D0L:10.13374/5.issn1001-053x.2011.s1.006 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 高品质F钢连铸中间包降低残钢量的水模型研究 苑品12)包燕平12)崔衡》张颖华)马咸)季晨曦) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 3)北京科技大学治金工程研究院，北京1000834)河北省首钢迁钢公司，迁安0644045)首钢技术研究院，北京100043 通信作者，E-mail:baoyp@usth.cdu.cn 摘要为解决某钢厂生产高品质F钢中间包死区较大，夹杂物不能充分上浮，浇注结束时残钢量过多等问题，通过中间包 水模拟实验对挡坝结构进行了优化.结果表明：增加挡坝高度，并开向上角度通钢孔，可有效提高钢液向钢液面的运动趋势， 延长钢液运动路径，钢液滞止时间提高12.5%，死区减少36%：浇注结束时部分钢水从通钢孔流出，避免了挡坝间残留大量钢 液而渣全部进人浇注区现象的发生，理论残钢量从9t降到4.5t,金属收得率提高. 关键词F钢；连铸；中间包；水模拟 分类号TF769.4 Water model research on decreasing the casting remnant of high quality IF steel YUAN Pin':a,BAO Yan-ping':a☒，CUI Heng》,ZHANG Ying-hua,MAWe,JⅡChen 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 3)Engineering Research Institute.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 4)Qiangang Corporation of Shougang Group.Qianan 064404.China 5)Shougang Technical Research Institute,Beijing 100043.China Corresponding author,E-mail:baoyp@ustb.edu.en ABSTRACT To solve the problems such as relatively big dead zones,insufficient flotation of inclusions and high casting remnant in tundishes when producing high quality interstitial-free(IF)steel,a series of optimizing measures were practiced in water modeling ex- periments.The results show that the fluid flow manifests an obvious up-ward trend using the high dam with two upward holes,the mini- mum residence time increases by 12.5%.and the dead zone decreases by 36%.In the end of casting,liquid steel can flow out through the holes avoiding a large amount of steel between the dames,the theoretical casting remnant declines from 9 to 4.5t,and the metal yield increases obviously. KEY WORDS interstitial-free steel;continuous casting:tundishes;water modeling 近年来，代表当今世界冲压钢板生产最高水平 um的高品质汽车板生产起着重要作用，而控流装 和发展方向的F钢由于其优良的深冲性能和无时 置的结构和设置又对钢液的流动形态起决定性作 效性，成为一个国家汽车用钢板生产水平的标志. 用2].Koia)等认为挡坝高度在合理范围内增加 我国的F钢生产已具有一定规模，但仍处于初级发 可延长钢水停留时间，促进夹杂物上浮，并可保持浇 展阶段，高质量汽车钢板产量较少，仍以进口为主， 注区稳定，防止卷渣 而且性能不稳定，钢板表面缺陷较多) 目前，汽车外面板成品率从铸坯开始计算仅在 中间包作为连铸生产过程中的最后一个耐火材 40%~50%1.6-),其原因主要是由于非稳态条件下 料容器，合理的钢水流动状态，可有效延长钢水在中 浇注的铸坯不能用于生产汽车面板.有学者指出， 间包内的停留时间，促进夹杂物上浮，均匀钢水温度 生产试验中正常坯大型夹杂物指数为1，尾坯则为 和成分，抑制浇注结束时旋涡卷渣发生趋势，降低残 1.49.因此，中间包浇注结束时，为避免中间包下 钢量，对严格控制钢中非金属夹杂物尺寸小于100 渣造成铸坯夹杂物增加，中间包内必须留有一定量 收稿日期：201108-06
