兴澄特钢中间包结构优化

D0L:10.13374h.issn1001-053x.2007.s1.015 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 兴澄特钢中间包结构优化 阮小江李京社王剑斌杨树峰唐海燕王玉刚 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要以兴澄特钢连铸中间包为工程背景，根据相似原理建立了中间包水模型系统，研究了4流不同结构的中间包 的流体流动特性.研究表明：原结构的中间包同一侧的两流之间的流体流动特性存在很大差异，与内侧流相比，外侧 流的最小停留时间、峰值时间小，死区体积大，造成中间包内钢液温度不均匀，夹杂物不能有效地上浮去除，不能很 好地满足高质量特钢生产的要求.采用优化后的挡墙和坝组合的中间包控流装置，外侧和内侧的停留时间分布趋于一 致，表明外侧流和内侧流之间流动特性相近.中间包结构优化后平均死区百分数由原结构的58.2%降低到10.9%. 关键词连铸：中间包：水力学模拟：结构优化 分类号TF777.2 连铸中间包的控流元件（挡渣墙和挡渣堰等） 模型比例系数： 的设置，对中间包内夹杂物的上浮及均匀钢水温度 K=L模型L原型 (2) 起着重要的作用.对于多流连铸中间包，各流出口 根据相似理论计算，流量比为： 温度及所含夹杂物的大小和数量会有一定的差异， 从而给铸坯质量控制带来困难.因此，寻找合理的 Q模型/Q隙型=K52 (3) 中间包控流元件的设置，对多流连铸中间包来说具 其速度比为： 有重要的意义-) u模型/u原型=K2 (4) 针对兴澄特钢连铸机T型中间包存在钢液分配 本实验选取模型比例系数K=1/2.5,则可根据实 不均，造成1、4流钢液温度偏低的现象，采用中间 际拉速确定实验中所对应水的流量.模型与原型中 包水模型研究，以求从钢包来的热钢液到中间包各 间包的参数示于表1. 出水口分配均匀，平均停留时间基本保持一致，最 大限度地提高钢液在中间包内的停留时间，促使夹 表1中间包厚型与模型对应的工艺参数 杂上浮排除，提高铸坯质量. 实验参数 原型 模型 水口流速/(mmin) 0.9 0.768 1水力学模拟的原理 工作液面/mm 800 320 流间距/mm 1250 500 1.1相似准则 单个水口流量/(mh 0.177 0.117 水口插入液面深度/mm 250 100 中间包内钢液的流动，是钢液在重力作用下由 钢包水口流入中间包，然后从中间包水口流出.此 1.2混合模型分析5-61 种情况下，一般可视为粘性不可压缩稳态流动，因 当流体稳定地流经反应器时，由于进出反应器 此系统只要满足几何相似、运动相似和动力学相似， 的流体质量守恒，所以反应器内的流体总量恒定， 就可以满足模型和原型的相似.中间包内钢液流动 但在某一时刻进入反应器的定量流体由于其各部分 与模型中水的流动处于同一自模化区，所以只要保 在反应器内所走的路径不同，因而到达反应器出口 证模型和原型的F,准数相等，就可以保证模型和原 的时间各不相同，据此可以将反应器区分为活塞区、 型的相似.由(F,)模型=(F,)原型可得： 全混区和死区（如图1）. “预型-u原型 (1) 活塞区：该区的流动是一种理想状态，它假设 L模型8L睬型 通过反应器的流体均沿同一方向，以相同的速度向 收精日期：2007-03-01 修回日期：2007-05-1 作者简介：阮小江(1969一)，男，高级工程师，博士

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：2007−03−01 修回日期：2007−05−1 作者简介：阮小江(1969—)，男，高级工程师，博士 兴澄特钢中间包结构优化 阮小江 李京社 王剑斌 杨树峰 唐海燕 王玉刚 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 摘 要 以兴澄特钢连铸中间包为工程背景，根据相似原理建立了中间包水模型系统，研究了 4 流不同结构的中间包 的流体流动特性．研究表明：原结构的中间包同一侧的两流之间的流体流动特性存在很大差异，与内侧流相比，外侧 流的最小停留时间、峰值时间小，死区体积大，造成中间包内钢液温度不均匀，夹杂物不能有效地上浮去除, 不能很 好地满足高质量特钢生产的要求．采用优化后的挡墙和坝组合的中间包控流装置，外侧和内侧的停留时间分布趋于一 致，表明外侧流和内侧流之间流动特性相近．中间包结构优化后平均死区百分数由原结构的 58.2%降低到 10.9%． 关键词 连铸；中间包；水力学模拟；结构优化 分类号 TF 777.2 连铸中间包的控流元件(挡渣墙和挡渣堰等) 的设置，对中间包内夹杂物的上浮及均匀钢水温度 起着重要的作用．对于多流连铸中间包，各流出口 温度及所含夹杂物的大小和数量会有一定的差异， 从而给铸坯质量控制带来困难．因此，寻找合理的 中间包控流元件的设置，对多流连铸中间包来说具 有重要的意义[1-3]． 针对兴澄特钢连铸机 T 型中间包存在钢液分配 不均，造成 1、4 流钢液温度偏低的现象，采用中间 包水模型研究，以求从钢包来的热钢液到中间包各 出水口分配均匀，平均停留时间基本保持一致，最 大限度地提高钢液在中间包内的停留时间，促使夹 杂上浮排除,提高铸坯质量． 