連鑄中間包長水口位置對流場和夾雜物去除率的影響
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;黃 軍;張永杰;王寶峰;吳亞飛;張亞坤;葉 鑫
（1．東北大學(xué)材料電磁過程教育部重點試驗室；2．內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院；3.上海寶鋼研究院）摘要通過對中間包流動過程測速及選擇空心玻璃微珠模擬夾雜物，對1:2的6流連鑄中間包進(jìn)行水力學(xué)模擬試驗，研究了長水口位置改變對中間包流場、RTD曲線以及對中間包內(nèi)夾雜物去除率的影響。結(jié)果表明，長水口與6個出口連線的垂直距離由800 mm增大到1000 mm時，中間包注流區(qū)流場變化不大，活塞流體積增大，夾雜物去除率增大了28. 76%，提高了中間包的冶金效果。
; 隨著工業(yè)的發(fā)展，對鋼鐵材料的純凈度提出了越來越高的要求。鋼鐵生產(chǎn)過程中，中間包內(nèi)鋼水的流動行為對夾雜物的去除和潔凈度的提高有著重要影響。中間包正朝著大容量、深熔池的方向發(fā)展，但是熔池深度過大不利于夾雜物的上浮去除。在熔池深度一定的條件下，通過增大T型中間包長水口與出水口之間的距離，延長鋼水的流動距離，增大中間包容量是可行的中間包設(shè)計方案。
; 本課題利用基于圖像測速技術(shù)的中間包水模擬平臺，獲取了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的中間包內(nèi)部流場矢量圖和反映中間包流場特征的RTD(Resident Time Distribu-tion)曲線，同時在中間包水模擬過程中加入一定直徑與密度的空心玻璃珠來定量測量中間包的夾雜物去除率。通過對比研究，確定了增大T型中間包長水口與出水口之間的距離對中間包冶金效果的有效性。
1 研究方案
; 在中間包的水模擬試驗過程中，建立了中間包物理模型。一般認(rèn)為中間包中流動狀態(tài)在第二自�；瘏^(qū)，忽略粘性力的影響，只要保證模型和原型的Froude準(zhǔn)數(shù)相等，就能保證它們的動力相似。
; 水力學(xué)試驗中水模型是以某鋼廠40 t的6流T型中間包為樣本，拉坯速度為1.1 m/min，方坯截面尺寸為180 mmx240 mm。水模型與原型腔結(jié)構(gòu)一致，它們之間的幾何相似比為1:2，水模型長水口直徑為60 cm，液位高度為400 mm，水模型的流量為鋼水流量的0. 177倍。中間包水模型參數(shù)見圖1。方案1中，中間包長水口與出水口位置為800 mm，方案2中，中間包長水口與出水口距離為1000 mm。當(dāng)改變中間包長水口位置為800 mm時，通過隔板改變中間包的體積，見圖1中虛線。
2 試驗方法
2.1 流場測試方法
; 水力學(xué)試驗采用PXI(PCI Extensions for Instru-mentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)連鑄綜合物理模擬試驗平臺。該平臺由5大模塊組成：公共基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)、連鑄中間包和結(jié)晶器模型、水路控制循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)字成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理和圖像分析顯示系統(tǒng)，見圖2。