第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 高品质 IF 钢连铸中间包降低残钢量的水模型研究 苑 品1，2) 包燕平1，2) 崔 衡3) 张颖华4) 马 威4) 季晨曦5) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 4) 河北省首钢迁钢公司，迁安 064404 5) 首钢技术研究院，北京 100043 通信作者，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn 摘 要 为解决某钢厂生产高品质 IF 钢中间包死区较大，夹杂物不能充分上浮，浇注结束时残钢量过多等问题，通过中间包 水模拟实验对挡坝结构进行了优化． 结果表明: 增加挡坝高度，并开向上角度通钢孔，可有效提高钢液向钢液面的运动趋势， 延长钢液运动路径，钢液滞止时间提高 12. 5% ，死区减少 36% ; 浇注结束时部分钢水从通钢孔流出，避免了挡坝间残留大量钢 液而渣全部进入浇注区现象的发生，理论残钢量从 9 t 降到 4. 5 t，金属收得率提高． 关键词 IF 钢; 连铸; 中间包; 水模拟 分类号 TF769. 4 Water model research on decreasing the casting remnant of high quality IF steel YUAN Pin1，2) ，BAO Yan-ping1，2) ，CUI Heng3) ，ZHANG Ying-hua4) ，MA Wei 4) ，JI Chen-xi 5) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Engineering Research Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 4) Qiangang Corporation of Shougang Group，Qianan 064404，China 5) Shougang Technical Research Institute，Beijing 100043，China Corresponding author，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn ABSTRACT To solve the problems such as relatively big dead zones，insufficient flotation of inclusions and high casting remnant in tundishes when producing high quality interstitial-free ( IF) steel，a series of optimizing measures were practiced in water modeling experiments． The results show that the fluid flow manifests an obvious up-ward trend using the high dam with two upward holes，the minimum residence time increases by 12. 5% ，and the dead zone decreases by 36% ． In the end of casting，liquid steel can flow out through the holes avoiding a large amount of steel between the dames，the theoretical casting remnant declines from 9 to 4. 5 t，and the metal yield increases obviously． KEY WORDS interstitial-free steel; continuous casting; tundishes; water modeling 收稿日期: 2011--08--06 近年来，代表当今世界冲压钢板生产最高水平 和发展方向的 IF 钢由于其优良的深冲性能和无时 效性，成为一个国家汽车用钢板生产水平的标志． 我国的 IF 钢生产已具有一定规模，但仍处于初级发 展阶段，高质量汽车钢板产量较少，仍以进口为主， 而且性能不稳定，钢板表面缺陷较多［1］． 中间包作为连铸生产过程中的最后一个耐火材 料容器，合理的钢水流动状态，可有效延长钢水在中 间包内的停留时间，促进夹杂物上浮，均匀钢水温度 和成分，抑制浇注结束时旋涡卷渣发生趋势，降低残 钢量，对严格控制钢中非金属夹杂物尺寸小于 100 μm 的高品质汽车板生产起着重要作用，而控流装 置的结构和设置又对钢液的流动形态起决定性作 用［2--4］． Koria ［5］等认为挡坝高度在合理范围内增加 可延长钢水停留时间，促进夹杂物上浮，并可保持浇 注区稳定，防止卷渣． 目前，汽车外面板成品率从铸坯开始计算仅在 40% ～ 50%［1，6--7］，其原因主要是由于非稳态条件下 浇注的铸坯不能用于生产汽车面板． 有学者指出， 生产试验中正常坯大型夹杂物指数为 1，尾坯则为 1. 49 ［7］． 因此，中间包浇注结束时，为避免中间包下 渣造成铸坯夹杂物增加，中间包内必须留有一定量 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.006