1 水力学模拟的原理 1.1 相似准则 中间包内钢液的流动，是钢液在重力作用下由 钢包水口流入中间包，然后从中间包水口流出．此 种情况下，一般可视为粘性不可压缩稳态流动．因 此系统只要满足几何相似、运动相似和动力学相似， 就可以满足模型和原型的相似．中间包内钢液流动 与模型中水的流动处于同一自模化区，所以只要保 证模型和原型的 Fr 准数相等，就可以保证模型和原 型的相似[4]．由 ( ( F F r r ）= ） 模型 原型 可得： u u gL gL 2 2 模型 原型 模型 原型 = (1) 模型比例系数： K=L 模型 /L 原型 (2) 根据相似理论计算，流量比为： Q 模型/Q 原型=K5/2 (3) 其速度比为： u 模型/u 原型=K1/2 (4) 本实验选取模型比例系数K=1/2.5，则可根据实 际拉速确定实验中所对应水的流量．模型与原型中 间包的参数示于表1． 表 1 中间包厚型与模型对应的工艺参数 实验参数 原型 模型 水口流速 / (m⋅min−1 ) 0.9 0.768 工作液面 / mm 800 320 流间距 / mm 1250 500 单个水口流量 / (m3 ⋅h−1 ) 0.177 0.117 水口插入液面深度 / mm 250 100 1.2 混合模型分析[5-6] 当流体稳定地流经反应器时，由于进出反应器 的流体质量守恒，所以反应器内的流体总量恒定， 但在某一时刻进入反应器的定量流体由于其各部分 在反应器内所走的路径不同，因而到达反应器出口 的时间各不相同，据此可以将反应器区分为活塞区、 全混区和死区(如图 1)． 活塞区：该区的流动是一种理想状态，它假设 通过反应器的流体均沿同一方向，以相同的速度向 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2007.s1.015

Vol.29 Suppl1 阮小江等：兴澄特钢中间包结构优化 ·139- 前流动，在流动过程中没有流体的混返，所以流体 间分布，得到中间包内钢液的平均停留时间和滞止 在反应器中的停留时间都相同：全混区：在该区内， 时间，并由此计算出原型中间包的死区体积比例. 流体充分混合，成分、温度均匀且等于出口处的成 图3是原型中间包平均停留时间与拉速的关 分和温度：死区：该区内流体与周围区域不发生物 系，图4是原型中间包死区比例与拉速的关系，图 质和能量的交换 5是原型中间包临界液面深度与拉速的关系，表2 是原型中间包不同拉速下的实验结果 汗塞流 介混流。 由表2可以看出，中间包原型在各个拉速下的 纯区 滞止时间都很短，特别是2#、3#水口（中部水口）， 同时1#水口和2#水口（边部水口与中部的水口） 图】混合模型示意图 的滞止时间相差巨大，这表明1#水口和2#水口钢 液的成分和温度差异将会很大，将会严重影响钢坯 2实验装置和实验方法 的质量和生产的顺行.从实验数据可以看出中间包 原型钢液的死区比例都很大，中间包的有效容积没 2.1实验装置 有很好的利用.中间包原型各水口的滞止时间随拉 本实验使用有机玻璃钢包模型和中间包模型、 速变化不大，但死区比例随着拉速的增大而显著减 示踪剂加入装置、大包注流水口和中包流股导向装 小，因此，拉速太高不利于夹杂物上浮 置（挡渣墙、坝）、电导仪、计算机等（如图2）， 中间包模型内可放置坝和挡墙，中间包四个出 300 水口的流量由塞棒和阀门联合控制，液体通过长水 口注入中间包长水口流量用阀门控制，其插入深度 200 为100mm. ◆一1号水口 处 钢包 100 ■一2号水口 水箱 计算机 问包 0 钢世水口 放人器 0.7 0.9 1.1 拉速/(m-min) A/D 图3平均停留时间与拉速的关系 水乘 中创他 电号动 阀门 水 80 图2水模型实验装置示意图 P 601 2.2实验方法 40 实验采用“刺激一响应”方法.使中间包液面 一◆一1号水口 20 哥一2号水口 保持在适当高度，流场稳定后，在入水口处一次性 注入一定量的示踪剂，通过电导率仪按一定时间间 0.7 0.9 1.1 隔测出各出水口示踪剂浓度所对应的电压的大小， 拉速/(mmim) 输入计算机处理，作出RTD曲线，计算出各出水口 图4死区比例与拉速的关系 的平均停留时间，给出各出水口处示踪剂浓度的响 应时间. 60 40 3实验内容与结果分析 y 20 3.1原型中间包实验研究 测量在拉速为0.7,0.9,1.1m/min,原型液面 0.9 高度保持在725mm,模型液面290mm,模型大包 拉速/(m-min) 水口插入深度为100mm下中间包内钢液的停留时 图5临界液面深度与拉速的关系

