40t单流中间包控流装置的优化配置

工程科学学报，第37卷，第3期：373-377,2015年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.3:373-377,March 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.03.017:http://journals.ustb.edu.cn 40t单流中间包控流装置的优化配置 赵立华)四，王敏2》，李宁) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhaolihua@metall..usth.edu.cn 摘要采用水模型和工业验证的方法针对40：单流中间包的控流装置进行优化配置研究.通过对单独湍流抑制器控流装 置、湍流抑制器+下挡墙组合控流装置、湍流抑制器+下挡墙+上挡墙组合控流装置的研究表明，下挡墙在改善钢液流动形 态和减少中间包内死区方面所起的作用大于上挡墙.平均停留时间随下挡墙与长水口的距离增加呈先增大后减小的趋势. 确定了单流中间包以湍流抑制器+下挡墙的优化组合形式，死区比例由原来的25.9%降低到了13.6%.通过系统取样分析 发现优化后中间包内T.0和N含量大幅降低，正常坯中的大型夹杂物质量分数也由原来的8.4×10”降低到3.2×107 关键词中间包：控流装置：优化：液流：夹杂物去除 分类号TF769 Optimization of flow control devices in a 40-t single strand tundish ZHAO Li-hua,WANG Min2,LI Ning 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhaolihua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT An optimization of flow control devices in a 40-single strand continuous casting tundish was carried out by water mod- eling experiments and industrial experiments.Three cases were considered during the experiments,i.e,tundish equipped with a turbulence inhibitor,tundish equipped with a turbulence inhibitor and dams,and tundish equipped with a turbulence inhibitor,dams and weirs.The results show that the dams play a much more important role than the weirs in improving the fluid flow characteristics and decreasing the dead volume fraction in the tundish.The average residence time increases firstly and reduces afterward with increasing distance between the dam and nozzle.The tundish equipped with a turbulence inhibitor and dams is the optimized according to these results,and the dead volume fraction reduces to 13.6%from 25.9%.The results of industrial application shows that the T.O and N contents reduce greatly and the mass fraction of macro inclusions in normal slabs reduced to 3.2 x10-7 from 8.4x10-7. KEY WORDS tundishes:flow control devices;optimization:fluid flow:inclusions removal 中间包既是浇钢过程的缓冲容器，又起着均匀钢 中间包、湍流抑制器控流中间包、挡墙+湍流抑制器的 液温度、成分和去除钢中非金属夹杂物（尤其是大颗 组合配置，结果表明中间包内设置湍流抑制器和挡墙 粒夹杂物)的作用.合理的中间包控流装置（如湍流抑 对钢液流场改善和夹杂物去除的效果明显.Dig等 制器、上挡墙（堰）和下挡墙（坝）)设置，可以起到改流 建立了单流中间包的数学模型和物理模型，并评估了 场，促进夹杂物上浮去除的作用 不同方案下的停留时间分布(RTD)曲线、钢液流场和 针对控流装置的设置优化，前人做了许多此方面 浓度场，认为合理的中间包控流装置配置可以改善包 的研究：Liu等通过水模型实验研究了无控流装置 内的钢液流动特征.Moumtez等切利用商业软件 收稿日期：2014-09-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404022)