2 北京科技大学学报 第33卷 的钢水，使终浇液面高度大于临界卷渣高度，而为优 动黏度，m2s1 化流场设置的较高挡坝则进一步使挡坝间残留钢液 钢液、渣、实验用油和水的物理参数⑨如表2 过多，为降低中间包残钢量带来困难，企业生产成本 所示 增加8-0 表2原型中钢、渣、水和实验用油的物性参数 因此，本实验从改变挡坝结构出发，对挡坝开两 Table 2 Physical properties of steel,slag,water and experimental oil 个具有向上角度的通钢孔，并提高挡坝高度，以优化 动力黏度/运动黏度/ 中间包流场，减少死区，确保高品质F钢连铸坯的 物质 密度/(kgm~3) (Pa-s) (m2s1) 质量，降低浇注结束时中间包残钢量，最大限度地提 钢液(1600℃) 7.00×103 5.6×10-3 0.8×10-6 高钢水收得率，提高中间包非稳态操作水平. 2.7×103w 28.6×10-6 渣(1600℃) 0.15~0.25 2.9×103 229×10-6 1水模拟实验 水(20℃) 1.00×103 1.0×10-3 1.00×10-6 实验用油(20℃)0.88~0.92 一 1.1实验原理 中间包内钢液的流动属于重力作用下的黏性不 根据式(6)，实验用油的运动黏度应在(36~ 可压缩流动，系统只要满足几何相似和动力学相似 286)×10-6m2·s-1之间，实验采用的68#抗磨液压 就能保证模型和原型相似， 油40℃时运动黏度为67.4×10-6m2·s-1,与46#抗 研究表明，不同中间包在湍流流动条件下，湍流 磨液压油(40℃时运动黏度为45.8×10-6m2·s-1) 雷诺数都处于第二自模区域.因此，在模型与原 进行勾兑，使其符合实验的要求 型几何相似的情况下，只要模型和原型的F?准数相 1.2实验方法 等，就能保证原型与模型的相似.即 流场优化实验通过刺激一响应原理，待中间包 型=原型 Fr=- (1) 模型原型 液面平稳后，在中间包入口处脉冲注入含定量墨汁 由此计算出模型对应于原型的体积流量和流速为： 的250L饱和KCl溶液，同时在出水口处采集数 Q。=Q原型A25 (2) 据，并用高速摄像机对示踪剂在中间包内的运动进 "使型=”原型AQ5 (3) 行录像.对采集的实验数据进行分析，可直接得 式中：Fr为Froude准数：u为流体速度，ms';g为 到最小停留时间和峰值时间，还可得到各流体微元 重力加速度，m2·s；1为特征长度，m:Q为体积流 在中间包的实际平均停留时间t·根据修正混合理 量，m3h:入为几何相似比. 论模型2一)，得到中间包内死区体积比V,活塞区 本实验以某钢厂60t二流板坯连铸中间包为原 体积比V。,全混区体积比V。 型，建立相似比入=0.4的水模型，具体实验参数见 降注余实验是按照1：2.5的比例，在模型中间 表1. 包的液面上均匀地平铺一层厚度20mm润滑油，待 中间包液面稳定时，停止从长水口供水，中间包液位 表1原型和模型的主要工艺参数 Table 1 Characteristic parameters of prototype and model tundishes 开始下降，同时用摄像机对液位下降过程中的油水界 面进行录像，观察中间包浇注结束时的非稳态操作 工作液面 单流水口流量/流间距/ 长水口浸入 参数 高度/mm (m3.h-1) mm 深度/mm 1.3实验方案 原型 900 28.54 6420 250 图1为中间包及挡坝结构图.中间包原挡坝高 模型 360 2.85 2568 100 200mm,见图1(b);改进挡坝设置上倾角为15°，直 径为75mm的两导流孔，高度为220mm,见图1 实验采用抗磨润滑油来模拟中间包的覆盖剂， (c);挡坝进一步加高为270mm,见图1(d). 通过量纲为1化分析可知模拟所用介质应满足如下 条件9-10： 2实验结果分析 Bing/pee=poil /Mwe (4) 2.1降低残钢量实验分析 Paag/pae=Pa/paer (5) 中间包使用3种不同结构挡坝浇注结束时的水 式(4)除以式(5)，得 油界面图如图2所示. Vslag /V seel =Voil /Vwater (6) 中间包使用原结构挡坝，钢液面降到挡坝上檐 式中：u为动力黏度，Pasp为密度，kgm-3;v为运 时，由于剪切力⑧的作用，渣首先被推离挡坝，向浇
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 的钢水，使终浇液面高度大于临界卷渣高度，而为优 化流场设置的较高挡坝则进一步使挡坝间残留钢液 过多，为降低中间包残钢量带来困难，企业生产成本 增加［8--10］． 因此，本实验从改变挡坝结构出发，对挡坝开两 个具有向上角度的通钢孔，并提高挡坝高度，以优化 中间包流场，减少死区，确保高品质 IF 钢连铸坯的 质量，降低浇注结束时中间包残钢量，最大限度地提 高钢水收得率，提高中间包非稳态操作水平． 1 水模拟实验 1. 1 实验原理 中间包内钢液的流动属于重力作用下的黏性不 可压缩流动，系统只要满足几何相似和动力学相似 就能保证模型和原型相似． 研究表明，不同中间包在湍流流动条件下，湍流 雷诺数都处于第二自模区域［11］． 因此，在模型与原 型几何相似的情况下，只要模型和原型的 Fr 准数相 等，就能保证原型与模型的相似． 即 Fr = v 2 模型 gl模型 = v 2 原型 gl原型 ( 1) 由此计算出模型对应于原型的体积流量和流速为: Qm = Q原型λ2. 5 ( 2) v模型 = v原型λ0. 5 ( 3) 式中: Fr 为 Froude 准数; v 为流体速度，m·s － 1 ; g 为 重力加速度，m2 ·s － 1 ; l 为特征长度，m; Q 为体积流 量，m3 ·h － 1 ; λ 为几何相似比． 本实验以某钢厂 60 t 二流板坯连铸中间包为原 型，建立相似比 λ = 0. 4 的水模型，具体实验参数见 表 1． 