等離子加熱六流連鑄中間包底吹氣過程

1、等離子加熱六流連鑄中間包底吹氣過程數(shù)值模擬優(yōu)化研究樊俊飛 劉俊江 盧金雄 任三兵（寶鋼集團有限公司，上海201900）摘 要 針對寶鋼六流連鑄中間包等離子加熱區(qū)域溫度積聚嚴重的現(xiàn)象，提出了底吹氣的解決方法。本文采用自編程序，在流動與傳熱耦合計算的基礎(chǔ)上，對底吹氣參數(shù)進行了仿真模擬研究。結(jié)果表明，未底吹氣時，加熱區(qū)域上部高溫鋼液不能很好地得到混勻并向兩側(cè)傳輸，而采用底吹氣方式時，加熱區(qū)域鋼液溫度比較均勻，兩側(cè)溫度分布情況也有所改善?，F(xiàn)場試驗對比表明，采用優(yōu)化后的底吹氣方式，對夾雜物分布、增氮量、流間溫差沒有影響，對中間包包蓋的熔蝕情況明顯改善。關(guān)鍵詞 連鑄中間包，等離子加熱，底吹氣1. 前言等離

2、子加熱過程是通過將氣體電離后再復(fù)合，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過直接和間接的熱輻射實現(xiàn)對鋼液加熱的過程，它是一種潔凈無污染的鋼水加熱方法，其加熱效率大約為60%80%，其中來自加熱室墻壁的間接熱輻射要占到50%以上。采用等離子加熱裝置可實現(xiàn)低過熱度澆注，中間包內(nèi)鋼液溫度可控制在±5，相應(yīng)地，煉鋼過程的出鋼溫度可降低15201。由于實現(xiàn)了低過熱度（1520）和恒溫（±5）澆注，鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量（中心偏析和中心疏松等）和生產(chǎn)率得到了很大提高。等離子加熱在國外，特別是鋼鐵工業(yè)發(fā)達的國家，如日本、美國、德國等都在積極研究、使用和推廣該技術(shù)。而我國等離子加熱技術(shù)起步較晚，衡陽鋼管廠、武鋼、寶

3、鋼、唐鋼、撫鋼等鋼鐵企業(yè)先后引進了等離子加熱技術(shù)。寶鋼六流圓（方）坯連鑄中間包的左右對稱點設(shè)置了一套功率為1MW的等離子加熱槍。由于等離子體的強烈高溫只對表面相對比較平穩(wěn)的鋼液進行了加熱，造成鋼液的局部溫度很高，直接加熱效果相對較差，對中間包壁的熱輻射相對較大，加熱效率相對降低。目前存在的問題是中間包耐火材料的熔損較嚴重，尤其是造成中間包包蓋耐火材料的熔蝕、剝落甚至導(dǎo)致中間包蓋的坍塌事故，對連鑄順行十分不利。本研究采用數(shù)值模擬的方法，在未考慮底吹氣對等離子直接加熱效果影響的情況下，通過比較加熱區(qū)域溫度在無底吹氣和底吹氣情況下的分布，說明底吹氣的必要性。2. 數(shù)學(xué)模型2.1. 控制方程(1)(2

4、)(3)(4)(5)(6)對于中間包底吹氣過程，本研究采用由Castillejos和Brimacombe提出的兩相區(qū)模型4來確定含氣分率，即：(7)(8), (9), (10)(11)式中： ：兩相區(qū)軸線上的最大含氣率；：噴嘴處的氣體流量，m3/s；：噴嘴直徑，m；：最大含氣率的半值距離，m；z：軸向距離，m。兩相區(qū)的密度由下式計算：(12)2.2. 邊界條件假設(shè)在自由表面上，所有變量的梯度為零，垂直方向的速度為零，鋼液表面按平坦處理；流經(jīng)大包長水口的流體，其入流速度垂直于中間包液面；在固體壁面上，采用不滑動的邊界條件；在近壁區(qū)，采用壁函數(shù)對速度和湍流特性參數(shù)進行修正。在模擬溫度場時，假設(shè)大包