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期: 373--377，2015 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 3: 373--377，March 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 03． 017; http: / /journals． ustb． edu． cn 40 t 单流中间包控流装置的优化配置 赵立华1) ，王 敏2) ，李 宁1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: zhaolihua@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 采用水模型和工业验证的方法针对 40 t 单流中间包的控流装置进行优化配置研究． 通过对单独湍流抑制器控流装 置、湍流抑制器 + 下挡墙组合控流装置、湍流抑制器 + 下挡墙 + 上挡墙组合控流装置的研究表明，下挡墙在改善钢液流动形 态和减少中间包内死区方面所起的作用大于上挡墙． 平均停留时间随下挡墙与长水口的距离增加呈先增大后减小的趋势． 确定了单流中间包以湍流抑制器 + 下挡墙的优化组合形式，死区比例由原来的 25. 9% 降低到了 13. 6% ． 通过系统取样分析 发现优化后中间包内 T． O 和 N 含量大幅降低，正常坯中的大型夹杂物质量分数也由原来的 8. 4 × 10 － 7降低到 3. 2 × 10 － 7 ． 关键词 中间包; 控流装置; 优化; 液流; 夹杂物去除 分类号 TF769 Optimization of flow control devices in a 40-t single strand tundish ZHAO Li-hua1)  ，WANG Min2) ，LI Ning1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zhaolihua@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT An optimization of flow control devices in a 40-t single strand continuous casting tundish was carried out by water mod￾eling experiments and industrial experiments． Three cases were considered during the experiments，i． e，tundish equipped with a turbulence inhibitor，tundish equipped with a turbulence inhibitor and dams，and tundish equipped with a turbulence inhibitor，dams and weirs． The results show that the dams play a much more important role than the weirs in improving the fluid flow characteristics and decreasing the dead volume fraction in the tundish． The average residence time increases firstly and reduces afterward with increasing distance between the dam and nozzle． The tundish equipped with a turbulence inhibitor and dams is the optimized according to these results，and the dead volume fraction reduces to 13. 6% from 25. 9% ． The results of industrial application shows that the T． O and N contents reduce greatly and the mass fraction of macro inclusions in normal slabs reduced to 3. 2 × 10 － 7 from 8. 4 × 10 － 7 ． KEY WOＲDS tundishes; flow control devices; optimization; fluid flow; inclusions removal 收稿日期: 2014--09--23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51404022) 中间包既是浇钢过程的缓冲容器，又起着均匀钢 液温度、成分和去除钢中非金属夹杂物( 尤其是大颗 粒夹杂物) 的作用． 合理的中间包控流装置( 如湍流抑 制器、上挡墙( 堰) 和下挡墙( 坝) ) 设置，可以起到改流 场，促进夹杂物上浮去除的作用［1--4］． 针对控流装置的设置优化，前人做了许多此方面 的研究: Liu 等［5］通过水模型实验研究了无控流装置 中间包、湍流抑制器控流中间包、挡墙 + 湍流抑制器的 组合配置，结果表明中间包内设置湍流抑制器和挡墙 对钢液流场改善和夹杂物去除的效果明显． Ding 等［6］ 建立了单流中间包的数学模型和物理模型，并评估了 不同方案下的停留时间分布( ＲTD) 曲线、钢液流场和 浓度场，认为合理的中间包控流装置配置可以改善包 内的 钢 液 流 动 特 征． Moumtez 等［7］ 利 用 商 业 软 件

