（冶金工程专业论文）四流小方坯连铸机中间包结构优化的物理模拟研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 四流小方坯连铸机中间包结构优化的物理模拟研究 摘要 安钢第二炼钢厂由于铸坯实物质量存在缺陷，轧钢成材率很低，铸坯退废偏高，2 0 0 4 年退废率高达3 7 。为了稳步提高铸坯实物质量，减少退废，通过工程技术人员调查 研究发现，铸坯中夹杂物含量偏高是影响铸坯实物质量的主要原因，而对于小方坯来讲， 通过优化中间包结构是减少铸坯中夹杂物含量的有效措施之一。 本文通过物理模拟的方法，系统研究了连铸机中间包的流场，对安钢第二炼钢厂的 中间包的结构进行优化设计。通过对小方坯中间包的物理模拟，研究了连铸中间包过程 在不同状态下的钢水流动、混合以及停留状况，并以提高钢水平均停留时间为依据优化了 安钢第二炼钢厂方坯连铸中间包的挡墙设置，找到了挡墙的最优方案，同时保持了中部 水口和边部水口流动的均匀性。通过控流装置优化，使钢水平均停留时间延长了近3 7 s ， 死区体积比例减少了约3 2 。最后采用发泡聚乙烯粒子模拟大颗粒夹杂物在中间包的上 浮行为，分析各种控流装置的控流效果，找到最佳的控流方案，同时认为在高拉速下， 其临界液面高度应大于1 3 8 r a m 。 在实际生产中对有关研究结果进行了验证分析，其优化设计研究结果对连铸生产具 有指导意义，2 0 0 5 年退废率降低了2 1 ，经济效益显著。 关键词：连铸：中问包；水模型；控流装嚣 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i m i z a t i o no f t u n d i s hs t n l c t l l r ei nf o u r - s t r a n db i l l e t c o n t i n u o u sc a s t e rb yp h y s i c a lm o d e l i n g a bs t r a c t t h e r ei sd e f i c i e n c yo nt h eq u a l i t yo fb i l l e t si nt h en o 2s t e e lp l a n to fa n y a n gi r o n & s t e e l t h e r e f o r et h el u m b e rr e c o v e r yi sl o w w h e nr o l l e d t oi m p r o v et h i ss i t u a t i o na n di n c r e a s et h e q u a l i t yo fb i l l e t s ，a f t e ri n v e s t i g a t i n gb yt e c h n i c i a n s ，i ti sf o u n dt h a tt h eh i g h e rc o n t e n to f i n c l u s i o ni nb i l l e t si st h em a i nr e a s o n sr e s u l t i n gi nb i l l e td e f i c i e n c y t a k i n gs m a l lb i l l e ti n t o a c c o u n t ，t h ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c ei n c l u s i o na r et a k e nb yo p t i m i z i n gt h et u n d i s h s t r u c t u r e u s i n gp h y s i c a ls i m u l a t i o n ，t h ef l o wf i e l do f t u n d i s hi ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da n dt h es t r u c t u r e o f t u n d i s hi nt h en o 2s t e e lp l a n to f a n y a n gi r o n & s t e e li so p t i m a l l yd e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h ep h y s i c a ls i m u l a t i o no ft u n d i s hf o rb i l l e t s ，t h ef l o w , m i x i n ga n dr e s i d e n c eo fm o l t e ns t e e l w e r er e s e a r c h e d b a s e do ni m p r o v i n gt h ea v e r a g er e s i d e n c et i m e ，t h ed a ms e t t i n gw a s o p t i m i z e d ，t h eb e s td e s i g nf o r 也ed a mw a sd e t e r m i n e da n da tt h es a m et i m e ，t h ef l o w u n i f o r m i t yo fn o z z l ei nc e n t r a la n ds i d es e c t i o n sw a sr e t a i n e d a t i e ro p t i m i z i n gt h ef l o w c o n t r 0 1d e v i c e 。