水平连铸中间包流动特性的模拟研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.03.021 北京钢铁学院学报 J,Beijing Univ,of Iron Steel Technol, Vol.9No.31987 水平连铸中间包流动特性的模拟研究 蔡开科 王利亚 李绍舜 曲英 (炼钢教研室) 摘 要 浇注过程中钢水在中间包内的流动停性对中间包的设计.工艺操作和铸坯质量 都有蜇婴影响，本文结合马钢水平连铸7,5t中间包，模拟研究了中间包内液体流动行 为和平均停留时间分布规律。在生产中应用结果证明对夹杂物的去除有明显的效 果 关键词：水平连钱，·中间包流动 Flow Characteristics within the Tundish of Horizontal Continuous Casting by Simulation Cai Kaike Wang Liya Li Shaoshun Qu Ying Abstract In the continuous casting process,the tundish is the last container with refractory lining before the molten steel is poured into the mold, The flow characteristics within the tundish has a strong influence on the tundish design,technology operation and the quality of strand. In this paper,the flow behaviour and liquid residence time within the tundish of HCC have been studied by water simulation.As well as some good results for decanting inclusions in the tundish was found during continuous :casting. Key words:Horizontal continuous casting,flow characteristics within the tundish 1986-09一10收稿 1

北 京 钢 铁 学 院 学 报 水平连铸中间包流动特性的模拟研究 蔡开科 王 利亚 李绍舜 曲英 ‘炼钢教研室 摘 要 浇注过程 中钢水在中间包内的流动特性对 中间包的设计 工艺操作和铸坯质鱼 都有重要影响 。 本文结合马 钢水平连铸 中间包 ，模拟研究了 中间包内液体流动行 为和平均停 留时 间分布规律 在生产中应用结果证明对夹杂物的去除有明显 的效 果 。 笑键词 水平连铸 ， 中间包流动 研 ” 人 ‘ “ ， 一 凡 ， ， 上 一 一 玫稿 呈 · 只 呈直 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．03．021

引 言 连铸中间包是钢水进入结晶器的最后一个耐火材料容器。中间包除向结晶器稳定供 ··应钢水外，还起着重要的治金作用。因此近年来连铸中间包在不断向综合反应器方向发 展。 浇注过程中钢水在中间包内的流动特性，对中间包的设计、工艺操作和铸坯质量都 有重要影响。本文结合马钢水平连铸7,5t中间包，通过模型试验研究了中间包钢液合理 的流动行为和钢水在中间包内平均停留时间分布，并在生产上进行了验证，取得了明显 的效果。 试验方法 1.1模型的设计 设中间包内钢水流动为粘性不可压缩稳定等温流动，·根据相似原理有三个相似准 数： 雷诺数Re=pul 欧拉数Eu=P 421 弗鲁德数Fr=1 式中：p为密度，1为长度，u为速度；u为粘性系数，P为压力，g为重力加速度。 严格来说，要使模型和原型相似，应使模型和原型间的三个准数各自相等。但这种 有三个定性准数相等的模型一般是难以实现的。考虑到中间包内流动主是由重力引起 的，这里取弗鲁德谁数为定性谁则 glm=gIn u u员 式中下标m表示模型，R表示原型， 则 lm-=v√K 式中K为模型与实物的几何比例。若用Qm表示模型流量，Q.表示原型流量，则 Qm=uml监点=K÷ QR uRl克 本试验中K=号，即模型尺寸比实际中间包缩小。， 2， 则 4m-=0.701, Qm-=0,176 QR