·374· 工程科学学报，第37卷，第3期 FLUENT6.0研究了三种不同控流装置配置的中间包 水模型系统，通过计算发现原型和模型的R数分别 (无控流装置中间包、上挡墙控流以及上挡墙+下挡 为5.4×10和3.5×10，均大于第二临界值，流体流 墙组合控流装置)，结果表明，配置有上、下挡墙的中 动处于自模化状态.因此只需保证原型和模型的F 间包是最优方案.Chem等图认为单流中间包下挡墙 数相等就可以保证原型与模型流动过程的动力学相 的位置和高度对包内流场的影响更为重要.Zhang 似时，就可以得到实验过程模型与原型的流量之间 等回通过数值模拟和水模型实验的方法研究了单流中 的关系： 间包上、下挡墙等控流装置的配置，发现配置有附带两 Qy=A250p (1) 个通孔的下挡墙的中间包具有更加均匀的包底流场. 式中：Qu和Qp分别为模型和原型的流量，L·min:入 合理设置中间包控流装置对于改善流场的作用，学者 为相似比，此处相似比为0.5.通过水模型系统研究中 已有共识：但学者对于中间包内控流装置的设置观点 间包内部不同控流装置对流场指标的影响规律，为实 不尽相同.尤其针对单流中间包，有的学者认为单独 际生产应用提供指导 的下挡墙即可起到控流作用，有学者则认为需要上、下 针对某钢厂应用的40t单流中间包，分别进行了 挡墙同时设置，也有学者认为需要带孔的挡墙才能更 优化前后的对比分析.选择相同钢种，分别在中间包 好地起到改善流场的作用0-9 取提桶样、铸坯低倍样来分析大型夹杂物含量、T.0和 本文以某厂401单流中间包为原型，建立相似比 N的变化. 1:2的水模型系统，通过水模型的方法研究了稳流器、 1.2实验方案 挡墙和挡坝对40：单流中间包流场特征的影响规律， A厂40！中间包原型目前的控流装置主要为湍流 在此基础上提出了优化方案，并通过现场工业实验进 抑制器与下挡墙的组合，但是下挡墙距离湍流抑制器 行了验证，取得了很好的应用效果. 冲击区较远并接近塞棒位置，实际没有起到对钢液有 效地提升的作用，因此下挡墙的位置需要进一步优化 1实验 为了研究控流装置对流动的影响程度，分别针对无控 1.1实验原理 流装置中间包（无挡墙设置）、原型（湍流抑制器+下 在连铸浇钢过程中，钢液在重力作用下从大包水 挡墙)、多挡墙（湍流抑制器+上挡墙+下挡墙）三种 口流入中间包，然后从中间包水口流出.中间包的水 方案进行了水模型实验，如表1所示.然后进一步在 模型系统需要保证现象和规律的相似性，因此必须满 原型方案的基础上进行不同下挡墙和长水口距离条件 足模型与原型之间的几何和动力学相似.本研究以某 下的水模型实验，并据此得到了合理的下挡墙布置位 钢厂40t单流中间包为原型建立了几何相似比1：2的 置，如表2 表1中间包不同控流装置配置的实验方案 Table I Experimental conditions for different configurations of flow control devices 方案 控流装置配置 评价指标 A 湍流抑制器单独控流 B 原型（湍流抑制器+下挡墙控流） 滞止时间、平均停留时间、死区比例 C 多挡墙（湍流抑制器+上挡墙+下挡墙组合控流） 表2 下挡墙优化实验方案 Table 2 Experimental scheme for the optimization of dams in the 2结果与讨论 tundish 方案 下挡墙高/mm 下挡墙与长水口距离/mm 2.1原型中间包流场指标分析 B 480 2680 不同控流装置配置的实验结果如表3所示.由表 3可知，在无挡墙条件下，滞止时间只有28.3s,说明有 Bl 400 1280 B2 400 1680 钢液流股下冲后沿着包底直接从水口流出形成短路 流，而且平均停留时间仅有207.2s,远小于理论停留 B3 400 2080 时间644.8s,死区比例较大.在中间包内增加了下挡 B4 400 2280 墙后可以明显延长滞止时间和峰值时间，平均停留时 B5 400 2480 间由原来的207.2s提高到477.4s,有较明显的改善 E6 400 2680 对比C方案数据可知，在中间包内存在下挡墙的情况 B7 400 2780 下再增加上挡墙对于流场指标的改善没有明显作用

