五流小方坯連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

五流小方坯連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化連鑄中間顆粒的作用不僅是一個(gè)穩(wěn)定、分配鋼水的緩沖容器，也是保證鋼水連續(xù)輸送的緩沖容器。同時(shí)，促進(jìn)鋼水成分和溫度的均勻遷移，提高保證鑄造質(zhì)量，確保連鑄生產(chǎn)順利。其中，中間袋控流裝置不僅能保證中間包的金銀效應(yīng)，而且能促進(jìn)中間包的金銀作用。南鋼轉(zhuǎn)爐廠現(xiàn)有的二號(hào)機(jī)五流小方坯連鑄機(jī)為梯形結(jié)構(gòu)中間包,目前沒(méi)有任何空控流置裝置,難以滿足品種鋼生產(chǎn)的需要,因此,對(duì)中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一項(xiàng)非常迫切的工作.盡管關(guān)于優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究很多,但由于板坯連鑄機(jī)多為矩形中間包,而方坯連鑄機(jī)多為T形中間包,關(guān)于連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究也多以這兩種結(jié)構(gòu)中間包為研究對(duì)象,而關(guān)于梯形中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少.本研究結(jié)合該連鑄機(jī)目前生產(chǎn)的具體情況,采用數(shù)值模擬和物理模擬方法對(duì)中間包內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了研究,并確定了合理的控流裝置,以促進(jìn)連鑄生產(chǎn)順行和鑄坯質(zhì)量的提高.2實(shí)驗(yàn)2.1湍流場(chǎng)的力學(xué)數(shù)值模擬采用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),進(jìn)行一定的假設(shè),給出足夠的初始條件和邊界條件,控制方程為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及描述湍流流動(dòng)的k-ε方程.鑒于中間包形狀的對(duì)稱性,僅計(jì)算了1/2區(qū)域的流場(chǎng).2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头桨冈谖锢砟M中,要求模型中間包與原型中間包的幾何相似和動(dòng)力相似.選取模型與原型的幾何相似比選取1:4.實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)長(zhǎng)水口注入示蹤劑,用“刺激-響應(yīng)”法獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)處理后得到RTD曲線和中間包流體流動(dòng)特性參數(shù)(包括響應(yīng)時(shí)間Tmin、峰值時(shí)間Tpeak、平均停留時(shí)間Tm、活塞流體積分率Vp、死區(qū)體積分率Vd及全混流體積分率Vm等),以此來(lái)描述中間包內(nèi)流體的流動(dòng)特性,評(píng)價(jià)中間包內(nèi)控流效果優(yōu)劣.在進(jìn)行水模實(shí)驗(yàn)時(shí),取低、高兩個(gè)不同水平的拉速(即2.0和2.2m/min)進(jìn)行研究.考慮到中間包結(jié)構(gòu)的對(duì)性稱,實(shí)驗(yàn)中只考察3流、4流和5流.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎糜袡C(jī)玻璃制作,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.其中,導(dǎo)流墻有圓孔和矩形孔兩種開(kāi)孔方式,導(dǎo)流壩有與前后包壁垂直和傾斜兩種布置方式.為研究中間包內(nèi)控流裝置的布置方式對(duì)中間包流場(chǎng)的影響,采用表1所示實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行研究.3結(jié)果與討論3.1鋼水流場(chǎng)的組成通過(guò)FLUENT軟件模擬幾種實(shí)驗(yàn)方案,并進(jìn)行了比較,典型結(jié)果以原型和方案III來(lái)說(shuō)明.圖2(a)為原型中間包在中流量條件下的速度矢量圖.可以看出,原型包內(nèi)由于無(wú)任何控流裝置,鋼水自大包長(zhǎng)水口注入中間包時(shí),沖擊包底后迅速向四周鋪展,由于3流和4流水口距沖擊區(qū)距離短,鋼水容易經(jīng)底部直接到達(dá)這兩個(gè)水口,導(dǎo)致這兩個(gè)水口鋼水分配多,并且距離長(zhǎng)水口較遠(yuǎn)的側(cè)壁附近鋼水流動(dòng)的速度很低,幾乎不流動(dòng),易形成死區(qū).從圖2(b)~2(d)看出,鋼水從長(zhǎng)水口流到湍流控制器后,消弱了注流的能量,從矩形導(dǎo)流孔流出后,形成帶有角度的向上的流股.