t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m ew a sp r o l o n g e dt oa b o u t3 7s e c o n d sa n dt h ed e a d a r e ar a t i ow a sd e c r e a s e da b o u t3 2 i nt h ee n d ，t h ef l o a tb e h a v i o ro f t h el a r g e ri n c l u s i o n sw a s s i m u l a t e dw i t hp o l y t h e n ep a r t i c l e s t h ec o n t r o l l i n ge f f e c t so nt h ef l u i df l o wo f v a r i o u sd e v i c e s w e r ea n a l y z e d t h eo p t i m i z a t i o np r o j e c tw a sc o n f i r m e d ，t h a ti s ，t h ec r i t i c a lh e i g h tf o rt u n d i s h i sm o r et h a n1 3 8 m ma th i 出c a s t i n gs p e e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r et e s t e da n da n a l y z e di nt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n ，w h i c hs h o w e dt h a t i ti si n s t r u c t i v ef o rp r o d u c t i o ni nc o n t i n u o u sc a s t i n g i n2 0 0 5 t h ew a s t ed e c r e a s eb y2 1 a n d t h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ei ss i g n i f i c a n t k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；t t m d i s h ；w a t e rm o d e l i n g ；f l o wc o n t r o ld e v i c e h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 、 学位论文作者签名：飞形切和 日期：硼、7 ，、诟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东j 匕大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀 。f 匕 1 1 钢铁工业发展现状及现代炼钢工艺流程 钢铁作为一种重要的基础原材料，在世界各国的经济发展中发挥着举足轻重的作 用。自1 8 世纪5 0 年代以来，随着贝塞麦转炉和平炉的出现以及大规模的钢铁制造业的 兴起，人类社会的文明进步明显加快。尤其是2 0 世纪以来，钢铁工业的蓬勃发展，成 为全球经济和社会文明进步的熏要物质基础。在可以预见的时间范围内，钢铁仍然是世 界上非常重要的材料，钢铁材料的综合优异性能使其在主要基础工业和基础设施中仍是 不可代替的材料。钢铁以其成本的竞争力和原料的高储备量、易开采、易加工以及良好 的再利用性，仍将作为全球性的主要基础原材料。 中国作为世界最大的钢材消费市场，已成为各钢铁强国的必争之地。我国经济基础 比较薄弱，属于发展中国家，人均消费钢材水平很低。尤其加入w t o 后对我国钢铁工 业来说既是机遇，又是挑战，钢材市场竞争异常激烈、残酷，促进我国钢铁工业必须加 快步伐结构调整，下决心淘汰落后企业和落后设备，更快地提高钢铁行业经济运行的质 量和竞争力，必须依靠技术进步，抓住机遇，迎接挑战，加速向钢铁强国迈进。只要用 先进的技术改造钢铁企业，加上我国劳动力和能源价格低的优势，在国际市场上还是会 有定的竞争力的。 在钢铁工业的发展进程中，其基本原理并没有出现根本性的变化，但钢铁生产工艺 流程中各工序的技术形成以及工程的组成内涵则发生了巨大的变化，从而使钢厂结构模 式及制造流程发生了深刻变化。2 0 世纪5 0 年代氧气转炉的出现，使炼钢工业面貌迅速 改观。7 0 年代石油危机以后，由于能源价格上涨，连铸技术迅猛发展，全连铸制造流程 兴起，初轧机、平炉逐渐被淘汰。连铸坯热送和直接轧制的实现，近终形连铸的开发， 钢厂的生产向专业化、系统化发展。