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 FLUENT 6. 0研究了三种不同控流装置配置的中间包 ( 无控流装置中间包、上挡墙控流以及上挡墙 + 下挡 墙组合控流装置) ，结果表明，配置有上、下挡墙的中 间包是最优方案． Chen 等［8］认为单流中间包下挡墙 的位置 和 高 度 对 包 内 流 场 的 影 响 更 为 重 要． Zhang 等［9］通过数值模拟和水模型实验的方法研究了单流中 间包上、下挡墙等控流装置的配置，发现配置有附带两 个通孔的下挡墙的中间包具有更加均匀的包底流场． 合理设置中间包控流装置对于改善流场的作用，学者 已有共识; 但学者对于中间包内控流装置的设置观点 不尽相同． 尤其针对单流中间包，有的学者认为单独 的下挡墙即可起到控流作用，有学者则认为需要上、下 挡墙同时设置，也有学者认为需要带孔的挡墙才能更 好地起到改善流场的作用［10--14］． 本文以某厂 40 t 单流中间包为原型，建立相似比 1∶ 2的水模型系统，通过水模型的方法研究了稳流器、 挡墙和挡坝对 40 t 单流中间包流场特征的影响规律， 在此基础上提出了优化方案，并通过现场工业实验进 行了验证，取得了很好的应用效果． 1 实验 1. 1 实验原理 在连铸浇钢过程中，钢液在重力作用下从大包水 口流入中间包，然后从中间包水口流出． 中间包的水 模型系统需要保证现象和规律的相似性，因此必须满 足模型与原型之间的几何和动力学相似． 本研究以某 钢厂 40 t 单流中间包为原型建立了几何相似比 1∶ 2的 水模型系统，通过计算发现原型和模型的 Ｒe 数分别 为 5. 4 × 104 和 3. 5 × 105 ，均大于第二临界值，流体流 动处于自模化状态． 因此只需保证原型和模型的 Fr 数相等就可以保证原型与模型流动过程的动力学相 似［15］，就可以得到实验过程模型与原型的流量之间 的关系: QM = λ2. 5QP ． ( 1) 式中: QM和 QP分别为模型和原型的流量，L·min － 1 ; λ 为相似比，此处相似比为 0. 5． 通过水模型系统研究中 间包内部不同控流装置对流场指标的影响规律，为实 际生产应用提供指导． 针对某钢厂应用的 40 t 单流中间包，分别进行了 优化前后的对比分析． 选择相同钢种，分别在中间包 取提桶样、铸坯低倍样来分析大型夹杂物含量、T． O 和 N 的变化． 1. 2 实验方案 A 厂 40 t 中间包原型目前的控流装置主要为湍流 抑制器与下挡墙的组合，但是下挡墙距离湍流抑制器 冲击区较远并接近塞棒位置，实际没有起到对钢液有 效地提升的作用，因此下挡墙的位置需要进一步优化． 为了研究控流装置对流动的影响程度，分别针对无控 流装置中间包( 无挡墙设置) 、原型( 湍流抑制器 + 下 挡墙) 、多挡墙( 湍流抑制器 + 上挡墙 + 下挡墙) 三种 方案进行了水模型实验，如表 1 所示． 然后进一步在 原型方案的基础上进行不同下挡墙和长水口距离条件 下的水模型实验，并据此得到了合理的下挡墙布置位 置，如表 2． 表 1 中间包不同控流装置配置的实验方案 Table 1 Experimental conditions for different configurations of flow control devices 方案 控流装置配置 评价指标 A 湍流抑制器单独控流 B 原型( 湍流抑制器 + 下挡墙控流) 滞止时间、平均停留时间、死区比例 C 多挡墙( 湍流抑制器 + 上挡墙 + 下挡墙组合控流) 表 2 下挡墙优化实验方案 Table 2 Experimental scheme for the optimization of dams in the tundish 方案 下挡墙高/mm 下挡墙与长水口距离/mm B 480 2 680 B1 400 1 280 B2 400 1 680 B3 400 2 080 B4 400 2 280 B5 400 2 480 B6 400 2 680 B7 400 2 780 2 结果与讨论 2. 1 原型中间包流场指标分析 不同控流装置配置的实验结果如表 3 所示． 由表 3 可知，在无挡墙条件下，滞止时间只有 28. 3 s，说明有 钢液流股下冲后沿着包底直接从水口流出形成短路 流，而且平均停留时间仅有 207. 2 s，远小于理论停留 时间 644. 8 s，死区比例较大． 在中间包内增加了下挡 墙后可以明显延长滞止时间和峰值时间，平均停留时 间由原来的 207. 2 s 提高到 477. 4 s，有较明显的改善． 对比 C 方案数据可知，在中间包内存在下挡墙的情况 下再增加上挡墙对于流场指标的改善没有明显作用， · 473 ·

赵立华等：40t单流中间包控流装置的优化配置 375 并且死区比例反而增加了11%，这主要是因为在上挡 墙的后面存在着流动不活跃区域，容易形成死区 对比A、B和C方案可知，对于单流中间包来说， 下挡墙可以极大地改善钢液的流动形态及减少中间包 表3不同控流装置配置的实验结果 内死区，并且其作用远高于上挡墙. Table 3 Experimental results for different configurations of flow control 尽管现有中间包加设下挡墙后钢液流动较无挡墙 devices 有明显改善，但死区比例仍高达25.9%，平均停留时 滞止 蜂值 平均停留 理论停留 死区 方案 间(477.4s)与理论停留时间(644.8s)仍有较大差距， 时间/s 时间/s 时间/s 时间/s 比例/% 有较大的改进空间.