八流大方坯连铸中间包结构优化的物理和数值模拟

刘 敏，温 翰，张 琪，唐宏伟，李 源，陈 敏

(1.鞍钢股份有限公司 炼钢总厂，辽宁 鞍山 114000;2.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

连铸中间包不仅起到稳压、分配钢水以及保证连续浇铸等作用，还具有均匀中间包内钢水温度、延长钢水停留时间、促进夹杂物上浮去除、提高铸坯质量等功能.随着对铸坯洁净度要求的不断提高，通过在中间包内设置合理控流装置以改善包内钢水流动特性，以提高中间包冶金效果的措施日益受到重视［1］.对多流中间包而言，不仅需要考虑夹杂物的去除，还应兼顾包内各流流动的一致性，促进各流间钢水温度的均匀，以保证铸坯质量和生产顺行［2］.

某钢厂八流方坯连铸中间包由对称的两个中间包组成，包型介于“V”型与“C”型之间，属于狭长型多流中间包，其中间包结构和连铸工艺参数分别如图1和表1所示.现场调研发现，该中间包冲击区附近包壁冲刷严重，各流间钢水温差较大，不利于生产顺行.鉴于该类包型多流中间包内钢水流动特性的相关研究鲜有报道，本研究拟通过物理和数值模拟方法，通过对控流装置的结构优化，达到改善中间包冶金效果之目的.

图1 原型中间包与冲击区结构示意图Fig.1 Schematic of prototype tundish and impact zone

表1 八流大方坯中间包主要结构参数与连铸工艺参数Table 1 Main structural and technological parameters of the 8－strand bloom tundish

1 物理模拟

根据相似原理，为保证模型与原型中间包内流体流动相似，需要满足几何相似和动力相似，即保证模型与原型的弗鲁德准数相等.本实验选取模型与原型几何相似比为1∶3，不同断面尺寸、拉速下原型与模型的流量关系如表2所示.实验通过测定各流停留时间分布RTD曲线，以此分析中间包内流体流动特性.其中，Tmin为响应时间，Tmax为峰值时间，Tav为平均停留时间，Vp为活塞流体积分率，Vd为死区体积分率，Vm为全混流体积分率［3］.

表2 原型与模型中间包参数对应关系Table 2 Parameters of prototype and model tundish

为进行包内各流流动特性做的综合评价，引入了整体平均停留时间，进而可求出中间包整体死区体积比率.为考察中间包各流流动的一致程度，引入标准方差S用于考察各流响应时间、停留时间的分散程度.标准方差S越小，表明包内各流一致程度越高［4］.

2 数值模拟

2.1 基本假设

(1)钢液为不可压缩的黏性流体;

(2)中间包传热过程为稳态;

(3)忽略中间包钢液面的波动及钢液面渣层的影响;

(4)忽略温度对钢液密度的影响，即密度为常数.

2.2 控制方程

中间包内钢液的流动考虑为稳态不可压缩湍流流动，采用κ－ε双方程模型模拟湍流，中间包内钢液流动和传热的数学模型表示如下.连续性方程

动量方程(Navie－Stokies方程)

能量方程

湍动能(κ)方程

湍动能耗散率(ε)方程

其中，

以上各式中:ρ为钢液密度，kg/m3;ui，uj分别为i，j方向的时均速度，m/s;xi，xj分别为 i，j方向上坐标;P为压力，Pa;μeff为有效黏度系数，kg/(m·s);gi为重力加速度在i方向上的分量，m/s2;t为时间，s;H为焓，J/kg;keff为有效传热系数，W/(m·K);κ为流体湍动能，m2/s2;G为湍动能产生率;ε为湍动能耗散率，m2/s3;μ为分子黏度系数，kg/(m·s);μt为湍流黏度系数，kg/(m·s);C1，C2，C3，σκ，σt为经验常数，取值为 C1=1.43，C2=1.93，C3=0.09，σκ=1.00，σt=1.30［5］.

2.3 边界条件

3 实验方案

在原型中间包的基础上设计了2种实验方案，如表3所示，实验中通过调整开孔尺寸和位置找出最合理的方案.两方案中间包具体结构设计如图2所示.

表3 实验方案Table 3 Experimental schemes

在方案2中，采用直角双开孔稳流器，正面开孔直径φ1，正面流股与包壁平行，侧面开孔直径φ2，φ1＞ φ2，具体结构与开孔位置如图 2(a).在方案3中，采用斜角双开孔稳流器，正面开孔直径φ3，正面流股流向2、3流水口之间，侧面开孔直径φ4，φ3＞φ4，φ3＞ φ1，φ2＞ φ4具体结构与开孔位置如图2(b).

