模铸连浇中间包控流装置优化的水模实验

黄永锋 文光华 唐 萍 祝明妹

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044)

在大钢锭模铸浇注过程，中间包是钢包与钢锭模之间的中间容器，可以贮存一定数量的钢水，以保证在更换钢包时实现多炉连续浇注。中间包不仅可以稳定钢水的静压力，使钢流平稳，减少钢流对钢锭模内钢液的冲击和扰动，同时，有利于延长钢水在中间包内的停留时时间，促进非金属夹杂物上浮去除，从而提高钢水的洁净度[1、2]。

本研究针对某重型机械厂要求实现多炉连浇大型钢锭的需要，同时结合现场生产实际情况，考虑了中间包吊运、砌砖、安放和冶金效果等因素，对中间包的形状及尺寸进行了合理设计，最终确定了一个深熔池、大容量的椭圆形中间包，并通过水模实验对其控流装置进行了优化，达到改善中间包内钢液的流动特性和提高中间包去除非金属夹杂物的能力，提高钢水洁净度，从而保证大钢锭的质量。

1 实验原理与方法

1.1 实验原理

水模拟实验的理论基础是相似原理，即模型与实物中流体相似的基本条件是几何相似与动力相似[3～5]。本实验采用水力学物理模拟的研究方法，模型与原型的几何相似比为1∶4。动力相似要求模型与原型中的流体的雷诺准数Re和弗鲁德准数Fr分别相等。但是在模拟实验中，考虑到中间包内流体流动处于第二自模化区，因此，只要满足模型和原型的Fr准数相等，即可保证动力相似。

由于机械厂实行大包吊浇，没有长水口进行保护注流，即浇注方式为敞开浇注。模拟实验相应的流量相似比λp=0.031。中间包材质选用的是有机玻璃，用水作为模拟钢水介质进行实验研究，实验装置如图1所示。根据几何相似比1∶4，可知原型与模型的基本参数如表1。

1.2 实验方法

(1)实验采用“刺激—响应”技术[6、7]。将清水充满中间包，使其液位、流量稳定，将饱和食盐水作为示踪剂从中间包入口处加入，该时刻记为0时刻。同时在中间包出口处开始采集数据，实验采集时间总长度为理论停留时间的2倍。通过

1—中间包 2—流量计 3—示踪剂加入器 4—塞棒 5—RTD系统 6—数据采集系统图1 实验装置示意图Figure 1 The sketch of experimental device

参数原型模型中间包水口直径/mm中间包正常液位高度/mm钢包水口直径/mm入口流量Q/m3·h-1出口流量q/m3·h-1552 0008051.2851.2813.8500201.601.60

数据处理得到示踪剂随时间的变化曲线(即RTD曲线)，得到示踪剂从加入到流至中间包出口的开始响应时间及平均停留时间和浓度最大时的峰值时间值。根据Sahai[8]提出的修正混合流动模型，分析中间包内的活塞流体积、死区体积及混合流体积，从而定量描述中间包内流体的流动状况。为了确保实验结果的准确性，各实验方案重复3次，结果取3次的平均值。

(2)钢液中夹杂物采用聚苯乙烯塑料粒子进行模拟，该粒子平均直径为0.5 mm～1.0 mm，密度为0.99 g/cm3。根据修正斯托克斯公式计算，本实验可以模拟直径为50 μm～100 μm范围内夹杂物的排除情况。夹杂物上浮率的测定采用阶跃式加入方式，每次随大包注流加入定量(We)的塑料粒子，每次加入1 000粒，5 min后在中间包的水口下收集塑料粒子的捕集量(Wg)。捕获的聚苯乙烯粒子数量就是夹杂物进入大钢锭模的数量。捕集的夹杂物数量越多表明钢液在中间包内上浮率越低，即用去除率(1-Wg/We)×100%表示中间包去除夹杂物的能力[9～13]。

(3)实验用15 ml的染色剂兑定量的水从中间包入口处加入，然后用摄像机对中间包流场进行拍摄，分析比较空包与安装优化控流装置后的流场。

1.3 实验方案

针对设计的椭圆形中间包(见图2)，通过若干组水模实验确定了椭圆中间包的挡墙开孔高度、挡坝高度以及挡墙与挡坝的安装位置，即挡墙开孔高度为300 mm(原型)，挡坝高度为400 mm(原型)，挡墙与挡坝的间距为500 mm(原型)。