引 言 连铸 中间包是钢 水进入结 晶器 的最后一个耐火材料容器 。 中间包除 向结 晶器稳定供 应钢水外 ， 还起 着 重 要 的冶金作用 。 因此近 年来连铸 中间包在不 断 向综合反 应器方 向发 展 。 二 ’ · 浇注过程 中钢 水在 中间包 内的流动特性 ， 对 中间包 的设计 、 工艺操作和铸坯质量都 有重要影响 。 本文结 合 马钢 水 平连铸 中间包 ， 通过 模型试 验研究 了 中间包钢液合 理 的流动行 为和钢 水在 中间包 内平均停留时 间分布 ， 并在生 产 进行 了验证 ， 取得 了明显 的效果 。 勺 试验方法 模型的设计 设中间包 内钢水流动 为粘性不 可压缩稳定等温 流动 ， 、 根据相似原理有三 个 相 似 准 数 雷 诺 数 二 进丝 一 林 欧拉数 。 二 一里一 林 弗鲁德数 嘴争 式 中 为密度 为长度 为速度 协为粘性系数 为压力 为重力加速度 。 严格来说 ， 要使模型和原型相似 ， 应使模型 和原型 间的三个淮数各 自相 等 。 但这种 有三个定 性准数相 等 的模型一般 是难 以实现的 。 考虑到 中间包 内流动主是 由 重 力 引 起 的 ， 这里取 弗鲁德 准数为定 性 准则 一 ︼曰一 一 一 口一月口一 式 中下标 表示模型 ， 表示原型 ， 厂一万丁一一 一 一 「订， 一二竺 一趾一 斌 长 ‘ 耳 式 中 为模型与实物 的几何 比例 。 若用 二表示模型流量 ， 表示原型流量 ， 则 二 益 晨 二 一百一 本试 验 中 二 音 ， 则 一贵 ‘ 即模型尺寸 比实际 中间包缩小健 一 ， 艺 二 ” · “ ‘ ， 令 二 · ‘

1.2刺激响应法 研究反应器内流体停留时间分布，通常用 added 刺激响应的实验方法1〕，即在反应器入口处 加一刺激信号（如示踪剂)，在出口处观察系 C(U) 统对此刺激的响应。如图1所示。 平均停留时间τ和方差S分别为 t= Sotc(t)dt (1) 图1响应曲线示意图 joc(t)dt Fig.1 Schernatic of replication curve 和 s*=5(t-r)"c(t)dt (2) foc(t)dt 方差表示了液体在反应器内停留时间和平均停留时间的偏差。在一定程度上可以反 映反应器流动的均匀性。方差愈小，则液体的停留时间愈接近于平均停留时间，反应器 中流动愈均匀平稳。 在实际进行数据处理时，由于℃(t)曲线的确切数学形式不知，必须将以上两式化 为离散型进行计算。如把C(t)曲线分为几等分，则 0 △t∑ic1(t) i=1 T= (8) c, i=1 △t2∑i2c:(t) S2=- i=1 (4) 2 ci(t) i=l 1.3实验装置 本实验采用光导纤维装置测定示踪剂浓度 变化2)，若丹明B作为示踪剂。试验确定在 0.5一0.8ppm浓度范围内，萤光强度（电压信 号)与若丹明B浓度成线性关系。 将光导纤维探头固定在中间包两个水口处， 把配一定浓度的若丹明B从钢包水口处加入， 同时启动x一y记录仪，由记录的浓度变化曲 图2中间包模型流体响应曲线 线（图2），按(3)式计算平均停留时间。 Fig.2 Replication curve of flow within the tundish model 2 试验结果与讨论 2,1流置对平均停留时间的影响 8