表 1 原型和模型的主要工艺参数 Table 1 Characteristic parameters of prototype and model tundishes 参数 工作液面 高度/mm 单流水口流量/ ( m3 ·h － 1 ) 流间距/ mm 长水口浸入 深度/mm 原型 900 28. 54 6 420 250 模型 360 2. 85 2 568 100 实验采用抗磨润滑油来模拟中间包的覆盖剂， 通过量纲为 1 化分析可知模拟所用介质应满足如下 条件［9--10］: μslag /μsteel = μoil /μwater ( 4) ρslag /ρsteel = ρoil /ρwater ( 5) 式( 4) 除以式( 5) ，得 νslag /νsteel = νoil /νwater ( 6) 式中: μ 为动力黏度，Pa·s; ρ 为密度，kg·m － 3 ; ν 为运 动黏度，m2 ·s － 1 ． 钢液、渣、实验用油和水的物理参数［9］如表 2 所示． 表 2 原型中钢、渣、水和实验用油的物性参数 Table 2 Physical properties of steel，slag，water and experimental oil 物质 密度/( kg·m － 3 ) 动力黏度/ ( Pa·s) 运动黏度/ ( m2 ·s － 1 ) 钢液( 1 600 ℃ ) 7. 00 × 103 5. 6 × 10 － 3 0. 8 × 10 － 6 渣( 1 600 ℃ ) 2. 7 × 103 ～ 2. 9 × 103 0. 15 ～ 0. 25 28. 6 × 10 － 6 ～ 229 × 10 － 6 水( 20 ℃ ) 1. 00 × 103 1. 0 × 10 － 3 1. 00 × 10 － 6 实验用油( 20 ℃ ) 0. 88 ～ 0. 92 — — 根据式( 6) ，实验用油的运动黏度应在( 36 ～ 286) × 10 － 6 m2 ·s － 1 之间，实验采用的 68#抗磨液压 油 40 ℃时运动黏度为 67. 4 × 10 － 6 m2 ·s － 1 ，与 46#抗 磨液压油( 40 ℃时运动黏度为 45. 8 × 10 － 6 m2 ·s － 1 ) 进行勾兑，使其符合实验的要求． 1. 2 实验方法 流场优化实验通过刺激--响应原理，待中间包 液面平稳后，在中间包入口处脉冲注入含定量墨汁 的 250 mL 饱和 KCl 溶液，同时在出水口处采集数 据，并用高速摄像机对示踪剂在中间包内的运动进 行录像． 对采集的实验数据进行分析［11］，可直接得 到最小停留时间和峰值时间，还可得到各流体微元 在中间包的实际平均停留时间 tav ． 根据修正混合理 论模型［12--13］，得到中间包内死区体积比 Vd，活塞区 体积比 Vp，全混区体积比 Vm ． 降注余实验是按照 1∶ 2. 5 的比例，在模型中间 包的液面上均匀地平铺一层厚度 20 mm 润滑油，待 中间包液面稳定时，停止从长水口供水，中间包液位 开始下降，同时用摄像机对液位下降过程中的油水界 面进行录像，观察中间包浇注结束时的非稳态操作． 1. 3 实验方案 图 1 为中间包及挡坝结构图． 中间包原挡坝高 200 mm，见图 1( b) ; 改进挡坝设置上倾角为 15°，直 径为 75 mm 的两导流孔，高度为 220 mm，见图 1 ( c) ; 挡坝进一步加高为 270 mm，见图 1( d) ． 2 实验结果分析 2. 1 降低残钢量实验分析 中间包使用 3 种不同结构挡坝浇注结束时的水 油界面图如图 2 所示． 中间包使用原结构挡坝，钢液面降到挡坝上檐 时，由于剪切力［8］的作用，渣首先被推离挡坝，向浇 ·2·
增刊1 苑品等：高品质F钢连铸中间包降低残钢量的水模型研究 ·3 (a) (b) 塞棒 B长水口 挡坝 湍流抑制器 d 260 260 75 图1中间包及挡坝结构图（单位：mm).(a)原中间包整体结构：(b)原挡坝：(c)A方案挡坝：(d)B方案挡坝 Fig.1 Schematics of the tundish and dam unit:mm).a)original tundish;(b)original dame;(c)Project A:d)Project B (b) 图2不同结构挡坝中间包水油界面.(a)原挡坝：(b)A方案挡坝：(c)B方案挡坝 Fig.2 Interface between water and oil in tundishes with different dames.(a)original dame:(b)Project A:(c)Project B 注区运动，形成较厚的渣层.在没有外界因素干扰 留有一定厚度渣层，残留钢水少，且浇注区渣层较薄. 时，科氏力作用比较明显，规则的中心水口条件下， 由于塞棒对汇流漩涡有明显的抑制作用，各 流体运动是对称的，这就使得表面流体在下降过程 种挡坝情况下浇注区均没有出现贯通漩涡；中间包 中切向速度能够充分发展，漩涡易形成，引起卷渣： 使用不同结构挡坝时，在浇注区出现“活动”渣滴的 而两挡坝间渣变薄，甚至裸露出液面，形成冷钢，钢 高度均不大于浇注区凹坑处的高度(200mm).因 液不能流向浇注区，造成大量残钢 此，以此处为计算基准，根据中间包几何尺寸，进行 挡坝加高并开孔后，钢液面降到挡坝上檐时，由 理论残钢量计算，结果见表3 于部分钢液可从通钢孔流出，渣没有全部流向浇注 表3中间包使用不同挡坝时的残钢量情况 区；通钢孔流出钢液向中间包水口处流动，破坏了表 Table 3 Situation of remnant in tundishes with different dames 面钢液的切向流动，切向速度受到抑制，漩涡发 挡坝组合方案 理论残钢量： 两挡坝间渣厚/mm 展较晚，不易发生卷渣：但钢液面降到开孔上檐时， 原挡坝 9.165 3 挡坝后钢渣界面波动较大，钢水带着渣直接流向浇 A方案 4.470 15 注区，易形成卷渣：但整体效果较原挡坝好，挡坝间 B方案 4.470 25