Vol.29 Suppl.1 阮小江等：兴澄特钢中间包结构优化 • 139 • 前流动，在流动过程中没有流体的混返，所以流体 在反应器中的停留时间都相同；全混区：在该区内， 流体充分混合，成分、温度均匀且等于出口处的成 分和温度；死区：该区内流体与周围区域不发生物 质和能量的交换． 图 1 混合模型示意图 2 实验装置和实验方法 2.1 实验装置 本实验使用有机玻璃钢包模型和中间包模型、 示踪剂加入装置、大包注流水口和中包流股导向装 置(挡渣墙、坝)、电导仪、计算机等(如图 2)． 中间包模型内可放置坝和挡墙．中间包四个出 水口的流量由塞棒和阀门联合控制，液体通过长水 口注入中间包长水口流量用阀门控制，其插入深度 为 100 mm． 图 2 水模型实验装置示意图 2.2 实验方法 实验采用“刺激—响应”方法．使中间包液面 保持在适当高度，流场稳定后，在入水口处一次性 注入一定量的示踪剂，通过电导率仪按一定时间间 隔测出各出水口示踪剂浓度所对应的电压的大小， 输入计算机处理，作出 RTD 曲线，计算出各出水口 的平均停留时间，给出各出水口处示踪剂浓度的响 应时间． 3 实验内容与结果分析 3.1 原型中间包实验研究 测量在拉速为 0.7，0.9，1.1 m/min，原型液面 高度保持在 725 mm，模型液面 290 mm，模型大包 水口插入深度为 100 mm 下中间包内钢液的停留时 间分布，得到中间包内钢液的平均停留时间和滞止 时间，并由此计算出原型中间包的死区体积比例． 图 3 是原型中间包平均停留时间与拉速的关 系，图 4 是原型中间包死区比例与拉速的关系，图 5 是原型中间包临界液面深度与拉速的关系，表 2 是原型中间包不同拉速下的实验结果． 由表 2 可以看出，中间包原型在各个拉速下的 滞止时间都很短，特别是 2＃、3＃水口（中部水口）， 同时 1＃水口和 2＃水口（边部水口与中部的水口） 的滞止时间相差巨大，这表明 1＃水口和 2＃水口钢 液的成分和温度差异将会很大，将会严重影响钢坯 的质量和生产的顺行．从实验数据可以看出中间包 原型钢液的死区比例都很大，中间包的有效容积没 有很好的利用．中间包原型各水口的滞止时间随拉 速变化不大，但死区比例随着拉速的增大而显著减 小．因此，拉速太高不利于夹杂物上浮． 图 3 平均停留时间与拉速的关系 图 4 死区比例与拉速的关系 图 5 临界液面深度与拉速的关系

·140· 北京科技大学学报 2007年增刊1 通过测量原型中间包不同拉速下的临界液面深 首先确定以下几种档墙结构进行实验研究.在此基 度可以得出，中间包钢液的临界液面深度随着拉速 础上，对中间包内部档墙结构进行进一步的优化. 的增大而增大，即拉速越大出现漩涡的液面深度越 共进行了7组优化方案的实验，实验是在中间 大，这样就要求大拉速连铸换包时的残钢量就大. 包原型液面深度保持在725mm,拉速为0.9m/min, 3.2中间包优化方案实验 大包水口插入深度为270mm条件下进行的，实验 目前中间包结构优化尚无统一的理论指导，不 结果如表3所示.其中，方案B、G是比较理想的 同形状的中间包需要分别考虑.本研究根据以往的 优化方案。滞止时间、平均停留时间、理论平均停 研究经验和参考目前国内外正在开发的档墙结构， 留时间和死区体积等指标都处于好的水平上， 表2原型中间包不同拉速实验结果 水口 拉坯速度/(mmin 滞止时间/s 平均停留时间/s理论平均停留时间/s死区比例/%临界液面深度/mm 1# 291 804 63.8 0.7 2# 哈 17 244 804 69.7 必 45 297 626 55.4 3为 0.9 % 15 244 626 61.0 领 46 264 512 48.4 1.1 2# 好 239 512 53.3 表3不同内部结构实验结果 方案 水口 滞止时间/s 平均停留时间/s 理论平均停留时间s 死区体积/% 1 54 506 626 19.2 A 2# 35 537 626 14.2 1# 47 533 626 14.9 2# 62 583 626 6.9 1# 42 514 626 17.9 2# 70 605 626 3.4 1# 36 507 626 19.0 D 24 65 560 626 10.5 1# 37 510 626 18.5 E 2# 68 583 626 6.9 44 502 626 19.8 2# 65 579 626 7.5 60 446 626 28.8 G 2# 91 490 626 21.7 杂物 4结论 (3)方案G是在方案B的基础上增加了冲击区 挡墙，它起到了抑制湍流的作用，使得中间包内钢 (1)原型中间包内的钢液流动从中心到两侧不 水的流速减小，这样滞止时间就增大，但平均停留 均匀，中部水口和边部水口平均停留时间和滞止时 时间变短. 间差距太大，导致中部水口和边部水口温降差异大， (4)比较7组优化实验方案，方案B的滞止时间 易造成水口结瘤， 和平均停留时间都是最优的. (2)原型中间包钢液的滞止时间太短，而死区较 参考文献 大，这些都不利于在中间包中去除钢中的非金属夹 [1】唐继山，谢长川，于学斌，等.六流连铸中间包的物理模拟.炼

• 140 • 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 1 通过测量原型中间包不同拉速下的临界液面深 度可以得出，中间包钢液的临界液面深度随着拉速 的增大而增大，即拉速越大出现漩涡的液面深度越 大，这样就要求大拉速连铸换包时的残钢量就大． 3.2 中间包优化方案实验 目前中间包结构优化尚无统一的理论指导，不 同形状的中间包需要分别考虑．本研究根据以往的 研究经验和参考目前国内外正在开发的档墙结构， 首先确定以下几种档墙结构进行实验研究．在此基 础上，对中间包内部档墙结构进行进一步的优化． 共进行了 7 组优化方案的实验，实验是在中间 包原型液面深度保持在 725 mm，拉速为 0.9 m/min, 大包水口插入深度为 270 mm 条件下进行的，实验 结果如表 3 所示．其中，方案 B、G 是比较理想的 优化方案．滞止时间、平均停留时间、理论平均停 留时间和死区体积等指标都处于好的水平上． 