刺激响应法 研究反应器 内流体停 留时 间分 布 ， 通常 用 刺激响应的实验方法〔 〕 ， 即在反应器入 口 处 加 一刺激信号 如示踪剂 ， 在 出口 处观察系 。 统对此 刺激的响应 。 如 图 所示 。 平均停留时 间， 和方差 分别为 ’ 陀。 如佗 压言 毛 图 响应曲线示意图 。 。 卜 ， 泛 “ 言 一 二 言 方差表示 了液体在反应器 内停留时 间和平均停留时 间的偏差 。 在一定程 度上可 以反 映反应器流动 的均 匀性 。 方差愈小 ， 则液体的停留时 间愈 接近于 平均停 留时 间 ， 反应器 中流动愈均 匀平稳 。 在实际进行数据处理时 ， 由于 曲线 的确切 数学形 式不知 ， 必须将以 上两 式 化 为 离散型进行计算 。 如把 。 曲线分为几 等分 ， 则 △ 艺 下 二 一一一 矿 一 一一 － 一 艺 、 △ “ 艺 竹番健 、 司 州﹄一 了、工，﹄， 艺 、 实验装置 本实验采 用 光导纤维装置测定 示踪剂浓 度 变化学 〕 ， 若丹明 作为示踪剂 。 试 验 确定 在 一 浓度范 围 内 ， 萤光 强度 电压信 、 。 号 与 若丹 明 浓 度成线性关 系 。 将光导纤维探头 固定在 中间包两个水 口处 ， 把配一定浓 度的若丹明 丛钢 包水 口处加 入 ， 同时 启动 一 记录仪 ， 由记录 的浓 度 变 化 曲 线 图 ， 按 式计算平均停 留时 间 。 。 图 中间 包模型流 体响应曲 线 ‘ 试验结果 与讨论 流量对平 均停留时 间的影响

流量表现为拉速的大小。由图3可知，流量越大，中间包液体平均停留时间越短。 按物质衡算关系，中间包内单位时间示踪剂减少量等于单位时闻从水口流出的示踪剂 量，即 v=-QC dt (5) 式中，V为中间包有效容积，C为示踪剂浓度；Q为流量，t为时间。 D Nozzle '1 30 ●Nozzle2 60 -Caleulated 50 o Experfmental (H=400mm 20 40 30 10 20 3.07.111.2 15.3 10 Q,I/min 0.6 1.4 2.23.0 3.07.111.215.319.4 Cesting speed,m/min Q,1/min 图3流量对平均停留时间的影响 图4计算值与实验值比较 Fig.3 Influence of flow rate on the Fig,4 Comparison between the calculated average residence time and experimental results 响应曲线是脉冲型的浓度曲线，如假定中间包内经过很短时间就可达到完全混合， 则 C=1.e-t/t (6) 比较式(5)和(6)得 t= V=HF-AH Q Q (7) 由(7)式计算的停留时间与实验结果比较如图4所示。由图可知，计算值与实验 值非常接近。根据方差分析，流量对平均停留时间影响最为显著。实际中间包平均停留 时间tR与模型的rm的关系为 一，TR=1.414rm (8) Tm 即实物中的钢水停留时间是模型中的1.414倍。如拉速为3m/min,模型内液面高度H= 400mm时，xm=8.38min,则实际中间包内钢液高度为800mm的rR=11.85min。因此， 平均停留时间可以完全满足中间包内夹杂物上浮的要求。 4

流量表现为拉速的大小 。 由图 可知 ， 流量越大 ， 中间包液体平均停留时间越短 。 按物质衡算关 系 ， 中间包 内单位时间示踪剂减少量等于单位时 闻从水 口流 出 的 示 踪 剂 量 ， 即 ， 八 一三二二一 二 一 以 七 式 中 为中间包有效容积 为示 踪剂浓 度 为流量 为时 间 。 卜三﹃‘ 呈 双 以 卜 封 么 。 ， 阵 、 。 王 二 一 ‘ 时 ︸ 甘︸ 勺 月已卜 伪 ， ， 图 流量 对平均停 留时间 的影响 【 甲 只 图 计算值与实验值比 较 峨 ， 响应 曲线是 脉 冲型 的浓 度 曲线 ， 如假定 中间包 内经过 很短时间就可达到完全混合 ， 二 一 一 ， 一巫一 卫升 一 ‘ 卜 ‘ 比 较式 和 得 二 一 一下盯 一一 一 一下二一 飞 由 式 计算的停 留时 间与实 验结果 比较如 图 所示 。 由图可知 ， 计算值与实 验 值非常接近 。 根据方差分析 ， 流量 对平 均停 留时 间影响最为显 著 。 实际 中间包平均 停 留 时 间 与模型 的下 的关系为 丫 二 一不厂 ， 下 “ 土 · “ 土“ 二 即实物 中的钢 水停留时 间是 模型 中的 倍 。 如拉速 为 ， 模型 内液面 高度 时 ， 。 ， 则 实 绿中间包 内钢液高度为 的二 。 。 因此 ， 平均 停留时 间可 以完全满足 中间包 内夹 杂物 上浮 的要求