5、鋼液以恒溫(1818K)注入到中間包內(nèi)；在澆鑄過程中，中間包壁的熱傳導(dǎo)和表面頂渣的熱輻射視為穩(wěn)態(tài)，通過包壁和表面渣層的熱通量采用Chakraborty和Sahai的推薦值，即中間包縱向包壁、橫向包壁、底面及表面渣層的熱損失分別為3.2，3.8，1.4和15kJ/( m2.s)。在模擬等離子加熱時，按加熱功率為1MW的60%來計算對鋼液的加熱。不考慮底吹氣對等離子直接加熱效率的影響。2.3. 數(shù)值求解采用有限差分法對控制微分方程進行離散化處理，采用求解壓力耦合方程的半隱式法（SIMPLE法）進行求解計算，對六流“T”形非完全對稱中間包采用全場模擬方式，網(wǎng)格劃分為117×42×

6、18。在VISUALFORTRAN FOR WINDOWS 平臺上完成三維數(shù)值模擬程序開發(fā)。3. 模擬結(jié)果與討論3.1. 流動特征圖1為中間包在等離子加熱無底吹氣下不同截面的計算流場分布情況。可以看出，在等離子加熱時，中間包中部的流動由于加熱區(qū)域溫度較高，高溫鋼液浮在表面。圖2為中間包在等離子加熱、底吹氣情況下不同截面的計算流場和湍動能分布情況。由圖可以看出，在氣體吹入中間包底部后，在浮力作用下氣包帶動鋼液以較快的迅速上浮，同時抽吸著底部較冷鋼液向上流動，在鋼液面接受加熱，而后又向四周散開，再沿固體墻向下流動，形成中間向上、四周向下的環(huán)流。最后，鋼液通過中擋墻的出流孔向兩側(cè)流出。從其流動方式可

7、以看出，在底吹氣的作用下，中間包中部鋼液得到了強烈的攪拌，對均勻鋼液溫度、提高直接加熱效率必將產(chǎn)生積極的影響。而在中間包的兩側(cè)，在這樣的吹氣量下，底吹氣對其流動方式影響較小。3.2. 溫度分布圖3、圖4分別為在等離子加熱情況下，無底吹氣中間包和底吹氣中間包縱向截面的溫度分布。可以看出，在無底吹氣情況下，在高溫等離子體的作用下，鋼液表面得到了強烈加熱，溫度又得不到很好地傳遞，于是形成了在中間包中上部加熱區(qū)域高溫鋼液的聚集，對中間包上部及包蓋耐火材料的熔蝕必然非常嚴重?？梢酝茰y，由于等離子體產(chǎn)生的高溫得不到很好地吸收和傳遞，其輻射必然較強，將會造成中間包蓋耐材的剝落甚至造成包蓋的坍塌事故。(a)0

8、.2 m/s在底吹氣時，由于氣體的強烈攪拌使中間包中部鋼液得以變得比較均勻，上部極高溫鋼液聚集很少，對耐火材料熔蝕程度大為減輕。可以推測，在這種情況下，等離子加熱效率必然會有所提高，對包蓋的輻射也必然有所降低，對保護包蓋非常有益。(b)0.2 m/s0.2 m/s(c)圖1 等離子加熱無底吹氣中間包縱向截面(a)、(b)和橫向截面(c)流場圖0.2 m/s(a)（a）y/W=0.01 (b) y/W=0.16 (c) x/L=0.5(b)0.2 m/s0.2 m/s(c)圖2 等離子加熱底吹氣中間包縱向截面(a)、(b)和橫向截面(c)流場圖（a）y/W=0.01 (b) y/W=0.16 (

