish configuration of No.3 Steel Plant in Taiyuan Iron and Steel (Group)Company Ltd. LIN Gang2),LI Shiqi)HUANG Yun,HAN Jianjun),WANG Heli WANG Lixin) 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Consultation of the Engineering Construction Surveillance Company China,Beijing 10004,China 3)Taiyuan Iron steel (Group)Company Ltd.,Taiyuan 030003,China ABSTRACT By the means of numerical model,the optimization of the geometrical parameters of slab con- tinuous casting tundish configuration of the No.3 Steel Plant in Taiyuan Iron and Steel Group were simulated. There are three evaluating indicators on time,one of which is the average time of stay of molten steel in the tun- dish.These indicators can be got by the impulse response experiment of the virtual tracer.The design of the total factor(four factors and tow levels)experiment is based on Ls(215)orthogonal list.And the results ascertain the significant influencing factors by variance analysis and F test.The best working condition due to the three evalu- ating indicators is:the distance of retaining wall to the center line of water gap is 500 mm,the bottom of retain- ing wall to the bottom of tundish 200 mm,the center line of retaining wall to the center line of dam 322 mm,and the height of the dam 272 mm.It means that the flow behavior in the existed tundish is normal.But it will be better under the optimized condition.The disabled zone will be reduced from 4.80%to 4.37%.The disabled zone will be decreased by 2.53%if the turbulence inhibitor is used. KEY WORDS tundish;continuous casting steel;virtual experiment;average time of stay

Vol.29 Suppl.1 林纲等：太钢三炼钢板坯连铸中包结构优化 • 137 • 增加 2.84%；而峰值时间τmax 为 606.0 s，比原工况 (621.0 s)减少 2.42%． (5) 进一步的虚拟实验表明：在中间包内安置 湍流抑制器，钢液在包中的流动状况的宏观指标相 当接近于理想活塞流，死区仅占 1.54%． (6) 本文采用的数值虚拟实验、正交表实验设 计、显著性检验、最佳工况估计等研究方法，可供 类似的中间包内部几何结构优化研究参考． 参 考 文 献 [1] 曲英，刘今．冶金反应工程学导论．北京：冶金工业出版社， 1987 [2] 王建军，包燕平．中间包冶金学，北京：冶金工业出版社，2001 [3] 钟良才．单流厚板坯连铸中间包结构优化．炼钢，2006，22(3)： 10 [4] Singh R.K, Paul A, Ray A K. Modelling of flow behaviour in continuous casting tundish. Scandinavian Journal of Metal￾lurgy, 2003, 32: 137 [5] Singh S, Koria S. The Physical modeling of steel flow in con￾tinuous casting tundish. Ironmaking Steelmaking, 1993, 20(3), 221 [6] 李士琦．冶金系统工程．北京：冶金工业出版社，1991 Optimization of slab continuous casting tundish configuration of No. 3 Steel Plant in Taiyuan Iron and Steel (Group) Company Ltd. LIN Gang1,2), LI Shiqi1), HUANG Yun1), HAN Jianjun1), WANG Heli3), WANG Lixin3) 1) Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Consultation of the Engineering Construction Surveillance Company China, Beijing 10004, China 3) Taiyuan Iron & steel (Group) Company Ltd., Taiyuan 030003, China ABSTRACT By the means of numerical model, the optimization of the geometrical parameters of slab con￾tinuous casting tundish configuration of the No. 3 Steel Plant in Taiyuan Iron and Steel Group were simulated. There are three evaluating indicators on time, one of which is the average time of stay of molten steel in the tun￾dish. These indicators can be got by the impulse response experiment of the virtual tracer. The design of the total factor (four factors and tow levels) experiment is based on L16(215) orthogonal list. And the results ascertain the significant influencing factors by variance analysis and F test. The best working condition due to the three evalu￾ating indicators is: the distance of retaining wall to the center line of water gap is 500 mm, the bottom of retain￾ing wall to the bottom of tundish 200 mm, the center line of retaining wall to the center line of dam 322 mm, and the height of the dam 272 mm. It means that the flow behavior in the existed tundish is normal. But it will be better under the optimized condition. The disabled zone will be reduced from 4.80% to 4.37%. The disabled zone will be decreased by 2.53% if the turbulence inhibitor is used. KEY WORDS tundish; continuous casting steel; virtual experiment; average time of stay