根据现场要求，在挡坝侧面开了一个200 mm×200 mm(原型)的泄钢口，为保证中间包安放及其与模铸真空室的密封，中间包的出口位置必须是偏心的。因此，考虑到挡墙开孔位置与泄钢口和中间包偏心出口位置对中间包流场的影响，本实验主要针对其挡墙下部开孔位置进行优化。为了保证挡墙下部有一定的通钢量，挡墙的开孔大小和形状保持不变，根据挡墙的开孔位置(见图2)左右移动设置了7组实验，从而选出最优的一组，实验方案具体如下：图2中1为方案1，即挡墙开孔位于正中间；图2中2、3、4分别为方案2、3、4，即开孔位置向中间包出口一侧依次移动80 mm(原型)；图2中5、6、7分别为方案5、6、7，即开孔位置向中间包出口相反方向，即挡坝泄钢口一侧依次移动80 mm。

(a) 中间包俯视图 (b) 中间包挡墙和挡坝图2 中间包及挡墙和挡坝示意图Figure 2 The sketch of tundish and its weir & dam

2 实验结果与讨论

2.1 夹杂物上浮结果与分析

根据实验方案，研究了各方案在正常浇注液位下中间包内钢中夹杂物的上浮情况。表2给出的是各方案中间包内夹杂物模拟实验结果。

表2 中间包内模拟夹杂物上浮去除实验结果Table 2 Experimental results of simulated inclusion separation in tundish

从表2可以看出，7组方案的夹杂物上浮率均达到了90%以上，空包的夹杂物上浮率也高达91.5%，这表明了此中间包对于促进夹杂物上浮非常有效，能起到净化钢水的作用。原因是此中间包的熔池深，容量大，对夹杂物的上浮非常有利。但是，通过这7组实验方案的结果比较来看，方案1的夹杂物上浮率最高，高达96.0%。同时不难发现，方案1- 4的夹杂物上浮率递减，而且方案5-7的夹杂物上浮率也在递减，这表明了挡墙下部开孔位置往中间包出口一侧移动时，夹杂物的上浮率降低；同时其位置往挡坝泄钢口一侧移动时，更不利于夹杂物的上浮。

可见，挡墙下部开孔位置对中间包流场影响较大，当其位于居中时，即方案1最有利于夹杂物的上浮去除。相对安装控流装置后空包下的夹杂物上浮率最低，这表明了控流装置在改善中间包流场，促进夹杂物上浮方面起到了一定的效果。

2.2 停留时间和流动模式组成分析

根据实验测定的RTD曲线结果进行分析，得出了各方案在正常浇注液位下流体在中间包内的停留时间及流动模式组成结果，见表3。

由表3可知，方案1- 4的示踪剂响应时间、平均停留时间及活塞流平均时间都依次递减，而且都不存在短路流；方案5-7的响应时间、平均停留时间及平均活塞流时间也在逐渐缩短，方案5不存在明显短路流现象，但是方案6和方案7均有短路流。这表明了挡墙下部开孔由中间向两侧移动时不利于延长流体在包内的停留时间，尤其是向挡坝泄钢口一侧移动还会出现短路流。从这7个方案比较可以看出方案1的停留时间最长，即响应时间为54 s，平均停留时间为446 s，活塞流平均时间为98 s，最有利于保证中间包内的夹杂物有足够的时间上浮去除。空包下的停留时间很短，响应时间只有26 s，平均停留时间为407 s，活塞流平均时间为32 s，而且存在明显的短路流，不利于钢液在中间包内的成分和温度均匀，更不利于夹杂物的上浮去除。

从表3给出的各方案中间包内流动模式看，方案1的死区体积最小，仅为15%；方案1- 4的死区体积有增大的趋势；方案5-7的死区体积增大的趋势更明显，这表明了挡墙下部开孔位置向两侧移动时都会增大死区体积。从活塞流体积分数可以看出方案1-7活塞流体积逐渐减小；方案1的活塞流体积最大，为19%。从Vp/Vd的比值容易发现方案1的比值最大，为1.27，其次是方案2和方案5，约为1.00。而空包条件下的死区体积高达22%，活塞流体积为6%，Vp/Vd值仅为0.27，显然空包下的流动模式很不合理。

表3 各方案的中间包停留时间和流动模式组成实验结果Table 3 Experimental results of residence time and flow pattern for each scheme