表 2 原型中间包不同拉速实验结果 水口 拉坯速度 / (m⋅min−1 ) 滞止时间 / s 平均停留时间 / s 理论平均停留时间 / s 死区比例 / % 临界液面深度 / mm 1# 45 291 804 63.8 2# 0.7 17 244 804 69.7 36 1# 45 297 626 55.4 2# 0.9 15 244 626 61.0 46 1# 46 264 512 48.4 2# 1.1 18 239 512 53.3 52 表 3 不同内部结构实验结果 方案 水口 滞止时间 / s 平均停留时间 / s 理论平均停留时间 / s 死区体积 / % 1# 54 506 626 19.2 A 2# 35 537 626 14.2 1# 47 533 626 14.9 B 2# 62 583 626 6.9 1# 42 514 626 17.9 C 2# 70 605 626 3.4 1# 36 507 626 19.0 D 2# 65 560 626 10.5 1# 37 510 626 18.5 E 2# 68 583 626 6.9 1# 44 502 626 19.8 F 2# 65 579 626 7.5 1# 60 446 626 28.8 G 2# 91 490 626 21.7 4 结论 (1)原型中间包内的钢液流动从中心到两侧不 均匀，中部水口和边部水口平均停留时间和滞止时 间差距太大，导致中部水口和边部水口温降差异大， 易造成水口结瘤． (2)原型中间包钢液的滞止时间太短，而死区较 大，这些都不利于在中间包中去除钢中的非金属夹 杂物． (3)方案 G 是在方案 B 的基础上增加了冲击区 挡墙，它起到了抑制湍流的作用，使得中间包内钢 水的流速减小，这样滞止时间就增大，但平均停留 时间变短． (4)比较 7 组优化实验方案，方案 B 的滞止时间 和平均停留时间都是最优的. 参 考 文 献 [1] 唐继山，谢长川，于学斌，等．六流连铸中间包的物理模拟．炼

Vol.29 Suppl.1 阮小江等：兴澄特钢中间包结构优化 141· 钢，2002,2：52 [5]Sahai Y,Burval M D.Valididity of renolds and froude similarity [2)樊俊飞，张清朗，朱苗勇，等。六流T形连铸中间包内控流装 criteria for water modeling of melt flow in tunishes /Iron and 置优化的水模研究.钢铁，1998,5：24 Steel Society Inc eds.Proc of the Electric Furnace Conf.Atlant: [3)吕安。天铁炼钢厂四流中间包流场的水模实验及优化.天津治 Catanzarite K A,1992,469 金，2003,4：20 [6]Koria S C,Singh S.Physical modeling of the effects of the flow 4王建军，包燕平，曲英。中间包治金学。北京：治金工业出版 modiffier on the dynamics of molten steel flowing in a tunish 社，2001 1s1J1nt.,1994,34(10:784 Optimizing of tundish structure in XingCheng Special Steel RUAN Xiaojing,LI Jingshe,WANG Jianbin,YANG Shufeng,TANG Haiyan,WANG Yugang Metallurgical and Ecological Engineering School,University and Science Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the tundish in Xingcheng Special Steel,according to the similar principle,the water modeling system of the four-strand caster tundish was built.The simulating study shows that a large difference in flow characteristics exits between the two outlets at the same side of the tunish comparing with those of the for- mer configuration.Compared to the inside outlet,the outside outlet has short minimum residence time and peak concentration time and larger dead zone volume.So the original design of the tundish can not meet the technical requirements for inclusion floatation and temperature homogenization.With