2.2液面高度的影响 图5为中间包内液面高度对平均停留时间的影响。由图看出，中间包内液面愈高， τ愈大。它可用式T说明。式中A是与流量有关的系数，τ与H成正比关系：液面越高， 液体在中间包内运动轨迹加长，平均停留时间增加，有利于夹杂物充分上浮，从而可以 改善钢坯质量。因此，目前连铸中间包向大容量深熔池方向发展。 Casting jet o Nozzle 1 30 ●Nozzle2 30 20 -275 人 20 10 10 200 300400 500 H,mm 15°20° 30 g 图5中间包液面高度对的影响 图6中间包底部形状对τ的影响 Fig.5 Influence of liquid depth in the Fig,6 Influence of base form within tundish on average residence time tundish on average residence time 2.3中间包底部形状的影响 水平连铸中间包底部倾斜度具有中间隔墙的作用，不同倾角对τ的影响如图6所示。 由图可知，底部倾斜度对τ的影响不很显著，主要是影响流动状况。 为了研究底部形状对流动均匀性的影响，必须分析响应曲线的形状特点。由图2可 o Nozzle 1 1.0 ●Nozzle2 Casting jet Casting jet 0.8 0.6 0.4 0 0.2 Nozzle 15°20°30° 0 图7中间包底部倾斜对流动均匀性的影响 图8中间包流场示意图 Fig.7 Influence of the base inclimation Fig.8 Flow disgram within the tundish within tundish on the flow uniformity model 知，定义△Cm1./C表示中间包内流动的不均匀性（△Cmx为最大浓度差，C为平均浓 6

液面 高度的影响 图 为 中间包 内液面 高度对平均停留时 间的影响 。 由图看出 ， 中间包 内液面愈高 ， 愈大 。 它可 用式 说明 。 式中 是 与流量有关 的 系数 ， 与 成正 比关系 液面越高 ， 液体在 中间包 内运动 轨迹加 长 ， 平均停 留时 间增加 ， 有利 于夹杂物充分上浮 ， 从而 可 以 改善钢 坯质量 。 因此 ， 目前连铸 中间包 向大容量深熔池方 向发展 。 ， ﹃卜日卜 以 口勺，臼 八日‘﹄ 一卜‘ 一 扩 了 了 图 中间包液面高度对下 的影响 。 ， 认 图 中间包底部形状对 的影响 钾 五 只 · 中间包底部形状的影响 水平连铸 中向包底部倾斜度具 有 中间隔墙 的作用 ， 不 同倾角对， 的影响如 图 所示 。 由图可知 ， 底部倾斜度对 的影响不很显著 ， 主要是 影响流动状况 。 为了研究底部形状对流动均 匀性 的影响 ， 必须分析响应 曲线 的形状特点 。 由图 可 砚 心司 之 图 中间包底部倾余时流动均匀性的影响 图 中间包流场示意图 五 知 ， 定 义 △ 。 二 万表示 中间包 内流动 的不均 匀性 △ 二 为最大浓 度差 ， 万为 平 均 浓