由此可知，方案1的停留时间最长，流动模式较合理。原因是当挡墙下部开孔往中间包出口一侧移动时，开孔位置越正对着中间包出口，流体翻越挡坝后到达中间包出口的距离越近，即流体在中间包内的停留时间越短；当开孔往挡坝泄钢口一侧移动时，由于泄钢口较大，流体会更容易从此流出，沿着包底迅速到达中间包出口，导致流体在中间包内的停留时间较短，流动模式较不合理，甚至还会出现短路流。而方案1的挡墙下部开孔位置处于这两种情况的正中间，既避免了短路流，又有利于延长流体在包内的停留时间和改善其流动模式。

因此，无论是从夹杂物的上浮率还是从RTD曲线分析结果来看，挡墙下部开孔位置位于正中间时，最有利于钢水成分和温度的均匀以及促进夹杂物上浮，提高钢水洁净度，即方案1为最优方案。

图3给出了正常浇注液位下安装优化控流装置(方案1)和空包的RTD曲线图。图中C0表示示踪剂平均浓度，τ表示理论平均停留时间。C/C0和t/τ是无因次浓度和无因次时间。

图3 方案1和空包时的RTD曲线图Figure 3 RTD curves of No.1 scheme and bare tundish

由图3可知，空包下的RTD曲线存在明显的尖峰，而且峰值很高，这表明了空包下流体在中间包内存在明显的短路流。安装了优化控流装置后，其RTD曲线峰值减小，而且不存在尖峰，消除了短路流。从RTD曲线还可以看出，安装了优化控流装置后示踪剂在中间包内的开始响应时间和峰值时间大大延迟。可见，安装优化控流装置后能明显改善流体在中间包内的流场。

2.3 钢液流场显示结果及分析

实验利用定量的蓝黑墨水作为流体的染色剂，并通过照相机进行了拍摄，分析空包和安装优化控流装置后不同时刻下中间包内流体流动状况。

图4显示了在正常浇注液位时 5 s、15 s和25 s空包下的流体流动状态。从图4可以看出，在无任何控流装置下，由于中间包熔池较深，容量也较大，染色剂随大包注流进入中间包后，只有少数染色剂达到包底。流体在中间包上部迅速扩散，其扩散速度比底部流体快得多，而且染色剂在空包内扩散速度很快，约25 s后染色剂就可以到达中间包出口。这表明了在没有安装任何控流装置时，流体在中间包内的停留时间很短，流动模式很不合理，不能保证钢水中夹杂物有足够的时间上浮去除，同时也不利于钢水成分和温度的均匀。

图5显示了正常浇注液位下 20 s、40 s和60 s时安装了优化控流装置(方案1)后的流体流动状况。由图5可知，染色剂随大包注流进入中间包注流区的停留时间很长，这有利于钢水成分和温度的均匀以及钢水中夹杂物的碰撞长大。在约20 s时流体开始穿越挡墙底部开孔，由于受到挡坝的阻挡，流体向上流动的趋势很明显，并翻越挡坝，流向中间包液面。同时可以看出，采用方案1的优化控流装置后，染色剂很少从挡坝的泄钢口流出。在约60 s时，部分染色剂开始达到中间包出口。

可见，安装优化控流装置后，流体在中间包内的停留时间大大延长，流动模式也较合理，有助于夹杂物随钢液向上流动，容易到达液面被中间包覆盖剂吸附，从而提高了钢水洁净度。

3 结论

(1)实验结果表明：最优方案为方案1，即开孔位置处于挡墙下部正中间。采用该方案正常浇注时，中间包内钢液的开始响应时间为54 s，平均停留时间为446 s，平均活塞流停留时间为98 s，死区体积为15%，活塞流与死区体积之比为1.27，夹杂物上浮率为96.0%，中间包内流场及夹杂物上浮条件得到了明显改善。

5 s 15 s 25 s图4 空包的流场显示图Figure 4 Flow field of the bare tundish

20 s 40 s 60 s图5 安装控流装置后的流场显示图Figure 5 Flow field of the tundish with flow control devices

(2)挡墙下部开孔位置由中间向两侧移动时，流体在中间包内的停留时间缩短，死区体积增大，尤其是向挡坝泄钢口一侧移动时，容易出现短路流，流动模式更趋于不合理。

(3)安装优化控流装置后流体在中间包内的停留时间大大延长，流动模式也较合理，明显改善中间包流场，有助于夹杂物上浮去除，从而提高了钢水洁净度。

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