另一方面由于废钢资源的积累，以及电炉炼钢技术 的不断发展，电炉冶炼和连铸生产周期有可能相互匹配，形成以废钢为主要原料的现代 炼钢生产流程。现代炼钢生产应该从生产线的角度来考虑，钢厂的技术改造就是对生产 线的改造。也就是说在各工序功能分解、优化的基础上，进行相邻工序功能的衔接、匹 配以及若干区段内流程的重组，形成具有本厂特色的生产线。 现代化的炼钢生产流程主要由原材料处理、炼钢炉、炉外精炼、连续连铸组成，图 1 1 是以铁水为主要原料的炼钢生产流程示意图。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 炼钢生产流程简图 f i g 1 1a b s t r a c t o f s t e e l m a k i n g p r o c e s s 从整个生产流程线的角度来看，炼钢是一个连续的生产过程，但其中某些反应器的 操作却是间歇性的。只有整个生产线流程顺畅，各个环节衔接良好，充分发挥各自的功 能，才能得到良好的经济效益和产品质量。 1 2 中间包的作用 中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从钢的初炼、精炼到连铸生产流程中， 保证获得高质量钢的关键一环。 在连续铸钢的发展初期，中间包只是作为钢水的储存和分配器来使用。只要中间包 水口不冻结，能够顺利浇注，就已经满足要求。对钢水的成分和纯净度有什么要求，总 是在上游的熔炼和精炼中寻求解决办法：而在连铸工艺方面发生困难，就到下游的连铸 机找原因。中间包被认为是一种简单的装备，没有什么特别的重要性。七十年代虽然也 进行中间包水口吹氩，但只是为了减轻水口堵塞，使浇注操作能够顺利进行。 随着连铸的发展，关于钢水质量对连铸工艺的重要意义渐渐为人们所认识。为了保 证连铸颅行，实现多炉连浇，钢水必须有足够的纯净度，钢水成分范围要尽可能精确控 制，钢水温度和过热度要在一定的时间内保持稳定，因此钢包冶金的作用和地位受到了 更大的注意。然而在钢包冶金中提高了钢水纯净度以后，钢水被再次污染的危险性也就 更大。随着钢水和环境( 大气、耐火材料等) 间杂质浓度差别( 或化学位差别) 的增大， 重新污染的可能性和速率都将增大。因此钢水通过中间包的过程中，发生某些物理和化 学的变化是不可避免的。问题在于是否将中间包作为一个冶金反应器加以充分利用。因 此在钢包冶金以后，中间包冶金逐渐被认识。 “中间包冶金”的概念是在八十年代初期提出的，近二十年来，国内外关于中间包 冶金的研究，逐渐成为热门论题，并形成在生产中实际应用的技术措施。如中间包结构 设计、抑制二次氧化、耐火材料和覆盖渣控制、更换钢包操作时温度和成分控制、吹氩 清洗、过滤、中间包钢液加热等，中间包冶金的概念被广泛接受。中间包冶金应该发挥 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的作用有： f 1 ) 清除钢水再次污染的来源：减少二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少钢包渣的 卷入以及渣中不稳定氧化物的危害。 ( 2 ) 改善钢水流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物：防止短路流，减小死区， 改进流线方向，增加钢水在中间包中的停留时间。 ( 3 ) 选择合适的包衬耐火材料和钢液面覆盖剂：即减轻热量的损失又有利于钢中夹 杂物的去除。 ( 4 ) 控制好钢水温度，必要时增加加热措施，使钢水过热度保持稳定。 中间包冶金有独特的理论特点和研究方法。作为一种连续操作的反应器，和转炉、 电炉及钢包等间歇操作反应器的概念是不同的。中间包内基本的物理现象是钢液的流 动，各种冶金过程包括钢液中夹杂物的去除、卷渣、温度的均匀化等，都是在流动的钢 液中进行的。因此研究中间包内钢液的流动是中间包冶金的基础。 1 3 安阳钢铁公司第二炼钢厂概况 安阳钢铁公司第二炼钢厂现有三座2 5 吨氧气预吹转炉，两座6 0 0 吨混铁炉，配有2 台1 2 0 1 2 0 衄n 2 小方坯连铸机、1 台1 5 0 x 1 5 0 m m 2 方坯连铸机、1 台1 8 0 x 2 6 0 m m 2 的 矩形坯连铸机和一台超低头板坯连铸机，实现了全连铸生产，2 0 0 5 年产钢2 1 8 8 万吨。 主要生产普碳钢、低合金结构钢、2 0 9 、船板系列、1 6 m n 系列等钢种。1 5 0 x1 5 0 m m 2 方坯连铸机生产的铸坯供本公司无缝钢管厂，长期以来，由于铸坯夹杂物较多，铸坯缺 陷较多，无缝管成材率比较低，铸坯退废率偏高，成本较高。 1 4 本论文的主要内容 本课题以安钢第二炼钢厂方坯连铸中间包为研究对象，建立了中间包钢液流动的水 力学模型，通过水力学模型试验，优化中间包的内部结构，以减少钢液中的夹杂物含量， 得到合理的、优化的中间包内部结构。通过应用，铸坯实物质量明显改善，无缝管成材 率显著得到提高，铸坯退废大量减少，取得了较大的经济效益。 3 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 连铸技术发展概况 钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。