通过对原型中间包使用过程的取 A 28.3 34.3 207.2 644.8 67.8 样分析发现，中间包内仍存在较多未上浮去除的大颗 45.0 55.8 477.4 644.8 25.9 粒夹杂物，如图1所示.因此，优化下挡墙的位置对于 44.3 89.0 406.4 644.8 36.9 中间包内钢液流场的改善至关重要 1.6b 1.4 1.2 1.0 0 0.8 0.6 0.4 Fe 0.2 0 23 456 7 89 10 能量keV 图1中间包内大颗粒夹杂物形貌(a)及成分(b) Fig.I Morphology characteristics (a)and composition (b)of macro inclusions in the tundish 2.2下挡墙的优化配置 47.5%,如图2所示 下挡墙优化方案设计的七组方案优化结果如 30 28 表4.固定下挡墙高度为400mm,通过研究不同的下挡 25.9% 26 墙距长水口距离条件下的钢液流动特征及下挡墙对沿 24 22 包底流股的提升效果，得到最佳的挡墙布置位置. 20 芝18 表4下挡墙优化的实验结果 16 13.6% Table 4 Experimental results of the optimization of dams in the tundish 14 12 滞止 蜂值 平均停留 死区 10 方案 时间/s 时间/s 时间/s 比例/% B1 51.8 124.0 315.2 51.1 B2 49.0 56.3 370.4 42.6 原型方案 优化方案 B3 47.0 51.8 372.8 42.2 炉次 B4 48.5 54.5 557.2 13.6 图2优化前后的中间包内死区比例对比 B5 44.3 54.8 410.7 36.3 Fig.2 Comparison of dead volume fraction in the tundish before and B6 45.8 53.0 534.4 17.1 after optimization B7 44.8 57.3 379.1 41.2 2.3优化前后效果验证对比 对比各方案可知，当下挡墙位置与长水口距离大 为了对比中间包结构优化前后的治金效果，选取 于2000mm后，挡墙位置对比滞止时间、峰值时间的影 510L汽车大梁钢为实验钢种，对中间包控流装置优化 响较小.平均停留时间随下挡墙距长水口距离的增加 前和优化后分别取样：中间包内塞棒位置取提桶样一 先增大后减小，最大达到557.2s,此时死区比例达到 个：铸坯开浇炉头坯、连浇炉正常坯分别取样进行氧、 最小的13.59%.因此，合理的下挡墙布置位置应为 氮和大型夹杂物分析.如图3，中间包控流装置优化 B4方案（挡墙高400mm,距离长水口2280mm).优化 后，中间包内钢液洁净度有明显改善，中间包内T.0 方案的死区从原型的25.9%降低到13.6%，降幅达 的质量分数由优化前的52×106降低到35×10-6，降

赵立华等: 40 t 单流中间包控流装置的优化配置 并且死区比例反而增加了 11% ，这主要是因为在上挡 墙的后面存在着流动不活跃区域，容易形成死区． 表 3 不同控流装置配置的实验结果 Table 3 Experimental results for different configurations of flow control devices 方案 滞止 时间/ s 峰值 时间/ s 平均停留 时间/ s 理论停留 时间/ s 死区 比例/% A 28. 3 34. 3 207. 2 644. 8 67. 8 B 45. 0 55. 8 477. 4 644. 8 25. 9 C 44. 3 89. 0 406. 4 644. 8 36. 9 对比 A、B 和 C 方案可知，对于单流中间包来说， 下挡墙可以极大地改善钢液的流动形态及减少中间包 内死区，并且其作用远高于上挡墙． 尽管现有中间包加设下挡墙后钢液流动较无挡墙 有明显改善，但死区比例仍高达 25. 9% ，平均停留时 间( 477. 4 s) 与理论停留时间( 644. 8 s) 仍有较大差距， 有较大的改进空间． 通过对原型中间包使用过程的取 样分析发现，中间包内仍存在较多未上浮去除的大颗 粒夹杂物，如图 1 所示． 因此，优化下挡墙的位置对于 中间包内钢液流场的改善至关重要． 图 1 中间包内大颗粒夹杂物形貌( a) 及成分( b) Fig． 1 Morphology characteristics ( a) and composition ( b) of macro inclusions in the tundish 2. 2 下挡墙的优化配置 下挡墙优化方案设计的七 组 方 案 优 化 结 果 如 表 4． 固定下挡墙高度为 400 mm，通过研究不同的下挡 墙距长水口距离条件下的钢液流动特征及下挡墙对沿 包底流股的提升效果，得到最佳的挡墙布置位置． 表 4 下挡墙优化的实验结果 Table 4 Experimental results of the optimization of dams in the tundish 方案 滞止 时间/ s 峰值 时间/ s 平均停留 时间/ s 死区 比例/% B1 51. 8 124. 0 315. 2 51. 1 B2 49. 0 56. 3 370. 4 42. 6 B3 47. 0 51. 8 372. 8 42. 