; 流場測試采用粒子圖像測速技術(shù)，試驗前在待測流體中置入示蹤粒子，通過CCD裝置記錄粒子運(yùn)動的位移圖像來獲取流體運(yùn)動速度。該技術(shù)對流場無干擾，具有很高的精度和空間分辨率，可以獲取整個流場的全部流動信息，從而可以對整個流場進(jìn)行全面分析。中間包流場圖像測試系統(tǒng)主要由MGL-N-532型激光光源、CANON 5DMARK III相機(jī)、后臺控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，激光波長為532 nm，拍攝頻率為60 Hz。示蹤粒子采用密度為1. 02 g/cm3，直徑為50 μm的聚苯乙烯小球。
2.2; RTD試驗
; 通過RTD曲線分析連鑄中間包內(nèi)各因素對鋼水流場的影響，從而分析連鑄中間包內(nèi)鋼水的流動特征，是判斷中間包是否優(yōu)良的通用指標(biāo)。試驗采用脈沖方式加入示蹤劑，通過在出口監(jiān)測示蹤劑的圖像變化獲得中間包的無因次時間一濃度曲線（C曲線）。
; 基于非接觸測量的RTD試驗步驟為：首先將純凈水充滿中間包，并使其液位穩(wěn)定，然后將30 g的聚苯乙烯微粒（粒徑為100μm，密度為1.05 g／cm3）與適量的陰離子表面活性劑混合，通過示蹤粒子加入系統(tǒng)迅速注入中間包長水口內(nèi)。通過記錄中間包出口顆粒輝光變化的方式采集一定數(shù)目顆粒在中間包的停留時間，即為RTD曲線，數(shù)據(jù)采集時間為理論停留時間的3倍以上，具體實施方案見圖3。
2.3 中間包夾雜物去除率的測試方法
; 根據(jù)夾雜物在鋼水中的受力及上浮情況，夾雜物主要是以Stokes上升為主，根據(jù)相似理論，鋼水實際過程中的流動速度與水模型中的流動速度與其內(nèi)部夾雜物的Stokes速度之比必須相同。有研究指出，水模型中的夾雜物與原型中的夾雜物在尺寸和密度方面與流體密度存在著定量關(guān)系，即：
; 式中，R為夾雜物尺寸，m;p為密度，kg/m3；m和p分別表示模型和原型。從式(1)可知，根據(jù)實際鋼水中夾雜物的尺寸和相似比可以獲取水模擬過程中的夾雜物尺寸。
; 鋼水中夾雜物的形貌可以近似認(rèn)為是球形。對于鋼水中夾雜物的密度，選擇3 500 kg/m3（按Al2 03夾雜的密度計算）；對于鋼水中夾雜物的特征尺寸為50～100 μm，根據(jù)相似比，用來模擬鋼水中夾雜物密度為400～500 kg/m3，特征尺寸為60～80 μm的玻璃微珠。
; 夾雜物去除是將20 g的夾雜物在長水口附近釋放，夾雜物隨著中間包內(nèi)水的流動而流動。在2倍的中間包平均停留時間后，利用吸附紙吸附中間包表面（包含中間包澆注區(qū)與注流區(qū)）的漂珠，干燥后稱量吸附前后吸附紙的增重Am。夾雜的去除率計算式為(△m/20)×100%。重復(fù)試驗并取平均值。
3 試驗結(jié)果與分析
; 圖4為中間包流場數(shù)據(jù)和RTD數(shù)據(jù)采集區(qū)域示意圖，圖4中矢量圖為中間包數(shù)值模擬結(jié)果。流場數(shù)據(jù)采集區(qū)域包括A和B3兩個截面，A和B。兩個截面分別為注流區(qū)和澆注區(qū)的兩個典型截面，RTD試驗數(shù)據(jù)采集位置為第二流的出水口。
3.1 中間包流場測試結(jié)果
3.1.1 注流區(qū)A截面流場測試結(jié)果分析
; 圖5為兩種方案的注流區(qū)A截面的流場矢量圖。從圖5可以看出，方案1和方案2在A截面的流場除在湍流抑制器上部的流場有些不同，其他區(qū)域的流場分布情況未發(fā)生明顯改變，說明長水口位置的改變對該區(qū)域的流場分布情況影響不大。增大長水口的位置，注流區(qū)域內(nèi)部流動更為均勻。
3.1.2澆注區(qū)B3截面流場測試結(jié)果分析
; 圖6為方案1和方案2的澆注區(qū)B3截面的流場矢量圖。對比圖6中相同位置的數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出，其流動方向較為吻合。其中方案1的整體速度較方案2大。B3截面位于中間包兩側(cè)的區(qū)域，進(jìn)而說明長水口與6個出口所在直線垂直距離的增大使得中間包兩側(cè)的流體流動速度減小，流體在該區(qū)域的停留時間延長，有利于夾雜物的上浮和去除。