度)。中间包底部倾角愈大，△Cm2,C就愈小，说明流动愈均匀，这对于中间包内温 度和成分的均匀化与夹杂物上浮有重要的意义。图7表示了它们之间的关系。倾斜角α 越大，垂直边愈高，液体改变了传统的流动路线，从而减少了中间包内的死区，使流动 比较均匀而平稳，如图8。 2.4钢包注流方式的影响 钢包注流注入中间包有敞开和带保护管浇注两种方式。实验证明，当其它条件一定 时，这两种注流方式对τ无影响，但后者可使流动平稳，增加了流动的均匀性，可防止 注流的二次氧化。 2.5临界液面高度的影响 在一般连铸中间包中钢水沿垂直方向流出，当液面高度低于一定值后（一般为200- 300mm)，水口上方的液面会形成旋涡，严重时会形成旋涡漏斗，这样，不但易将空气 卷入水口，促进二次氧化，而且会使钢水顶部复盖渣卷人水口进入结晶器，使铸坯内大 型夹杂物增加。实验观察到，水平连铸中间包即使液面高度很低，也不会产生上述现 象。因而在浇注结束时可把中间包内残余钢水损失减到最小。 3 生产中应用效果 双流水平连铸机由5t电炉供应钢水，钢包容量为15t,中间包容量为7.5t,内型尺 寸为1900×700×1070mm,包底略有倾斜。浇注中80圆坯。浇注过程中中间包液面高度 保持800mm左右，采用散开浇注，正常工作拉速为2.5一3.0m/min。 为调查浇注过程中间包钢水夹杂物的变化，用中25×150mm的取样器，在浇注过程 中分别从钢包和中间包取样，用Q一900图象分析仪，分析试样中夹杂物量如表1。由 表可知，中间包内钢水夹杂物比钢包平均减少40一70%，这说明在中间包内有充分时间 允许夹杂物上浮，有利于钢水净化。 表1 钢包和中间包夹杂物量变化 Table 1 Variation of inclusion quantity in tundish and ladle Arca occupied.by inclusions Arca occupied by inclusions Heat in the samples of ladle,% in the samplea of tundish, 622 0.011 0.00697 631 0.0017 632 0.0149 0.00398 4 结 论 (1)钢水在中间包内停留时间分布在一定程度上能反映钢水运动特性。影响中间 包内钢水停留时间分布主要是拉速和液面高度。在液面高度一定时，拉速增洲，平均停 留时间减少，而拉速一定时，液面高度增加能显著增加停留时间，有利于夹杂物上浮

度 。 中间包底部倾角愈大 ， △ 亡就愈小 ， 说 明流动愈均匀 ， 这对于 中间 包 内 温 度 和成分的均 匀化与夹杂物上 浮 有重要 的意义 。 图 表示 了它 们之 间的关 系 。 倾斜角 越大 ， 垂直边愈高 ， 液体改变了传 统 的流动 路线 ， 从而 减少 了 中间包 内的死 区 ， 使流动 比 较均匀而平稳 ， 如 图 。 钢包注流方式的 影响 钢 包注流注 人 中间包有敞开 和带 保护管浇注 两种方式 。 实验证 明 ， 当其它条件一定 时 ， 这 两种注流方式对 无影响 ， 但后 者可使流动平稳 ， 增加 了流动 的均匀性 ， 可 防 止 注流的二 次氧化 。 临 界液面 高度的 影响 在 一般连铸中间包 中钢 水 沿垂直 方向流 出 ， 当液面 高度低于一定 值后 一般 为 ， 水 口 上方 的液面 会形 成旋祸 ， 严重 时会形 成旋涡漏斗 ， 这样 ， 不 但易将 空气 卷入水 口 ， 促进二 次氧化 ， 而且会使钢 水 顶部复盖渣卷 人水 口进入结 晶器 ， 使铸坯 内大 型夹杂物增加 。 实验观察到 ， 水 平连铸中间包 即 使液 面 高度很低 ， 也不 会产 生 上 述 现 象 。 因而在浇注结 束时可把 中间包内残 余钢 水 损失减到最小 。 生产 中应用 效果 双流水平连铸 机 由 电炉供应钢 水 ， 钢 包容量 为 ， 中间包容量 为 。 ， 内 型 尺 寸 为 义 ， 包底略 有倾斜 。 浇注小 圆坯 。 浇注过 程 中中间包液面 高度 保持 左 右 ， 采 用 敞开 浇注 ， 正常工 作拉速 为 一 。 为调查浇注过程 中间包钢 水 夹杂物的变化 ， 用 小 又 的 取样器 ， 在浇注过程 中分 别从钢 包和 中间包取样 ， 用 一 图象分析仪 ， 分 析试样 中夹杂物 量 如表 。 由 表可知 ， 中间包 内钢 水夹 杂物 比 钢 包平均减少 一 ， 这说 明在 中间包 内有充分时 间 允许夹 杂物 上浮 ， 有利 于钢水净化 。 表 钢 包 和 中 间 包 夹 杂 物 量 变 化 于 一，， ，多 ， 拓 归 ， ‘ 一 ‘ 卜 ‘ ‘ ‘ ，‘ ‘ 、 ， 夕 ， ， ，， ， 叫 ， 。 结 论 钢水在 中间包 内停 留时 间分布在 一定 程 度 上 能反 映钢水 运动特性 。 影响 中间 包 内钢水停 留时 间分 布主要是 拉速 和液面 高度 。 在液面高度一定 时 ， 拉速 增加 ， 平 均停 留时 间减少， 而 拉速 一定 时 ， 液 面 高度增加 能显著增加 停 留时 间 ， 一 有利 于夹杂物 上浮