图2 稳流器结构示意图Fig.2 Schematic of stabilizer structure

4 结果与讨论

4.1 物理模拟结果

图3 原型中间包内钢水停留时间分布曲线Fig.3 RTD curve of the prototype tundish

图3是中等水平通钢量条件下原型中间包钢水停留时间分布曲线，其流动特征参数如表4所示.可以看出，在原型控流条件下，钢水自湍流控制器流出后，直接到达3、4流水口，其响应时间仅为26 s、25 s，表明钢水停留时间短.而1流、2流的响应时间分别为149 s和70 s，与3流、4流的响应时间差别大.各流响应时间的标准差为58，各流停留时间的标准差为185.1流的响应时间过长，表明钢水自稳流器流出后，经与3流、4流间包壁碰撞回折到达2流时流速已经非常缓慢，需要较长时间才可到达最远端的1流.正是由于这个原因，导致包内钢水温度的均匀性很差，1流常因钢水温度过低而提前结冻，影响生产顺行.此外，由于包内死区体积高达37.5%，导致钢水实际停留时间变短，不利于夹杂物上浮去除.

图4 最优方案(方案3)内钢水停留时间分布曲线Fig.4 RTD curve of the optimization scheme

为解决上述问题，方案2中稳流器正面开孔平行包壁，以实现流股尽快到达1流，实验结果如表5所示.与原稳流器相比，钢水流动范围扩大，中间包整体死区体积分率显著降低.中等流量条件下，整体死区体积比率降低至26.3%，第1流响应时间由原型的149 s缩短为105 s，各流响应时间的标准差由原型的58降至28，各流停留时间的标准差由原型的185降至45，中间包各流一致性得以明显改善.

为进一步优化流场，方案3中的稳流器采用正面斜孔和侧面开孔的设计方式，其中正面斜孔出来的流股与2、3流间包壁碰撞后回折流向远端的1流，以改善熔池搅拌，减小死区体积.如表6所示，3、4流响应时间由原型的26 s、25 s分别延长至69 s、50 s，而1流的响应时间进一步缩短至83 s.各流响应时间标准差由原型的58降至15，各流停留时间的标准差由原型的185降至68.同时，死区体积也降至19%.此外，鉴于原型稳流器因内腔体积小而引起内壁冲刷严重的问题，方案2与方案3中均向包内延长了稳流器，增大了注流区体积，减小包壁冲刷，有利于延长中间包寿命.综合以上分析，可认为方案3的控流效果最好.

表4 原型中间包内流场特征参数Table 4 Characteristic parameters of prototype tundish

表5 方案2的流场特征参数Table 5 Characteristic parameters of flow field in scheme 2

表6 方案3的流场特征参数Table 6 Characteristic parameters of flow field in scheme 3

4.2 温度场数值模拟结果

图5为原型及方案3中间包内温度分布对比.由图5可知，原型中间包内最高温度为1 822 K，处于稳流器内注流区，中间包最远端边角附近的钢液温度最低，约为1 800 K，包内最大温差为22 K.优化后的中间包内最高温度为1 822 K，最低温度为1 804 K，包内最大温差缩小4 K.方案3的中间包内低温区面积与原型中间包相比显著减小，有利于避免1流水口因温度过低而导致的冻结问题.此外，原型中间包内高温区偏向一侧，主要集中在3、4流水口附近，远端1、2流附近温度降低，整体温度分布不均匀.而采用方案3时，高温区移至包中间部位，部分热量转移至远端1、2流水口附近，使其温度提高，而近端3、4流水口附近温度降低，中间包整体温度场更趋均匀.

图6为原型与方案3中间包内塞棒纵截面的温度分布图.在原型中间包内，1至4流水口温度分别为1 818、1 819、1 820、1 820 K;而方案 3 中，各水口温度相应变化为 1 817、1 818、1 818、1 817K，最大温差由2 K降至1 K.原包型的纵截面温度场中，等温线以平推形式向前推进，其与中间包“少回流，多短路流”的流场相一致，这时中间包内钢水温度不均匀［7］.方案3的温度场中，因稳流器侧壁开孔，在3、4流之间又出现一高温区，其作用在于当包内高温区后移的情况下，对近端3、4流附近钢水进行热量补偿，以降低其温降.

5 结论

以某钢厂八流方坯连铸中间包为研究对象，通过水模实验及数值模拟，研究了稳流器结构对包内流体流动特性的影响规律，并采用双开孔结构的稳流器优化了其内部流场，所得结论如下.

(1)原型中间包控流方式不合理，整体死区体积比率偏高，达到37.5%，大幅减小中间包有效容积;各流流动一致性很差，1、2流响应时间过长，而3、4流响应时间、停留时间短，致使各流间钢水温差增大.

(2)采用方案3提出的双开孔稳流器控流方式，包内综合流动状况得以显著改善，中间包整体死区体积比率降至19.0%，各流响应时间的标准差由原型的58降至15，各流停留时间的标准差由原型的185降至68.

(3)原中间包内温度分布不均匀，最大温差达22 K.方案3将包内最大温差降低4 K，各水口间最大温差由2 K降至1 K.

(4)增大稳流器内腔容积后，有利于减轻钢流对中间包壁耐火材料冲刷，提高中间包使用寿命.

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