连续铸钢是一项把钢水直 接浇注成型的新工艺。它的出现从根本上改变了个世纪以来占统治地位的钢锭一初轧 工艺”。 连续浇注金属液的思想可以追溯到1 9 世纪中叶，其代表人物是美国人塞勒斯 ( s e l l e r s ，1 8 4 0 年) 、雷恩( l a i n g ，1 8 4 3 年) 和贝塞麦( b e s s e m e r ，1 8 4 6 年) 提出的， 当时只能用于连铸低熔点有色金属。最早( 1 8 8 7 年) 提出与现代连铸机相似设备建议的 是德国人戴伦( r m d a e l e n ) ，包括水冷结晶器、上下敝口的结晶器、液体金属流的注 入、二次冷却段、引锭秆、夹辊和铸坯切割装置等设备和工艺。1 9 2 1 年皮尔逊提出结晶 器振动概念，使铸坯与结晶器之间做连续相对运动。丽最早应用于浇注钢液的连铸机是 德国人琼汉斯( j u n g h a n s ) ，1 9 3 3 年琼汉斯在德国建成了第一台浇注铜铝合金的试验连 铸机，使有色金属连续浇注于3 0 年代就应用于生产。在4 0 年代，由琼汉斯在德国建成 了第一台浇注钢水的试验连铸机( 1 9 4 3 年) ，其提出的振动水冷结晶器、浸入式水口、 结晶器保护剂等技术观点为现代连铸机奠定了基础。1 9 5 1 年世界上第一台工业性连铸机 在原苏联红十月钢厂投入使用i ”。 连铸的出现是钢铁工业的一次大飞跃，由于取消了初轧，全连铸的实现使炼钢生产 工序简化，流程缩短，使生产流程紧凑化，生产效率显著提高。同传统的模铸相比，连 铸具有提高金属收得率，和降低能量消耗的优越性，便于生产实现机械化和自动化，从 而大大降低生产成本，更符合可持续发展的需要，因此大力发展连铸技术是改进炼钢厂 工艺流程结构的突破口。 2 0 世纪5 0 年代，作为钢铁工业革命标志的连铸技术发展起来，其特点是过程速度 快，投资集中，技术日趋完善。据统计，1 9 7 0 年全世界连铸比仅为5 6 ，1 9 9 0 年全世 界连铸比已达到6 2 4 ，1 9 9 8 年全世界连铸比已达到8 3 3 。 连铸技术在我国起步并不晚，我国于1 9 5 7 年就开始连续铸钢的试验研究，在1 9 5 8 年我国就建成了第一台连铸机组，但此后相当长的一段时间处于停滞状态。到8 0 年代 初，已和发达国家有了相当的差距，1 9 7 8 年我国的连铸坯产量仅为1 1 2 7 万吨，连铸比 仅为3 5 5 。8 0 年代中后期，在“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的方针指 导下，我国的连铸技术有了迅猛的发展，1 9 9 0 年连铸坯产量达到1 4 8 0 7 3 万吨，连铸比 为2 2 3 1 1 9 9 4 年，连铸坯产量升至3 8 8 5 0 3 万t ，连铸比为4 0 3 ；到1 9 9 7 年，连铸 坯产量已达到6 6 0 6 万t ，连铸比提高至6 0 6 5 ；我国2 0 0 3 年连铸坯产量2 1 1 亿吨，连 4 东北犬学硕士学位论文 第二章文献综述 铸比达8 5 3 6 ，连铸比1 0 0 的连铸车间6 9 个【3 1 。2 0 0 5 年，我国连铸生产伴随着钢铁 生产持续高速增长的形势，再次取得可喜的成绩，截至2 0 0 5 年1 2 月下旬，全国连铸坯 总产量约为3 3 4 2 0 万吨，同比增加约6 8 9 7 万吨，增长约2 6 ，从连铸比上看，2 0 0 5 年 全国连铸比约为9 6 4 4 ，同比增长约o 1 4 个百分点【4 】。 连铸技术经过四十年代的试验开发、五六十年代的工业连铸的确立、七十年代的大 发展、八十年代的技术的成熟和九十年代新技术的开发，其技术特点主要有以下几个 ( 5 - 8 ： 1 ) 钢水准备：钢水气体和电磁搅拌、喂线、真空处理、喷粉、化学和物理加热、 保护浇注等技术。 2 ) 中间包：感应和等离子加热、氩气搅拌、流量精确控制、覆盖剂、钢水过滤、 钢流控制、热中间包返回交换、碱性包衬、中间包真空浇注、水口在线快换等技术。 3 ) 结晶器：浸入式水日、电磁搅拌、热顶结晶器、电磁制动、在线调宽、液压振 动、非j 下弦振动等技术。 4 ) 二次冷却及铸坯导向：汽水雾化冷却、e m s 、轻压下技术、铸坯表面在线检测 等技术。 近年来，随着高效连铸、洁净钢生产技术和近终形连铸( 包括薄板坯连铸) 技术的 发展，提出了高拉速、高连浇率、高作业率、高无缺陷率等一系列目标。其中，高拉速 是提高生产效率最有效的手段，是核心技术。进步提高铸坯产量和质量，是和连续铸 钢技术系统优化分不开的，从整个生产流程线的角度来看，炼钢是一个连续的生产过程， 但其中一些反应器的操作却是间歇性的。只有整个生产线流程顺畅，各个环节衔接良好， 充分发挥各自功能，才能得到良好的经济效益和产品质量。 随着对钢质量要求的逐步提高，连铸技术的发展和完善。连铸中间包已作为重要的 冶金反应器被大家接受和研究1 9 】。 2 2 中间包冶金技术的发展 为生产高质量的钢必须使生产系统成为一个“质量链”，从这个意义上讲，不仅考虑 钢包冶金，而且考虑中间包冶金1 1 0 。中间包作为个典型的连续精炼器必须满足下列要 求( 图2 1 ) ： 1 ) 排除钢水污染源，即二次氧化、耐火材料浸蚀和因涡流从铜包带入的渣。 2 ) 促进夹杂的上浮和分离，即增加钢水在中间包内停留时间，改进控制装置以避 免涡流和使死区减少到最小程度。 