(2)由实验和理论分析表明，在实际生产中平均停留时间可由(7)式计算，在 拉速为1.5一3m/min,液面高度为400一800mm时其误差<10%。 (8)中间包隔墙对停留时间无明显影响。隔墙的作用主要是使流动均匀平稳，减少了 中间包死区，有利于中间包内钢水温度和成分的均匀化与夹杂物的上浮。 (4)钢包注流采用保护管浇注，能改善中间包内液体流动状况，可防止注流的二 次氧化，提高了铸坯的质量。 (5)对中间包内液体流动观察表明，即使液面高度很低时，钢液面上不会产生旋 涡。因此在浇注未期，只要在钢水静压力允许的条件下，可尽量减少中间包内的残留钢 水量，而不必担心渣子卷入结晶器。 (6)从生产上使用效果来看，中间包内钢水中夹杂物量比钢包平均减少40一70%， 这说明中间包有充分时间允许夹杂物上浮，有利于钢水的净化。 致谢，马钢公司二炼钢厂对水平连铸中间包的取样和试样加工提供了支特和帮助，特致衷心谢意。 参考文献 〔1〕鞭岩：冶金反应工程学，蔡志鹏，谢裕生译，科学出版社，1981,5. 〔2〕刘纯一等；光导示踪仪的研制及其在化学工程中的应用，北京化工学院资料， 1981. 7

由实验和理论分析表明 ， 在实际生产中平均停 留时间可由 式计算 ， 在 拉速 为 一 ， 液面高度 为 一 时其误 差 。 中间包 隔墙对停留时 间无 明显影响 。 隔墙的作用 主要是 使流动均匀平稳 ， 减少 了 中间包死 区 ， 有利 于 中 间包 内钢水温 度 和成分 的均匀 化与夹 杂物的上浮 。 钢 包注流采 用保护管浇注 ， 能改善 中间包 内液体流动状况 ， 可 防止注流的二 次 氧化 ， 提 高了铸坯 的质量 。 对中间包 内液体流动观察表 明 ， 即使液面 高度很低时 ， 钢液面上不 会产生 旋 涡 。 因此在浇注末期 ， 只要在钢水 静压力 允许 的条件下 ， 可尽量 减少 中间包 内的残 留钢 水量 ， 而不 必担心 渣子卷入结 晶器 。 从生 产上 使用效果来看 ， 中间包 内钢水 中夹杂物量 比钢 包平 均减少 一 线 ， 这说 明 中间包 有充分时 间允许夹杂物上浮 ， 有利 于钢水 的净化 。 致谢 马钢公司二炼钢厂对水平连铸 中伺 包的取样和试样加工提供 了支持和 帮助 ，特致衷心谢意 。 参 考 文 献 〔 〕 鞭岩 冶金反应工程学 ， 蔡志鹏 ， 谢裕生译 ， 科学 出版社 ， ， 〔 〕 刘 纯一 等 光导示踪 仪 的研制 及其在化学工程 中的应 用 ， 北京化工 学 院 资 料 ， 匀