增刊 1 苑 品等: 高品质 IF 钢连铸中间包降低残钢量的水模型研究 图 1 中间包及挡坝结构图 ( 单位: mm) . ( a) 原中间包整体结构; ( b) 原挡坝; ( c) A 方案挡坝; ( d) B 方案挡坝 Fig． 1 Schematics of the tundish and dam ( unit: mm) . ( a) original tundish; ( b) original dame; ( c) Project A; ( d) Project B 图 2 不同结构挡坝中间包水油界面． ( a) 原挡坝; ( b) A 方案挡坝; ( c) B 方案挡坝 Fig． 2 Interface between water and oil in tundishes with different dames． ( a) original dame; ( b) Project A; ( c) Project B 注区运动，形成较厚的渣层． 在没有外界因素干扰 时，科氏力作用比较明显，规则的中心水口条件下， 流体运动是对称的，这就使得表面流体在下降过程 中切向速度能够充分发展，漩涡易形成，引起卷渣; 而两挡坝间渣变薄，甚至裸露出液面，形成冷钢，钢 液不能流向浇注区，造成大量残钢． 挡坝加高并开孔后，钢液面降到挡坝上檐时，由 于部分钢液可从通钢孔流出，渣没有全部流向浇注 区; 通钢孔流出钢液向中间包水口处流动，破坏了表 面钢液的切向流动［14］，切向速度受到抑制，漩涡发 展较晚，不易发生卷渣; 但钢液面降到开孔上檐时， 挡坝后钢渣界面波动较大，钢水带着渣直接流向浇 注区，易形成卷渣; 但整体效果较原挡坝好，挡坝间 留有一定厚度渣层，残留钢水少，且浇注区渣层较薄． 由于塞棒对汇流漩涡有明显的抑制作用［15］，各 种挡坝情况下浇注区均没有出现贯通漩涡; 中间包 使用不同结构挡坝时，在浇注区出现“活动”渣滴的 高度均不大于浇注区凹坑处的高度( 200 mm) ． 因 此，以此处为计算基准，根据中间包几何尺寸，进行 理论残钢量计算，结果见表 3． 表 3 中间包使用不同挡坝时的残钢量情况 Table 3 Situation of remnant in tundishes with different dames 挡坝组合方案 理论残钢量/t 两挡坝间渣厚/mm 原挡坝 9. 165 3 A 方案 4. 470 15 B 方案 4. 470 25 ·3·
4* 北京科技大学学报 第33卷 B方案挡坝较A方案挡坝加高50mm,浇注结 坏稳态浇注时的中间包流场为前提，因此对开孔挡 束时两挡坝间残留钢渣量相对A方案较多，能有效 坝的稳态流场进行实验模拟. 防止浇注区渣层增厚引起的卷渣现象.综合考虑，B 由于中间包结构对称，故选取单流实验数据进 方案降低残钢量效果显著 行分析，不同结构挡坝中间包流场指标见表4，流场 2.2流场优化分析 显示见图3. 降低中间包浇注结束时的残钢量，必须以不破 表4中间包不同挡坝结构流场指标 Table 4 Effect of dam height and holes on the residence time 挡坝结构 滞止时间/s 蜂值时间/s 平均停留时间/s 死区体积比/% 活塞区体积比/%全混区体积比/% 原挡坝结构 57 190 264.0 11.5 43.3 45.2 A方案 41.7 189 272.7 8.7 38.6 52.7 B方案 64.15 185 275.6 7.7 42.1 20.2 向浇注区左上角，此区钢液混合不充分，易形成温度 分层区 中间包采用高220mm开孔挡坝时，部分钢液从 孔中流出，挡坝后死区明显减少，挡坝高度增加使平 均停留时间延长；但由于挡坝高度变化不大，对钢液 的提升作用不明显，钢液仍难以贴近浇注区钢液面 流动，且滞止时间缩短 开孔挡坝高度增加到270mm时，中间包流场效 果最理想，挡坝两侧开孔，避免挡坝高度增加造成其 后死区过大，且有上扬角度，使通过钢液获得向上运 动趋势，不会形成短路流直接流向出水口；钢液流经 挡坝时向上运动趋势已有所衰减，较高挡坝恰好可 对钢液起到提升作用，使流经钢液沿钢液面运动，对 夹杂物在浇注区的进一步上浮去除起到了促进作 用，新旧钢液在浇注区混合较充分，温度均匀. 3结论 (1)中间包原挡坝无通钢孔，高度较低，流经挡 坝钢液向钢液面运动趋势不明显，挡坝后及浇注区 存在较大死区，钢液停留时间较短，夹杂物得不到充 分上浮去除；浇注结束时两挡坝间残钢量过多，渣全 部进入浇注区，易发生卷渣 (2)中间包挡坝高度增加并开向上角度通钢孔 后，钢液向钢液面运动趋势增大，钢液停留时间延 长，浇注区新旧钢液能得到有效混合，挡坝后死区基 图3不同结构挡坝中间包流场.(a)原挡坝：(b)A方案挡坝 本消失；浇注结束时挡坝间残钢量较少，且留有一定 (c)B方案挡坝 厚度钢渣，可有效防止浇注区渣层增厚，旋涡卷渣发 Fig.3 Fluid flow in tundishes with different dames.a)original dame:(b)Project A:(c)Project B 生高度降低，中间包残钢量大大减少 (3)本实验采取了在挡坝一定高度上开向上角 中间包采用原挡坝时，钢液遇到挡坝向上，夹杂 度圆孔，并提高挡坝高度的方法优化了中间包流场， 物上浮路径缩短，有利于去除：但挡坝后存在明显死 降低了浇注结束时的残钢量，既避免了从挡坝底部 区，且挡坝对钢液抬升作用不大，新注入钢液难以流 开孔钢液直接流出的短路流现象，又活跃了挡坝后