9、c) x/L=0.51835.01815.01818.01816.01817.01816.01820.01818.31818.0圖3 等離子加熱無底吹氣中間包縱向截面溫度分布(y/W=0.16)1821.71818.01816.01817.01816.01815.01816.01818.31820.0圖4 等離子加熱底吹氣中間包縱向截面溫度分布(y/W=0.16)3.3. 底吹氣參數(shù)優(yōu)化在相同底吹氣量條件下，針對不同底吹氣位置，根據(jù)出流溫度變化、出流RTD曲線情況、對中間包包壁的沖刷情況等，確定了底吹氣位置。圖5所示為在優(yōu)化的底吹氣位置不同底吹氣量下，不同出流溫度及中間包中部一定區(qū)域平均溫度的

10、比較?？梢钥闯觯涸诘状禋饬繛?L/min時，中間包中部一定區(qū)域平均溫度較低，但三個出流溫度相差較大。底吹氣為810L/min時，中間包中部一定區(qū)域平均溫度偏高，且三個出流溫度相差也較大。底吹氣為1215L/min時，中間包中部平均溫度較低，且三個出流溫度相差也較小。底吹氣為2050L/min時，中間包中部平均溫度較高，且三個出流溫度相差也較大。由此確定底吹氣的吹氣量的范圍為1215L/min為宜。3.4. 現(xiàn)場試驗結(jié)果比較在連續(xù)等離子加熱、功率在0.8MW的條件下，導(dǎo)致包蓋坍塌的時間由無底吹氣條件下的7090Min延長至采用底吹A(chǔ)r氣方式下的324Min，成功實現(xiàn)全程等離子加熱的5爐連澆，直至

11、該鋼種澆注完畢，且中間包蓋狀況無明顯異常；在等離子加熱底吹A(chǔ)r氣條件下，鑄坯低倍夾雜和線材盤條夾雜水平都未惡化，甚至反而有好轉(zhuǎn)的跡象；即使使用100%的N2等離子加熱方式，在底吹A(chǔ)r氣條件下，對連鑄增N量無影響而只與連鑄鋼液原始N含量有一定的關(guān)系；底吹氣條件下，不同等離子加熱功率對流間溫差大小無明顯影響，總體呈現(xiàn)第3流至第1流溫度越來越低的趨勢，但是平均溫度相差在1左右，說明鋼水在不同流之間較均勻。圖5優(yōu)化底吹氣位置不同底吹氣量下不同出流溫度及中間包中部平均溫度比較4. 結(jié)論通過數(shù)值模擬研究和生產(chǎn)現(xiàn)場試驗的分析、比較，可得到如下結(jié)論：4.1. 采用底吹氣方式是解決混勻中間包中部等離子加熱時溫度

12、不均勻、高溫鋼液漂浮在上層而得不到很好地向兩側(cè)傳輸問題的有效方法；4.2. 生產(chǎn)實際表明，CFD數(shù)值模擬方法所優(yōu)化的底吹氣位置和底吹氣量是合理的；4.3. 等離子加熱中間包采用底吹A(chǔ)r的方法，使中間包包蓋的壽命大大延長；4.4. 在等離子加熱中間包底吹A(chǔ)r氣條件下，對鑄坯的夾雜、增N量無影響。參考文獻1. Li R S, Li Y H, Zhou D G, Hu X G. Iron and Steel,1999;34:70 （李潤生，李延輝，周大剛，胡學(xué)軍. 鋼鐵，1999；34：70）2. Kirshenbaum A D, Cahill J A. Trans AIME, 1962,224:8

13、163. Launder B E, Spalding D B. Mathematical Models of Turbulence. London, Academic Press, 19724. A H Castillejos, J K Brimacombe. Metall. Trans, 1987;18B:6595. Launder B E, Spalding D B. Computer methods in Applied Methanics and Engineering, 1974,3:2696. He Y and Sahai Y. Metall. Trans. B, 1987,18B: 817. 樊俊飛，張清朗，朱苗勇，王文忠.六流連鑄中間包內(nèi)流動