3.2; RTD試驗結(jié)果
; 適當(dāng)延長中間包中鋼水的平均停留時間，有助于中間包內(nèi)鋼水中的夾雜物上浮和去除。圖7為兩種方案的第二流的RTD測試結(jié)果對比圖。表1為利用Sahai的混合模型計算得到的水力學(xué)模擬試驗結(jié)果。
; 從圖7可以看出，當(dāng)長水口的位置由800 mm變?yōu)?000 mm時，RTD曲線的形狀發(fā)生明顯的變化。方案2的曲線截面積較方案1小。這是因為在試驗過程中，對于相同質(zhì)量的示蹤劑進(jìn)行記錄，方案2增大中間包的體積時，相對于方案1的C曲線，其C曲線的面積要小于方案1。其次在響應(yīng)時間和峰值時間方面，結(jié)合表1可知方案2的響應(yīng)時間和峰值時間要分別比方案1的響應(yīng)時間和峰值時間推后16 s和56 s，在一定程度上增大了中間包活塞流的體積分?jǐn)?shù)。從表1中可以得出，當(dāng)長水口的位置為1 000 mm時，中間包的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)(24.20%)與方案1的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)(23.21%)相比基本未發(fā)生變化，但方案2的活塞流體積分?jǐn)?shù)比方案1的增大29. 45%。方案2的RTD曲線形態(tài)整體規(guī)整，說明當(dāng)長水口的位置距離增大后，中間包內(nèi)流體的混合均勻度得到增強(qiáng)，從而有利于中間包內(nèi)流體溫度的均勻分布和夾雜物的上浮。
; 3.3夾雜物去除率
; 表2為夾雜物去除率的測試結(jié)果。從表1可知，增大水口位置，總的夾雜物去除率由56. 54%提高到72. 80%，提高了28. 76%。可以看出，由于增加了中間包容量，拉長了長水口到出水口的距離，提高了中間包在澆注區(qū)的夾雜物去除率。
; 在注流區(qū)，方案1的夾雜物去除率(40.47%)與方案2的去除率(41.07%)沒有明顯差異，結(jié)合T型中間包在注流區(qū)更能體現(xiàn)中間包活塞流的流動特征，方案2中間包的活塞流比方案1增大了29. 45%，說明在夾雜物模擬過程中，由于難以模擬顆粒之間的碰撞長大，因此選擇玻璃微珠，對夾雜物的上浮過程模擬較好，對夾雜物的碰撞長大模擬較差。
; 在T型中間包的澆注區(qū)，兩種方案的去除率差別較大，這是由于兩者流動速度差別大，夾雜物上浮的時間有明顯區(qū)別，即當(dāng)中間包長水口與6個出口所在直線的垂直距離從800 mm增大到1000 mm時，夾雜物去除效果明顯。
; 雖然夾雜物模擬過程中有較多的假設(shè)及缺陷，但是模擬過程的趨勢是能夠反映中間包冶金性能的變化的。方案2較方案1中間包冶金效果明顯提高，但是中間包的重心較常規(guī)中間包的更加偏離出水口，需要在中間包車上做新的設(shè)計，以保證中間包的安全使用。
4 結(jié) 論
; (1)中間包長水口與6個出口所在直線的垂直距離從800 mm增大到1000 mm后，鋼水流動距離加長，澆注區(qū)截面流場的平均速度減小，RTD曲線響應(yīng)時間推后16 s，峰值出現(xiàn)的時間延遲56 s，活塞流體積分?jǐn)?shù)增大29. 45%。
; (2)當(dāng)長水口與6個出口所在直線的垂直距離增大后，中間包的夾雜物去除效率提高。
; (3)增大中間包長水口到出口的距離，中間包冶金效果提高明顯，但整個中間包重心的改變需要關(guān)注。
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