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 B 方案挡坝较 A 方案挡坝加高 50 mm，浇注结 束时两挡坝间残留钢渣量相对 A 方案较多，能有效 防止浇注区渣层增厚引起的卷渣现象． 综合考虑，B 方案降低残钢量效果显著． 2. 2 流场优化分析 降低中间包浇注结束时的残钢量，必须以不破 坏稳态浇注时的中间包流场为前提，因此对开孔挡 坝的稳态流场进行实验模拟． 由于中间包结构对称，故选取单流实验数据进 行分析，不同结构挡坝中间包流场指标见表 4，流场 显示见图 3． 表 4 中间包不同挡坝结构流场指标 Table 4 Effect of dam height and holes on the residence time 挡坝结构 滞止时间/s 峰值时间/s 平均停留时间/s 死区体积比/% 活塞区体积比/% 全混区体积比/% 原挡坝结构 57 190 264. 0 11. 5 43. 3 45. 2 A 方案 41. 7 189 272. 7 8. 7 38. 6 52. 7 B 方案 64. 15 185 275. 6 7. 7 42. 1 20. 2 图 3 不同结构挡坝中间包流场． ( a) 原挡坝; ( b) A 方案挡坝; ( c) B 方案挡坝 Fig． 3 Fluid flow in tundishes with different dames． ( a) original dame; ( b) Project A; ( c) Project B 中间包采用原挡坝时，钢液遇到挡坝向上，夹杂 物上浮路径缩短，有利于去除; 但挡坝后存在明显死 区，且挡坝对钢液抬升作用不大，新注入钢液难以流 向浇注区左上角，此区钢液混合不充分，易形成温度 分层区． 中间包采用高 220 mm 开孔挡坝时，部分钢液从 孔中流出，挡坝后死区明显减少，挡坝高度增加使平 均停留时间延长; 但由于挡坝高度变化不大，对钢液 的提升作用不明显，钢液仍难以贴近浇注区钢液面 流动，且滞止时间缩短． 开孔挡坝高度增加到 270 mm 时，中间包流场效 果最理想，挡坝两侧开孔，避免挡坝高度增加造成其 后死区过大，且有上扬角度，使通过钢液获得向上运 动趋势，不会形成短路流直接流向出水口; 钢液流经 挡坝时向上运动趋势已有所衰减，较高挡坝恰好可 对钢液起到提升作用，使流经钢液沿钢液面运动，对 夹杂物在浇注区的进一步上浮去除起到了促进作 用，新旧钢液在浇注区混合较充分，温度均匀． 3 结论 ( 1) 中间包原挡坝无通钢孔，高度较低，流经挡 坝钢液向钢液面运动趋势不明显，挡坝后及浇注区 存在较大死区，钢液停留时间较短，夹杂物得不到充 分上浮去除; 浇注结束时两挡坝间残钢量过多，渣全 部进入浇注区，易发生卷渣． ( 2) 中间包挡坝高度增加并开向上角度通钢孔 后，钢液向钢液面运动趋势增大，钢液停留时间延 长，浇注区新旧钢液能得到有效混合，挡坝后死区基 本消失; 浇注结束时挡坝间残钢量较少，且留有一定 厚度钢渣，可有效防止浇注区渣层增厚，旋涡卷渣发 生高度降低，中间包残钢量大大减少． ( 3) 本实验采取了在挡坝一定高度上开向上角 度圆孔，并提高挡坝高度的方法优化了中间包流场， 降低了浇注结束时的残钢量，既避免了从挡坝底部 开孔钢液直接流出的短路流现象，又活跃了挡坝后 ·4·
增刊1 苑品等：高品质F钢连铸中间包降低残钢量的水模型研究 ·5 死区，解决了挡坝高度增加使挡坝间残钢量过多的 173 问题，提高了连铸非稳态浇注水平，对高品质F钢 (包燕平.高品质深冲钢的关键治金技术/品种钢连铸坯质 量控制技术研讨会.本溪，2008：150) 的连铸生产具有指导意义 [8]Yang X R.Chen C F.Ni H W.et al.Hydraulic model research on the slag involved in the mould of slab CC and influencing fac- 参考文献 tors.J Wuhan Unir Sci Technol Nat Sci Ed,2004,27(1):4. [1]Ren Z P.Control of Chemical Composition and Inclusion in IF steel (杨小容，陈崇蜂，倪红卫，等.板坯连铸中间包下渣量及影响 [Dissertation].Shenyang:Northeastern University,2006:40 因素水模型研究.武汉科技大学学报：自然科学版，2004,27 (任子平.F钢中成分及夹杂物的过程控制研究[学位论文]. (1):4) 沈阳：东北大学，2006：40) [9]Lin R,Yan Z G.Liu T.et al.Modeling formation mechanism of [2]Zhang C J.Zhao T C.Ai L Q.Mathematical simulation of steel vortex during steel casting in a 60 t ladle.Chin Process Eng. flow and trajectory of inclusions in FTSC tundish.J Unir Sci Tech- 2010,10(4):655 nol Beijing,2006,28(11):1014 (蔺瑞，颜正国，刘涛，等.60t钢包浇注过程中汇流旋涡形成 (张彩军，赵铁成，艾立群.TSC薄板坯连铸中间包内流场及 机理.过程工程学报，2010,10(4)：655) 夹杂物运动轨迹的数值模拟.