3 ) 引入其它技术达到目标，例如渣检测装置，加热装置和改善钢水分配系统等。 - 5 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 图2 1 中间包精炼反应示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a po f r e f i n i n gr e a c t i o ni nt u n d i s h 中间包一般有包体、包盖、水口和控流装置组成。包体的外壳一般用厚度为1 2 2 0 m m 的钢板焊成，要求具有足够的刚性，长期在高温环境下承受浇铸、搬运、清渣和翻包的 操作时结构不变形。中间包内衬有耐火材料。中间包包盖主要用于保温，减少钢液的散 热损失。一般小容量为整体形，大容量可由几部分组合而成。 中间包容量是中间包的一个重要参数，一般取盛钢桶容量的2 0 - - 4 0 ，小容量盛 钢桶取大值，大容量盛钢桶取小值。随着高效连铸的发展，铸速显著增大，中间包容量 也应该相应增大，否则钢液在中间包内停留时间缩短，对排除钢中非金属夹杂物不利。 2 2 1 防止中间包钢水污染技术 防止中间包钢水的污染技术主要包括：防止钢液的二次氧化，防止耐材的浸蚀以及 防下渣和卷渣技术。其目的是使钢水的纯净度保持精炼后的水平。 二次氧化是污染钢液的重要原因1 9 1 ，防止注流卷吸空气的措施是采用保护浇铸技术， 从钢包到中间包注流采用大包长水口或者吹惰性气体，中间包可以考虑使用密封罩或者 加入覆盖剂，同时吹入氩气，从而有效的防止大气的侵入，结果使钢中的夹杂物含量显 著降低。 被浸蚀的中间包耐火材料一部分成为二次氧化的氧化源1 9 。13 1 ，一部分进入钢液中成 为非金属夹杂，为减少中间包耐材对钢液的污染，中间包的材质从以前的耐火砖或高铝 砖，发展到曾经普遍使用的硅质绝热板，而为生产高质量钢所应使用的碱性耐材得以使 用。据报道采用镁质包衬可吸收夹杂 1 j , 1 2 1 。电解分析采用硅质绝热板和镁质涂料，内弧 夹杂从0 0 0 3 8 0 0 0 9 6 降到0 0 0 0 9 0 0 0 2 4 ，外弧夹杂从o 0 0 9 4 0 0 0 2 7 降到 o 0 0 0 7 0 0 0 1 6 【1 。石灰质中间包内村不但可以控制钢中夹杂物的s i 0 2 成分，而且有助 于去除钢中的夹杂【1 4 】。 在浇铸的非稳定期钢包中的钢渣可能进入到中间包中，中间包不但成为钢液中的氧 - 6 查些查兰塑主生垒丝塞 箜三主查苎堡查 源，而且可能成为钢中的氧、硫、磷的储存器，在以后浇铸时，因为从钢包中卷入的渣 或连浇下一炉钢水时，中间包渣可能成为“泵”，将氧、硫、磷送回到钢中。在钢包敞 开浇铸时都用目测来判断钢渣的流出，采用长水口浇铸时，采用电磁装置、振动探头和 称重的方法等等【1 6 】，而采用浮游阀法( 图2 2 ) 也取得良好的效果。 图2 2浮游阀示意图 f i g 2 2 s k e t c hm a po f f l o a t i n gv a l v e 图2 3h 型中间包示意图 f i g 2 3 s k e t c hm a po f ht y p et u n d i s h 为防止中间包钢渣进入到结晶器中，在稳定浇铸时采用长水口可以稳定液面波动 t t l 。设置导流装置以及选择合理的浇铸速度可以减小液面波动，显著减少钢液卷渣l l ”。 在非稳定浇铸过程中，汇流漩涡是产生中间包钢液卷渣的主要原因，因而在换包过程中， 防止钢液面低于临界液面是防止钢液卷渣的主要办法。日本神户制钢公司的大斜底中间 包及新曰铁公司的h 形中间包1 1 9 】( 图2 3 ) 都是通过提高钢液的高度来有效减少钢渣 的卷入。另外，采用钢水控制装置也可获得较好的效果，b s c 开发的旋转阀 2 0 和黄晔j 2 ” 开发的双功能塞棒d f s 都获得较好的效果。 2 2 2 中间包钢水净化技术 防止钢水被污染只是一种被动的方法，主动的方法是希望采取一定的手段将钢液中 的夹杂物脱除掉，钢液的净化主要通过夹杂粘浮在包衬上和大颗粒的上浮、气泡的浮选 f 2 2 0 3 1 来完成的。凡是有利于夹杂之间碰撞和粘并的行为都有利于夹杂的去除。其主要的 技术手段有中间包钢水流动控制、过滤器、中间包气体搅拌、离心流动中间包 ( c e n t r i f u g a lf l o w t u n d i s h ) 、应用新型中间包防涡流垫等技术1 2 3 ，2 6 1 。 ， 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 图2 4 中间包形状示意图 f i g 2 4 s k e t c hm a po f t u n d i s hs h a p e 实际生产中，中间包钢水的流动行为直接影响钢的洁净度，同时也是其它中间包技 术得以实现的基础。中间包钢水流动控制技术主要包括中间包的容量、形状的优化设计、 流动控制的研究等。 表2 1 不同形状中间包的夹杂去除率 t a b l e2 1r e m o v a lr a t eo fi n c l u s i o n si nv a r i o u ss h a p eo f t u n d i s h s b ( 船形) v t c h 2 8 3 4 3 8 4 1 5 2 8 l 8 7 9 l 9 3 9 7 9 9 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 采用合理的中间包形状和增大中问包容量，增加钢液在中间包的停留时间，使夹杂 物有充分的时间上浮。