the optimal tunish configuration by using dam and weir,the RTD curves of two outlets at the same side tend to be the same,showing that the flow characteristics between the two outlets are almost uniform.With the optimal tunish configuration,the average percentage of dead zone volume is decreased to 10.9%from 58.2%. KEY WORDS continuous casting;tundish;water modeling;configuration optimization

Vol.29 Suppl.1 阮小江等：兴澄特钢中间包结构优化 • 141 • 钢，2002, 2: 52 [2] 樊俊飞，张清朗，朱苗勇，等．六流 T 形连铸中间包内控流装 置优化的水模研究．钢铁，1998, 5: 24 [3] 吕安．天铁炼钢厂四流中间包流场的水模实验及优化．天津冶 金，2003, 4: 20 [4] 王建军，包燕平，曲英．中间包冶金学．北京：冶金工业出版 社，2001 [5] Sahai Y, Burval M D. Valididity of renolds and froude similarity criteria for water modeling of melt flow in tunishes // Iron and Steel Society Inc eds. Proc of the Electric Furnace Conf. Atlant: Catanzarite K A, 1992, 469 [6] Koria S C, Singh S. Physical modeling of the effects of the flow modiffier on the dynamics of molten steel flowing in a tunish. ISIJ Int., 1994, 34 (10): 784 Optimizing of tundish structure in XingCheng Special Steel RUAN Xiaojing, LI Jingshe, WANG Jianbin, YANG Shufeng, TANG Haiyan, WANG Yugang Metallurgical and Ecological Engineering School, University and Science Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT Based on the tundish in Xingcheng Special Steel, according to the similar principle, the water modeling system of the four-strand caster tundish was built. The simulating study shows that a large difference in flow characteristics exits between the two outlets at the same side of the tunish comparing with those of the for￾mer configuration. Compared to the inside outlet, the outside outlet has short minimum residence time and peak concentration time and larger dead zone volume. So the original design of the tundish can not meet the technical requirements for inclusion floatation and temperature homogenization. With the optimal tunish configuration by using dam and weir, the RTD curves of two outlets at the same side tend to be the same, showing that the flow characteristics between the two outlets are almost uniform. With the optimal tunish configuration, the average percentage of dead zone volume is decreased to 10.9% from 58.2%. KEY WORDS continuous casting; tundish; water modeling; configuration optimization