北京科技大学学报，2006,28 [10]Chen Z P.Study on the control of Continuous Casting Slab Quali- (11):1014) ty under Unsteady Casting Conditions [Dissertation].Shenyang: [3]Tang H Y.Yu M.Li J S,et al.Numerical and physical simula- Northeastern University.2008:30 tion on inner structure optimization of a continuous casting tundish (陈志平.非稳态浇铸条件下连铸板坯质量控制研究.沈阳： and its metallurgical effect.J Univ Sci Technol Beijing,2009.31 东北大学，2008：30) Suppl 1):38 [11]Wang JJ.Bao Y P.Qu Y.Metallurgy of tundish.Beijing:Met- (唐海燕，于满，李京社，等.连铸中间包内部结构优化的数理 allurgical Industry Press.2001:27 模拟及冶金效果.北京科技大学学报，2009,31(Suppl1): (王建军，包燕平，曲英.中间包治金学.北京：治金工业出 38) 版社，2001：27) [4]Ruan X J.Li JS.Wang J B.et al.Optimizing of tundish struc- [12]Sahai Y.Ahuja R.Fluid flow and mixing of melt in steelmaking ture in Xingcheng Special Steel.J Unir Sci Technol Beijing. tundishes.Ironmaking Steelmaking.1986.13(5):241 2007,29(Suppl1):138 [13]Sahai Y.Emi T.Melt flow characterization in continuous casting (阮小江，李京社，王剑斌.等.兴澄特钢中间包结构优化.北 tundishes.IS/J Int.1996,36(6):667 京科技大学学报，2007,29(Suppl1)：138) [14]Lin R.Yan Z G.Yu J K.Physical modeling test of vortex during [5]Koria S C.Singh S.Physical modeling of the effects of the flow teeming from ladle.J Northeast Unig Nat Sci.2010.31(9): modifier on the dynamics of molten steel flowing in a tundish./S// 1287 nt.1994,34(10):784 (蔺瑞，颜正国，于景坤.钢包浇注过程汇流旋涡的物理实 [6]Cui H.Yue F.Bao Y P.et al.Study on cleanliness of IF steel 验.东北大学学报：自然科学版，2010,31(9)：1287) first slab.Iron Steel,2010,45(3):38 [15]Lu W J.Wang T Y.Technology for preventing slag into liquid (雀衡，岳峰，包燕平，等.F钢连铸头坯洁净度研究.钢铁， steel in the casting process.Sci Technol Baotou Steel Group Corp. 2010.45(3):38) 2001,27(Suppl1):48 [7]Bao Y P.The key metallurgy technology of high quality deep draw- (吕文璟，王天瑶.浇注过程中的防下渣技术.包钢科技， ing steel//Proceedings of High Quality Steel.Benxi,2008:150- 2001,27(Suppl1):48)
增刊 1 苑 品等: 高品质 IF 钢连铸中间包降低残钢量的水模型研究 死区，解决了挡坝高度增加使挡坝间残钢量过多的 问题，提高了连铸非稳态浇注水平，对高品质 IF 钢 的连铸生产具有指导意义． 参 考 文 献 ［1］ Ren Z P． Control of Chemical Composition and Inclusion in IF steel ［Dissertation］． Shenyang: Northeastern University，2006: 40 ( 任子平． IF 钢中成分及夹杂物的过程控制研究［学位论文］． 沈阳: 东北大学，2006: 40) ［2］ Zhang C J，Zhao T C，Ai L Q． Mathematical simulation of steel flow and trajectory of inclusions in FTSC tundish． J Univ Sci Technol Beijing，2006，28( 11) : 1014 ( 张彩军，赵铁成，艾立群． FTSC 薄板坯连铸中间包内流场及 夹杂物运动轨迹的数值模拟． 