文献口7 1 中给出几种中间包的的形状( 图2 4 ) 以及其夹杂去除率如表 1 1 。m c p h e r s o n 2 4 1 给出了中间包为2 5 t 和4 5 t 时，沿坯子厚度方向大型a 1 2 0 3 的分布情况 一8 - 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 ( 图2 5 ) 。武钢通过中间包的扩容使w y k - 1 钢的轧后夹杂废品率从2 2 5 降到0 0 6 ， 电磁钢的夹杂总废品减少6 8 6 2 t 2 8 1 。吴魏嘲和富平原1 的研究也证明采用合理的中间 包形状和增大中间包容量有利于夹杂物的去除。 ： 3 鹾 三 西 嚣 县 毫 善 二 铸坯厚度 图2 5 夹杂物在铸坯上的分布 f i g 2 5 d i s t r i b u t i o no f i n c l u s i o n si nb i l l e t 在中间包内设置挡墙、坝和导流隔墙是控制中间包中钢液流动的最有效的手段。d j h a r r i s 等在中间包设置挡墙和坝结构后。使连铸坯由于表面铝酸盐夹杂而降级的数量由 l 下降到0 3 。安钢【25 二炼钢板坯连铸机通过中间包形状的改造和采用单墙、单坝控 制中间包钢水的流动，其总氧量平均降低2 2 5 ，金相夹杂平均降低3 7 7 ，大颗粒夹 杂平均降低1 2 3 ，夹杂退废降低了2 1 8 。 对于小颗粒夹杂去除的最有效的方法是采用钢水过滤技术。在冶金方面自1 9 6 9 年 k l b r o n d y k e l 2 9 等首次报道了用a 1 2 0 3 球过滤床过滤灿合金的试验工艺，过滤技术及 相关工艺的研究取得很大的进展。美国s e l e e 钢铁公司l 蚓生产的过滤器应用在中间包， 可经受5 5 5 小时的冲刷和浸蚀，去除总氧效果为4 0 - - , 8 0 。国内董履仁等研究的c a o 质直通孔型过滤器在连铸生产中应用也取得较好的效剁3 l 】。 中间包吹氩具有促进夹杂颗粒的碰撞长大和捕捉夹杂的两种作用。日本住友金属鹿 岛厂在中间包采用微孔直径2 0 0 u i t m 多孔砖吹氩，并在吹氩区的上游设置一挡墙，实验 证明对管线材的h i c 指标有显著改进【3 2 1 。新日铁采用旋转喷嘴( 图2 6 ) 去处钢中的夹杂， 这种方法对5 0 t m 以下的夹杂去处很明显p ”。包燕平通过水模实验研究证明，结果如表 2 2 1 劓1 ，靠近注流区吹氩效果较好，可有效提高滞止时间，减小死区，并改进钢液的流 - 9 查! ! 垄堂丝主兰堡垒查 一一j 兰三二生二墅! ! ! i 兰 动。 图2 6 旋转喷嘴示意图 f i g 2 6 s k e t c hm a po f r o t a t e dn o z z l e 表2 2 中间包吹气位置的测试结果 t a b l e 2 2 t 8 f 啪n o n b l o w i n g p o s i t i o n i n t u n d i s h 2 3 连铸过程钢水流动的研究 对物理过程或现象进行研究，就其研究方法而言，有四种方法：模型试验、现场测 试、理论分析和数学模拟。其中，最可靠的数据往往要由实验测量得到，采用全比例设 备进行研究，可以预测由它完全复制的同类设备在相同条件下运行的情况。但大多数情 况下，这种比例试验是极其昂贵的，特别是冶金过程，原料条件复杂、装置庞大，过程 在高温条件下进行，往往是不可能的。因此，人们通常采用模拟方法进行研究。 所谓模拟( 也称仿真) ，是指不直接研究现象或过程本身，而是用与这些现象或过 程相似的模型来进行研究的一种方法。模拟可分为物理模拟和数学模拟。 物理模拟是在不同规模上再现某个现象，分析其物理特性和线性尺度的影响，可对 所研究的过程进行直接试验。物理模拟多在按相似准则构成的实验室设备或中间实验设 备上进行，即所谓相似模拟p ”。 1 0 - 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 数学模拟是指用数学模型来使现象或过程再现。以理论代数方程和微分方程为基础 建立起数学模型，通过求数值解来定量描述一个方程或一个过程的某些方面，它分为机 理模型、半经验模型和输入输出体系模型。 近年来，随着数值计算理论的不断深化，测试技术和手段的不断发展，数学物理模 拟研究方法在研究冶金的传输过程中发挥着重要作用。 2 3 1 钢水流动的物理模拟研究 连铸中流场的物理模拟是遵循相似原理，以模型与原形之间的物理相似、几何相似、 边界条件相似为基础，用模型来模拟钢水流动特征和冶金现象。 连铸中流动的物理模拟一般采用水模型来模拟。这是因为水透明无毒，易于控制、 观察和测量，同时根据萧泽强的研究和1 ：1 水模型原理 5 3 1 的阐明，用水模拟钢液流动 是可行的。2 0 c 水和1 6 0 0 c 钢液的运动粘度相近，其各自的物理性质见表2 3 。 