水平连铸中间包流动特性的模拟研究

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,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。     

广钢高效连铸改造的中间包内型优化

广钢连铸中间包采用三流和入流非对称布置的结构,生产中钢水流动不稳定,温度不均匀,为改变这种状况,有必要对中间包进行结构改造．在中间包冷态和热态水模型上,安装纵向局部挡墙和带导流孔“Ｖ”型挡墙,研究中间包内钢水流动和温度分布情况．模拟试验结果表明：“Ｖ”形挡墙能显著改善钢水的流动,使各流钢水平均停留时间趋于均衡,温度差减少,中间包内死区减少．此外,作者还给出了推荐的中间包改造方案．     

连铸中间包控流装置优化的水模实验

通过对某厂板坯连铸中间包进行控流装置优化的水模实验,发现原中间包结构造成钢水在中间包内的最小停留时间过短,死区体积大;合理结构的挡墙和湍流控制器能够明显改善中间包内的流体流动特性,可以使钢包长水口注流区上方的液面更加平稳。     

连铸中间包控流装置优化的水模实验

通过对某厂板坯连铸中间包进行控流装置优化的水模实验,发现原中间包结构造成钢水在中间包内的最小停留时间过短,死区体积大;合理结构的挡墙和湍流控制器能够明显改善中间包内的流体流动特性,可以使钢包长水口注流区上方的液面更加平稳.     

连铸中间包控流装置优化的水模实验

通过对某厂板坯连铸中间包进行控流装置优化的水模实验,发现原中间包结构造成钢水在中间包内的最小停留时间过短,死区体积大;合理结构的挡墙和湍流控制器能够明显改善中间包内的流体流动特性,可以使钢包长水口注流区上方的液面更加平稳.     

连铸中间包控流装置优化的水模实验

通过对某厂板坯连铸中间包进行控流装置优化的水模实验，发现原中间包结构造成钢水在中间包内的最小停留时间过短，死区体积大；合理结构的挡墙和湍流控制器能够明显改善中间包内的流体流动特性，可以使钢包长水口注流区上方的液面更加平稳。     

新型中间包结构数学模拟

为了延长钢水在中间包内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物的上浮排出,提高铸坯的质量,通过对中间包结构发展的分析,提出了新型中间包结构——导流隔墙和导流管结合。同时,应用FLUENT软件对新型的中间包结构进行了数学模拟,计算了新型中间包结构内的钢液流动。结果表明,新型中间包结构内钢液流动合理,有利于中间包内夹杂物的上浮排除。     

新型中间包结构数学模拟

为了延长钢水在中间包内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物的上浮排出,提高铸坯的质量,通过对中间包结构发展的分析,提出了新型中间包结构--导流隔墙和导流管结合.同时,应用FLUENT软件对新型的中间包结构进行了数学模拟,计算了新型中间包结构内的钢液流动.结果表明,新型中间包结构内钢液流动合理,有利于中间包内夹杂物的上浮排除.     

中间包钢液流动行为的数值模拟及控流装置优化

针对某钢厂四流大方坯连铸过程中铸坯夹杂物含量较高、各流流动状态不一致等问题,本文提出了关于中间包内控流装置(坝高和导流孔结构)的改进方案,采用数值模拟方法对比研究了不同方案下中间包钢液的流场及停留时间分布(RTD)等特征。结果表明,与原型中间包相比,适当增加坝高及下层导流孔的上倾角度,有利于改善中间包钢液的流动特性,各流之间的均匀性明显提高,钢液在中间包内的停留时间有所延长,死区体积分数下降,有效减弱了中间包短路流,中间包冶金功能得到改善;控流装置最佳参数为:坝高300 mm,上层和下层导流孔角度分别为20°和45°,此时对应的钢液在中间包内的平均停留时间为210 s,死区体积分数仅为13.2%。     

中间包下挡墙溢流卷渣行为

通过采用数值模拟、水模型实验和工业试验相结合的方法研究了中间包内钢水液面在下挡墙时的卷渣行为.数值模拟结果发现:当钢液面接近下挡墙时,上下挡墙问钢液面容易暴露,造成钢水氧化,在下挡墙出口区一侧容易造成钢渣乳化和卷渣,在出口区下挡墙与中间包壁形成的角部区域卷渣趋势更大;溢过下挡墙的流体对下挡墙冲蚀较严重,在实际生产中将缩短中间包寿命;当中间包液面降低到下挡墙附近时在下挡墙处形成的卷渣很难在中间包内上浮去除,容易进入结晶器.水模型实验和工业试验同时验证了这一结果.     

气幕挡墙技术优化多流中间包数模研究

采用数学模拟方法,依据某无缝钢厂实际六流中间包操作工艺参数,应用欧拉两流体模型、多孔介质模型、欧拉-拉格朗日随机轨道模型及Monte-Carlo法,引入气泡吸附模型,研究了气幕挡墙技术对中间包内钢液流动特性及夹杂物去除率的影响.结果表明,采用气幕挡墙技术,对于改善钢液流动状态、均衡各出口停留时间、延长钢液平均停留时间、降低死区体积、提高夹杂物去除率和实现多流超纯净钢冶炼效果显著.     