流股使3流和4流之間形成一個(gè)小的循環(huán)及4流和5流之間形成一個(gè)大的循環(huán),對(duì)包內(nèi)的流場(chǎng)起到了很好的攪拌效果,有利于鋼水的混合及能量的交換.并且由于擋壩的存在,使鋼水在4流和5流之間分配趨于合理.3.2控流裝置的設(shè)計(jì)原型中間包采用高拉速時(shí)的RTD曲線如圖3所示,計(jì)算出的中間包高拉速時(shí)流體流動(dòng)特性參數(shù)如表2所示.可以看出,5流的響應(yīng)時(shí)間比3,4流分別短12和10s,峰值時(shí)間分別短19和14s,平均停留時(shí)間分別長(zhǎng)38和7s.此外,3個(gè)流的活塞流體積和全混流體積相差很大,死區(qū)也較大.3,4,5流的死去體積分別為48.1%,47.2%和38.2%,平均為44.5%.從圖3可以看出,3流和4流的響應(yīng)時(shí)間和到達(dá)峰值時(shí)間都很短且峰值很高,結(jié)合數(shù)學(xué)模擬結(jié)果,可以認(rèn)為此時(shí)存在短路流.各流間流動(dòng)特性的差別,不僅影響鑄坯質(zhì)量,也不利于生產(chǎn)順行.因此,必須進(jìn)行控流裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì).方案I采用了湍流控制器,并在沖擊區(qū)設(shè)置了圍墻,其中圍墻兩側(cè)開(kāi)設(shè)圓形導(dǎo)流孔,在4流和5流之間設(shè)有垂直導(dǎo)流壩.拉速為2.2時(shí)方案I的RTD曲線如圖4所示,此時(shí)計(jì)算得到的的中間流體流動(dòng)特性參數(shù)如表2所示.鋼水從長(zhǎng)水口到達(dá)湍流控制器后,經(jīng)圓形導(dǎo)流孔從導(dǎo)流壩導(dǎo)出,減少了鋼水的湍動(dòng)能,并通過(guò)增加鋼水的行程,延長(zhǎng)了鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間,3流和4流與原型相比響應(yīng)時(shí)間分別延長(zhǎng)8和9s,3流的平均停留時(shí)間延長(zhǎng)了21s,活塞流體積增加了4倍,全混流體積也明顯增加,有利于促進(jìn)鋼水混合與能量交換.但這種控流裝置的布置和開(kāi)孔方式仍然存在不足之處,即流股對(duì)流場(chǎng)的攪拌能力仍不足.從圖4還可看出,3個(gè)流股間峰值時(shí)間相差較大且峰值較高,表2也表明此方案的活塞流體積較低,死區(qū)體積仍偏高,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)不利.因此需要進(jìn)一步優(yōu)化.方案III采用了圍墻側(cè)壁的開(kāi)孔為斜向上45°的矩形開(kāi)孔,同時(shí)3流對(duì)面圍墻為斜向上45°的圓孔,并在4流和5流之間設(shè)有斜倒流壩.圖6是拉速為2.2m/min時(shí)的RTD曲線,流體流動(dòng)特性參數(shù)如表2所示.4控流方案的rtd曲線本研究結(jié)合南鋼小方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)具體情況,利用數(shù)值模擬和水模擬對(duì)梯形中間包結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究,并得出以下結(jié)論.(1)梯形中間包由于沖擊區(qū)距各流間距離差別較大,導(dǎo)致中間包內(nèi)各流間鋼水的流動(dòng)特性存在較大的差異,鋼水在各流間分配不合理.(2)原型中間包內(nèi)由于沒(méi)有任何控流裝置,3流和4流的響應(yīng)時(shí)間和平均停留時(shí)間過(guò)短,并且存在明顯短路流.此外,各流的死區(qū)體積較大,平均高達(dá)44.5%.(3)采用湍流控制器+圍墻+導(dǎo)流壩的控流裝置優(yōu)化后,3流和4流的響應(yīng)時(shí)間明顯增加,分別增加到11和13s,使各流間停留時(shí)間分布趨于一致.此外,平均死區(qū)體積為29.1%,比原型顯著減小.研究結(jié)果有利于生產(chǎn)順行和鑄坯質(zhì)量的提高.方案II采用了圍墻側(cè)壁的開(kāi)孔為斜向上45°矩形導(dǎo)流孔,3流對(duì)面圍墻為斜向上45°圓孔,在4流和5流之間設(shè)有直導(dǎo)流壩,直導(dǎo)流壩距向5流移動(dòng)了一定距離.拉速為2.2m/min時(shí)方案II的RTD曲線如圖5所示.與方案I相比,此方案各流之間的響應(yīng)時(shí)間與峰值時(shí)間比較接近,峰值也明顯降低,說(shuō)明各流間鋼水分配比較合理,從矩形導(dǎo)流孔導(dǎo)出的帶角度的流股對(duì)包內(nèi)的鋼液的攪動(dòng)能力大于方案I.但此方案也存在不足之處,即活塞流體積和死區(qū)體積偏高,且擋壩距5流水口過(guò)近,容易因耐火材料卷入而在鑄坯中形成大型外來(lái)夾雜,影響鑄坯質(zhì)量.從表2可以看出,與方案II相比,此時(shí)3流、4流和5流的峰值時(shí)間分別達(dá)到了23,24和26s,較其他方案得到了明顯延長(zhǎng).此外,活塞流體積和全混流體積均有所增加,且各流的平均停留時(shí)間更加均衡,死區(qū)體