表2 3 水和钢液的物理特性 t a b l e2 3 p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f w a t e ra n dm o l t e ns t e e l 中间包钢液的流动可以看作是钢包注流和钢水静压力引起的强制流动，流体流动时 受到惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用，包含这些力的主要相似准数及其在中间 包水模型的应用范围见表2 4 吼 对于中间包流场主要研究流体流动的状态和流动的速度，停留时间的分布，流场中 夹杂的行为等等。 1 ) 停留时间的分布：一般采用刺激响应法，在中间包注流处输入一个刺激信号， 信号一般使用示踪剂来实现，然后在中间包的出口处测量该输入信号的输出，从响应曲 线得到流体在中间包内的停留时间分布。 2 ) 流体流动状态：流体流动状态主要通过流动显示技术显示出流动图形，然后即 可通过直接观察，也可以通过照相或摄影的方法记录下来。目前水模型常用的显示技术 有示踪法，包括粒子( 聚苯乙烯塑料粒子，铝粉等) 示踪，染料( 高锰酸钾，笨，二甲苯等) 示踪，小氢气泡示踪，高速摄影显示等方法。 3 ) 流速的测定：常用的流体的测速方法有激光多普勒测速和热线( 膜) 流速仪测 东北失学硕士学位论丈 第二章文献综述 速。 4 ) 非金属夹杂的模拟：一般采用空心玻璃球或发泡塑料粒予模拟。 表2 4 与中问包水模型有关的相似准数 t a b l e 2 4s i m i l a r i t y n u m b e r s o n w a t e r m o d e l o f m n d i s h 中间包内的流体的流动状态可以分为如下几种情况【”】： 1 ) 短路流：从钢包注入到中间包内的钢流直接到达中间包水口并注入结晶器。杂 物没有上浮的机会，钢流也就没有净化的可能。 2 ) 活塞流：又称层状流，钢流到达中间包后，依次向前推进，并伴有部分混返， 夹杂物的运动受钢液粘滞力的影响，并遵循s t o k e s 定律。 3 ) 混返流：钢掖进入中间包后，立刻与其它钢液混合。夹杂物上浮的可能性与钢 液运动的路线及平均停留时间有关，并受惯性力或紊流粘滞力的控流，夹杂物的传输受 涡流的影响。 4 ) 钢液运动的速度很低，与其它钢液交混慢。夹杂物有可能上浮或不运动，死区 的存在相当于缩小了中间包的有效容积，使钢液的停留时间缩短，不利于夹杂物的上浮。 d j h a r r i s 3 8 】研究结果表明，中间包使用挡墙后，各部分体积见表2 5 。 柳州钢铁厂通过在中间包设嚣坝堰的水模试验得到表2 6 的结果【3 9 1 ，反映坝堰的位 置、坝的高度、堰的浸入深度。坝堰之间的距离对中间包内钢水流动的影响不容忽视， 而且坝堰设计各个参数的变化对中间包工艺参数的影响也不尽相同。当设置单一的坝 时，固定坝的位置，坝的高度增加时，其死区交小，活塞区增大。当同时设置坝堰时， 不仅与坝的高度、堰的浸入深度有关，还与坝堰各自的位置及二者的距离有关。 1 2 表2 5 中间包内设置挡墙和坝后流动状况分析 t a b l e2 5c u r r e n tp o s i t i o na n a l y s i sw h e nb a r r i c a d ea n dd a mh a v eb e e nu s e di nt u n d i s h 活塞流体积( ) 混合流体积( ) 死区体积( ) l o 8 2 8 2 0 7 7 3 2 8 6 6 6 表2 , 6水模实验的死区、活塞区、混合区体积分数( ) t a b l e2 6v o l u m ef r a c t i o no f d e a ds p a c e ，p i s t o ns p a c ea n dm i x i n gz o n e i ne x p e r i m e n to f w a t e rm o t i l e ( ) 序号 坝高 ( m m ) 堰深 坝距入水口距离坝堰距离 ( )( m )( m ) 知 9 审 0 0 0 1 0 1 2 0 1 3 0 1 1 3 1 2 3 1 3 3 l 3 1 1 3 2 1 3 3 1 3 3 2 3 3 3 h o l h 0 2 l 0 1 l 0 2 l 0 3 o 2 5 0 3 0 0 4 0 0 2 5 0 3 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 2 5 0 2 5 0 2 5 0 2 5 0 2 5 0 7 2 0 7 2 0 7 2 0 7 2 0 7 2 0 7 2 0 7 2 0 7 2 0 7 2 0 7 8 2 8 4 4 6 2 0 6 2 0 7 2 0 7 8 2 7 8 2 2 5 0 2 5 0 2 5 0 2 5 0 2 7 1 2 6 4 3 2 8 3 2 0 2 0 4 2 1 o 2 6 7 2 8 - 3 3 0 1 6 4 9 6 6 7 6 3 | 4 6 2 9 7 0 9 7 1 1 6 7 0 6 5 5 6 4 5 l 0 4 2 5 04 0 08 4 4 2 5 05 13 1 46 3 5 - 1 3 - 5 6 5 4 5 4 o 8 z l & e 戡 一 7 7 6 6 6 6 6 6 6 j 9 j 名 5 9 t 他 丝 m 巧 m 笛 巧 9 7 6 5 7 0 1 h 争 & 丘 z o 9 8 1 7 9 3 2 4 8 6 3 5 8 7 6 6 5 瑚 拗 m 珊 瑚 抛 瑚 枷 o o o o 枷 枷 枷 枷 瑚 姗 枷 枷 枷 枷 枷 枷 枷 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 综合以上文献来看，针对中间包钢液流动的控制，很多的研究者做了大量的水模型 实验。