2 B4 48. 5 54. 5 557. 2 13. 6 B5 44. 3 54. 8 410. 7 36. 3 B6 45. 8 53. 0 534. 4 17. 1 B7 44. 8 57. 3 379. 1 41. 2 对比各方案可知，当下挡墙位置与长水口距离大 于 2 000 mm 后，挡墙位置对比滞止时间、峰值时间的影 响较小． 平均停留时间随下挡墙距长水口距离的增加 先增大后减小，最大达到 557. 2 s，此时死区比例达到 最小的 13. 59% ． 因此，合理的下挡墙布置位置应为 B4 方案( 挡墙高 400 mm，距离长水口 2 280 mm) ． 优化 方案的死区从原型的 25. 9% 降低到 13. 6% ，降幅达 47. 5% ，如图 2 所示． 图 2 优化前后的中间包内死区比例对比 Fig． 2 Comparison of dead volume fraction in the tundish before and after optimization 2. 3 优化前后效果验证对比 为了对比中间包结构优化前后的冶金效果，选取 510 L 汽车大梁钢为实验钢种，对中间包控流装置优化 前和优化后分别取样: 中间包内塞棒位置取提桶样一 个; 铸坯开浇炉头坯、连浇炉正常坯分别取样进行氧、 氮和大型夹杂物分析． 如图 3，中间包控流装置优化 后，中间包内钢液洁净度有明显改善，中间包内 T． O 的质量分数由优化前的 52 × 10 － 6降低到 35 × 10 － 6，降 · 573 ·

·376· 工程科学学报，第37卷，第3期 幅为32.7%，氮的质量分数由35×106降低到 间包内没有得到充分上浮 25×10-6为28.6%，氮含量大幅度降低一方面由于中 60 间包内型结构优化后稳流器上浮注流的冲击区减弱， 52 ☑T.0 二次氧化减弱而降低，另一方面保护浇注的控制也起 ☐N 50 到关键作用. 中间包结构优化前后铸坯中大颗粒夹杂物分级对 40 35 35 比如表5.结果表明，开浇炉的大型夹杂物质量分数由 30 优化前的14.7×10-7降低到13.8×10-，开浇炉由于 25 开浇过程存在较多非稳态因素和二次氧化，因此挡墙 优化的效果体现得不明显.连浇炉正常坯的大型夹杂 0 物质量分数则由优化前的8.4×107降低到 3.2×10”,降幅达到62%.可见，优化后的挡墙对中 优化前 优化后 间包在高液位稳态浇注过程中大颗粒夹杂物的去除有 图3优化前后的中间包氧、氮含量对比 明显的改善作用.大颗粒夹杂物的典型形貌如图4，主 Fig.3 Comparison of the T.O and N contents in the tundish before 要为球形含Ca0-SiO,-AL,0,-Mn0复合夹杂物，在中 and after optimization 表5铸坯中大颗粒夹杂物分级表 Table 5 Classification of macro-inclusions in slabs 夹杂物质量 不同粒径夹杂物质量分数107 样品 炉次 分数/101 80~140μm 140~300μm >300μm 头坯 14.70 0.4 2.2 优化前 正常坯 8.40 1.4 头坯 13.82 0.2 2.7 优化后 正常坯 3.17 0.2 0.5 10-7 参考文献 [Zhong L,Wang C,Wang M,et al.Flow control in six-strand bil- let continuous casting tundish with different configurations.J /ron Steel Res Int,2010,17(7)7 300um 300um 22]Cwudzinski A.Numerical,physical,and industrial experiments of liquid steel mixture in one strand slab tundish with flow control de- 图4优化前(a)后(b)中间包大型夹杂物形貌对比 vices.Steel Res Int,2014,85(4)623 Fig.4 Comparison of the morphology characteristics of macro inclu- [3]Yang S,Zhang L,Li J,et al.Structure optimization of horizontal sions in the tundish before (a)and after (b)optimization continuous casting tundishes using mathematical modeling and wa- ter modeling.IS/J Int,2009,49(10)1551 3结论 [4]Lopez-Ramirez S,Palafox-Ramos J,Morales R D,et al.Modeling study of the influence of turbulence inhibitors on the molten steel (1)单流中间包的下挡墙在改善钢液的流动形 flow,tracer dispersion,and inclusion trajectories in tundishes. 