北京科技大学学报，2006，28 ( 11) : 1014) ［3］ Tang H Y，Yu M，Li J S，et al． Numerical and physical simulation on inner structure optimization of a continuous casting tundish and its metallurgical effect． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31 ( Suppl 1) : 38 ( 唐海燕，于满，李京社，等． 连铸中间包内部结构优化的数理 模拟及冶金效果． 北京科技大学学报，2009，31 ( Suppl 1) : 38) ［4］ Ruan X J，Li J S，Wang J B，et al． Optimizing of tundish structure in Xingcheng Special Steel． J Univ Sci Technol Beijing， 2007，29( Suppl 1) : 138 ( 阮小江，李京社，王剑斌，等． 兴澄特钢中间包结构优化． 北 京科技大学学报，2007，29( Suppl 1) : 138) ［5］ Koria S C，Singh S． Physical modeling of the effects of the flow modifier on the dynamics of molten steel flowing in a tundish． ISIJ Int，1994，34( 10) : 784 ［6］ Cui H，Yue F，Bao Y P，et al． Study on cleanliness of IF steel first slab． Iron Steel，2010，45( 3) : 38 ( 崔衡，岳峰，包燕平，等． IF 钢连铸头坯洁净度研究． 钢铁， 2010，45( 3) : 38) ［7］ Bao Y P． The key metallurgy technology of high quality deep drawing steel / /Proceedings of High Quality Steel． Benxi，2008: 150- 173 ( 包燕平． 高品质深冲钢的关键冶金技术/ /品种钢连铸坯质 量控制技术研讨会． 本溪，2008: 150) ［8］ Yang X R，Chen C F，Ni H W，et al． Hydraulic model research on the slag involved in the mould of slab CC and influencing factors． J Wuhan Univ Sci Technol Nat Sci Ed，2004，27( 1) : 4． ( 杨小容，陈崇峰，倪红卫，等． 板坯连铸中间包下渣量及影响 因素水模型研究． 武汉科技大学学报: 自然科学版，2004，27 ( 1) : 4) ［9］ Lin R，Yan Z G，Liu T，et al． Modeling formation mechanism of vortex during steel casting in a 60 t ladle． Chin J Process Eng， 2010，10( 4) : 655 ( 蔺瑞，颜正国，刘涛，等． 60 t 钢包浇注过程中汇流旋涡形成 机理． 过程工程学报，2010，10( 4) : 655) ［10］ Chen Z P． Study on the control of Continuous Casting Slab Quality under Unsteady Casting Conditions［Dissertation］． Shenyang: Northeastern University，2008: 30 ( 陈志平． 非稳态浇铸条件下连铸板坯质量控制研究． 沈阳: 东北大学，2008: 30) ［11］ Wang J J，Bao Y P，Qu Y． Metallurgy of tundish． Beijing: Metallurgical Industry Press，2001: 27 ( 王建军，包燕平，曲英． 中间包冶金学． 北京: 冶金工业出 版社，2001: 27) ［12］ Sahai Y，Ahuja R． Fluid flow and mixing of melt in steelmaking tundishes． Ironmaking Steelmaking，1986，13( 5) : 241 ［13］ Sahai Y，Emi T． Melt flow characterization in continuous casting tundishes． ISIJ Int，1996，36( 6) : 667 ［14］ Lin R，Yan Z G，Yu J K． Physical modeling test of vortex during teeming from ladle． J Northeast Univ Nat Sci，2010，31 ( 9 ) : 1287 ( 蔺瑞，颜正国，于景坤． 钢包浇注过程汇流旋涡的物理实 验． 东北大学学报: 自然科学版，2010，31( 9) : 1287) ［15］ Lü W J，Wang T Y． Technology for preventing slag into liquid steel in the casting process． Sci Technol Baotou Steel Group Corp， 2001，27( Suppl 1) : 48 ( 吕文璟，王天瑶． 浇注过程中的防下渣技术． 包钢科技， 2001，27( Suppl 1) : 48) ·5·