其一致的结论是：中间包设置坝堰后，可以增加钢液的停留时间，改善流动状态， 有利于夹杂的上浮，而且用带孔挡墙的效果优于用坝堰的效果。同时，由于条件的不同， 水模型得到的结论有一定的差异，因而应结合具体的条件使用该技术。 利用水模拟研究中间包内流场的主要方法有： ( 1 ) 用测速仪、波高仪、测压仪等仪器对流场进行定性的测量； ( 2 ) 用染色剂、示踪剂作为媒体，采用摄影等方法对流场进行定性测量。 利用激光学中的多普勒效应即利用检测流体中跟随流体一起运动的微小颗粒的散 射光来测定速度，它要求流体及容器有一定的透明度，利用波高仪测量液面波动情况， 利用测压仪测量液体内部静压力，都可以直接或间接的测量出液面的情况。 常用的方法显示水模型中的流动现象有： ( 1 ) 着色法：将有色液体引入水中来观察水的流动状态。如墨水、牛奶、高锰酸钾 等。文献推荐以牛奶为好，牛奶不仅颜色清楚，且含脂肪，在水中不易扩散，稳定性好； ( 2 ) 悬浮物法：用一些可见的固体微粒或油滴混在水中，从它们的运动情况可推断 水流的流动情况。悬浮物有聚苯乙烯、铝粉、油滴、充满水的乒乓球等。一般推荐用铝 粉，因铝粉粒度细，有很好的跟随性，反光性好，且需加入量少，不影响水的透明度； ( 3 ) 气泡法：在水流中通电后，阴极产生氢气泡，或直接往流体中吹气，观察气泡 的运动，便可了解水的运动。当流场显示出来以后，再用高速摄影仪或频照相机对流场 进行记录、分析。 2 3 2 钢水流动的数学模拟研究 钢液在中间包内的流动是一个复杂的湍流流动过程，对于湍流流动过程的描述采用 时均化处理，同时为解决由于脉动引起的动量变化即雷诺应力造成的方程不封闭，1 8 7 7 年b o u s s i n e s q 引入了紊流粘度的概念 1 0 】。使湍流方程和层流统一于有效粘度的概念。目 前，紊流粘度系数的模型主要有三种类型：零方程模型、单方程模型和双方程模型。在 解决中间包流场的计算中一般采用k - e 模型。描述钢液在中间包内流动的方程有连续性 方程、动量方程即纳维尔一斯托克斯( n a v i e r - s t o k c s ) 方程，以及描述湍流摩擦的k e 方程。假设中间包内的钢液的流动是稳态的并且密度p 为常数，各方程表示如下 4 0 越】： ( 1 ) 连续方程 堕：0 犯1 ) 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章丈献综述 式中 ( 2 ) 动量方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) n 粤：一要+ r 粤+ w ， ( 2 2 ) 。i8 x i a x 。8 xi ? 。? a l ta 1 i 。 鸬= + 爿 ( 2 3 ) ，：p c 。壁( 2 4 ) ( 3 ) k 双方程 k 方程： ，字：昙芦。当+ ( c i g 占- 。，c 2 p ：) ( 2 5 ) 以瓦。瓦葛。i 世 【2 j ) 方程： 隅孚： r 韭。善j + g w ( 2 6 ) ox | 0 x |oxdx t 式中： g ：。拿ir 耋l + 挈上j ( 2 7 ) 6 x 0 x i dx 。 目前对于解决复杂偏微分方程最有效的手段是采用数值计算的方法：其主要包括有 边界元洼、有限元法和有限筹分法1 4 3 】 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章中间包结构的物理模拟试验研究 第三章中间包结构的物理模拟试验研究 连铸中间包不仅具有储存和分配钢液的作用，而且中间包内的流动特征还直接影响 铸坯的质量。在中间包内安装各种控流装置，获得较优的中间包流场，是提高铸坯质量 的有效手段。但各种控流装置的设计目前还没有一定的规律，必须根据具体的中间包流 场采用物理模拟试验进行优化，从而得到优化的中间包流场。 3 1 相似原理及中间包水模型的建立 中间包内钢液的流动，是钢液在重力作用下从钢包水口流入中间包，然后从中间包 水口流出。在这种情况下，一般可视为粘性不可压缩稳态流动，同时可以忽略化学反应 的影响。因此系统只要满足几何相似和动力学相似就可以满足模型和原型的相似。 中间包中钢液的流动可以看作是钢包注流和钢液静压力引起的强制流动，影响其流 动状态的作用力主要有惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用。在单一模型中，要保 持模型与原型中所有准数相同是不可能的，因此在进行中间包钢液流动的物理模拟时， 应根据不同的实际情况，以及研究的主要目的，选择起主要作用的准数相等进行模拟。 根据流体力学原理，当流体流动的r e 数大于第二l | 岛界值时，流体的湍动程度及流 速的分布几乎不再受r e 数的影响，此时流体的流动状态不再变化，且彼此相似，与r e 数不再有关，也就是说流体流动进入第二自模化区域。当原型的r e 数处于第二自模化 区以内时，则模型的r e 数不一定与原型的r e 数相等，只要也处于