态和减少中间包内死区方面所起的作用远大于上 Metall Mater Trans B,2001,32(4):615 [5]Liu JC,Yan H C,Liu L,et al.Water modeling of optimizing 挡墙. tundish flow field.J Iron Steel Res Int,2007,14(3)13 (2)优化配置后采用湍流抑制器与下挡墙（距 [6]Ding N,Bao Y P,Sun QS,et al.Optimization of flow control 离长水口2280mm)的组合对中间包内钢液流动的 devices in a single-strand slab continuous casting tundish.IntJ 改善效果最好，死区比例由原来的25.9%降低到 Miner Metall Mater,2011,18 (3):292 13.6%. ] Moumtez B,Bellaouar A,Talbi K.Numerical investigation of the (3)优化后中间包内T.0的质量分数降幅为 fluid flow in continuous casting tundish using analysis of RTD curves.J Iron Steel Res Int,2009,16(2):22 32.7%,氮的质量分数降幅28.6%，正常坯中的大型 [8]Chen C,Cheng GG,Sun H B,et al.Optimization of weir dam 夹杂物质量分数由原来的8.4×10”降低到3.2× with drain holes in continuous casting slab tundish.Ade Mater

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 幅为 32. 7% ，氮 的 质 量 分 数 由 35 × 10 － 6 降 低 到 25 × 10 － 6为 28. 6% ，氮含量大幅度降低一方面由于中 间包内型结构优化后稳流器上浮注流的冲击区减弱， 二次氧化减弱而降低，另一方面保护浇注的控制也起 到关键作用． 中间包结构优化前后铸坯中大颗粒夹杂物分级对 比如表 5． 结果表明，开浇炉的大型夹杂物质量分数由 优化前的 14. 7 × 10 － 7降低到 13. 8 × 10 － 7，开浇炉由于 开浇过程存在较多非稳态因素和二次氧化，因此挡墙 优化的效果体现得不明显． 连浇炉正常坯的大型夹杂 物质 量 分 数 则 由 优 化 前 的 8. 4 × 10 － 7 降 低 到 3. 2 × 10 － 7，降幅达到 62% ． 可见，优化后的挡墙对中 间包在高液位稳态浇注过程中大颗粒夹杂物的去除有 明显的改善作用． 大颗粒夹杂物的典型形貌如图 4，主 要为球形含 CaO--SiO2 --Al2O3 --MnO 复合夹杂物，在中 间包内没有得到充分上浮． 图 3 优化前后的中间包氧、氮含量对比 Fig． 3 Comparison of the T． O and N contents in the tundish before and after optimization 表 5 铸坯中大颗粒夹杂物分级表 Table 5 Classification of macro-inclusions in slabs 样品 炉次 夹杂物质量 分数/10 － 7 不同粒径夹杂物质量分数/10 － 7 80 ～ 140 μm 140 ～ 300 μm ＞ 300 μm 优化前 头坯 14. 70 — 0. 4 2. 2 正常坯 8. 40 — — 1. 4 优化后 头坯 13. 82 0. 2 — 2. 7 正常坯 3. 17 0. 2 0. 5 — 图 4 优化前( a) 后( b) 中间包大型夹杂物形貌对比 Fig． 4 Comparison of the morphology characteristics of macro inclu￾sions in the tundish before ( a) and after ( b) optimization 3 结论 ( 1) 单流中间包的下挡墙在改善钢液的流动形 态和减少中间包内死区方面所起的作用远大于上 挡墙． ( 2) 优化配置后采用湍流抑制器与下挡墙( 距 离长水口 2 280 mm) 的组合对中间包内钢液流动的 改善效果 最 好，死 区 比 例 由 原 来 的 25. 9% 降 低 到 13. 6% ． ( 3) 优 化 后 中 间 包 内 T． O 的 质 量 分 数 降 幅 为 32. 7% ，氮的质量分数降幅 28. 6% ，正常坯中的大型 夹杂物质量分数由原来的 8. 4 × 10 － 7 降低 到 3. 2 × 10 － 7 ． 