连铸中间包底吹气过程水模型实验研究

以宝钢集团梅山钢厂1台连铸中间包为原型,采用自行设计的吹气装置于底部吹气,用水模型的方法研究了吹气对中间包过程的影响。实验结果表明,底部吹气显著地改变了中间包内的流体流动特征;当不吹气时,通过上挡板下部的液流以层流形式贴近中间包的底部流动,然后从出口直接流出,在中间包的停留时间较短,死区体积较大,不利于夹杂物的去除;吹气以后,上升的气流起到了气幕挡墙的作用,通过上挡板下部的液流,被上升的气流抬起,贴近液面流动;吹气有利于增加平均停留时间,缩小中间包的死区体积,此外,上升的气流对中间包的液流具有一定的清洗作用,有利于夹杂物的去除;吹气用于中间包去夹杂过程,不需要较大气体流量。在气体流量相同时,在水模型实验装置中3个位置吹气对中间包的平均停留时间、中间包的死区体积分数、最短平均停留时间的影响大致相同,但总体上,中间位置的吹气效果要好于其他2个位置的吹气效果。     

单流中间包温降行为数值模拟

钢液在中间包内的温降对连铸坯质量有不利影响。针对国内某钢厂单流连铸中间包实际情况,采用数值模拟方法,分析了控流装置的位置和尺寸对中间包内温度分布影响。研究表明,下挡墙高度为268 mm,上挡墙底部与包底距离为175 mm,上下挡墙的相对距离为700 mm,上挡墙距钢液入口距离为722 mm,中间包内温度分布最优。     

底吹中间包内钢液及夹杂物运动特性的数模研究

根据某厂实际中间包的操作工艺参数，采用欧拉两流体模型和拉格郎日随机轨道模型，模拟计算采用湍流控制器和气幕挡墙技术的中间包内的钢液流动特性及钢水中夹杂物的运动行为，研究结果表明，中间包底部吹气过程可以有效地改善钢液的流动状态，消除短路流，起到中间包档墙的作用，并且增大夹杂物在中间包内上浮排出率，大大提高了钢水的清洁度．     

H型中间包与T型中间包的水模对比研究

进行了H型中间包的挡墙和坝的水模拟优化试验,确定出挡墙和坝的最佳设计方案。结合H型中间包的优点,与普遍使用的T型中间包进行了水模实验对比研究。研究表明：H型中间包内流动比T型中间包内更加稳定;当挡墙间距为130 mm、上挡墙高为87.5 mm、下挡墙高为52.5 mm时,H型中间包内液体的流动状态最好,死区体积比T型中间包小;符合工艺参数条件下增大中间包容积有利于停留时间的延长。     

上挡墙位置变化对单流中间包流场特征的影响

应用水力模拟试验,对某钢厂板坯单流连铸中间包流场特征开展研究。采用"刺激-响应"技术,通过调整上挡墙控流装置在中间包内的不同位置,以研究中间包内流场特征的变化。研究结果显示,设置上挡墙的中间包流场特征趋于合理化,以全混流区为主,存在部分活塞流区和少量的死区。相比未设置上挡墙的中间包流场,其平均停留时间延长、活塞流区比例增加、死区比例降低。其中,上挡墙距中间包入水口间距离为160 mm时,钢液平均停留时间最长为336 s、活塞流比例最大为5.15%、死区比例最小为25.7%。     

梅钢40 t板坯中间包的工业试验与仿真分析

梅山钢铁公司炼钢厂有2座150t的LD转炉,配40t板坯连铸中间包.为了了解和掌握中间包内部过程的基本特征,在实际中间包内对流动控制装置、钢水停留时间分布及熔池内温度分布情况进行了现场测试,并结合数学和物理模拟方法进行分析.研究结果表明钢包与中间包内钢水的温差对中间包内钢水的流动状态有很大影响,进而影响着中间包内许多冶金过程;实际中间包熔池内温度分布不均,即使没有任何流动控制装置,熔池内上部温度也高于下部温度,现场测定的停留时间曲线与传统的等温水模型实验结果相差较大;在大多数生产条件下,中间包内的流动是非等温流动,以等温条件为前提的挡板设计、控制参数可能与实际情况不符,应该重新鉴别.     

40t 单流中间包控流装置的优化配置

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 .     

7流方坯连铸中间包结构优化

在实验室建立了7流中间包流体流动的物理模型,研究不同的控流装置组成的中间包结构对流体流动特性的影响.研究结果表明,采用原设计的导流隔墙,中间包的流体流动特性差,最小停留时间和峰值时间小,特别是第3,4流.各流的平均停留时间短,死区体积分数大于49%.中间包结构优化后,中间包流体流动特性得到很大改善,各流的停留时间分布曲线由尖窄形变成了宽矮形,最小停留时间在44.75～73.75s之间,平均停留时间延长,均在400s以上,死区体积分数显著降低,在14.45%～21.10%之间.多流中间包应有合适的冲击区体积,设计的控流装置应考虑中间包两端的控流作用.     

连铸中间包内夹杂物去除行为的物理模拟

通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包物理模型实验,考察了换钢包过程中,中间包初始液面高度、长水口注入流量及控流装置对中间包内夹杂物去除行为的影响规律.结果表明:中间包初始液面高度从工作液面的1/4到3/4过程中夹杂物去除率提高较快,3/4工作液面为较理想的换钢包操作液面;夹杂物的去除率随长水口注入流量的增加而增大,注入流量超过2.5m3h-1时,夹杂物去除效果明显改善;挡墙挡坝组合控流装置的去夹杂效果较无控流装置有明显改善,在此基础上加入抑湍器后,去夹杂效果明显改善.