参 考 文 献 ［1］ Zhong L，Wang C，Wang M，et al． Flow control in six-strand bil￾let continuous casting tundish with different configurations． J Iron Steel Ｒes Int，2010，17( 7) : 7 ［2］ Cwudziński A． Numerical，physical，and industrial experiments of liquid steel mixture in one strand slab tundish with flow control de￾vices． Steel Ｒes Int，2014，85( 4) : 623 ［3］ Yang S，Zhang L，Li J，et al． Structure optimization of horizontal continuous casting tundishes using mathematical modeling and wa￾ter modeling． ISIJ Int，2009，49( 10) : 1551 ［4］ López-Ｒamirez S，Palafox-Ｒamos J，Morales Ｒ D，et al． Modeling study of the influence of turbulence inhibitors on the molten steel flow，tracer dispersion，and inclusion trajectories in tundishes． Metall Mater Trans B，2001，32( 4) : 615 ［5］ Liu J G，Yan H C，Liu L，et al． Water modeling of optimizing tundish flow field． J Iron Steel Ｒes Int，2007，14( 3) : 13 ［6］ Ding N，Bao Y P，Sun Q S，et al． Optimization of flow control devices in a single-strand slab continuous casting tundish． Int J Miner Metall Mater，2011，18( 3) : 292 ［7］ Moumtez B，Bellaouar A，Talbi K． Numerical investigation of the fluid flow in continuous casting tundish using analysis of ＲTD curves． J Iron Steel Ｒes Int，2009，16( 2) : 22 ［8］ Chen C，Cheng G G，Sun H B，et al． Optimization of weir ＆ dam with drain holes in continuous casting slab tundish． Adv Mater · 673 ·

赵立华等：40t单流中间包控流装置的优化配置 377 Rs,2012,476-478:293 trol devices in a stainless steel tundish.Ade Mater Res,2012, 9]Zhang LL,Chen D F.Liu Q,et al.Optimizing of flow control 476-478:156 devices in a single strand continuous casting tundish.Ad Mater [13]Kumar A,Mazumdar D,Koria S C.Modeling of fluid flow and Res,2011,284-286:1209 residence time distribution in a four-strand tundish for enhancing [10]Cwudzinski A,Jowsa J.Numerical analysis of liquid steel flow inclusion removal./S/J Int,2008,48(1):38 structure in the one strand slab tundish with subflux turbulence D4] Yang S,Li J,Jiang J,et al.Fluid flow in large-capacity hori- controller and dam.Arch Metall Mater,2012,57(1):297 zontal continuous casting tundishes.Int Miner Metall Mater, [11]Gao W F,Zhang JJ,Peng Z G,et al.Research on optimization 2010,17(3):262 of tundish flow distrbution.Ade Mater Res,2012,542-543: [15]Sahai Y,Ahuja R.Fluid dynamics of continuous casting tundish- 1132 es:physical modeling /Proceedings of the 69th Steelmaking [1]Chen C.Cheng GG,Sun H B,et al.Optimization of flow con- Conference.Washington,1986:677

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