天铁3#连铸机中间包流场分析与改进

安志勇

（天津天铁冶金集团有限公司，河北涉县056404）

天铁3#连铸机中间包流场分析与改进

安志勇

（天津天铁冶金集团有限公司，河北涉县056404）

介绍了3#连铸机中间包工艺参数对中间包选型的影响。利用模拟软件建立模型，通过对中间包流场模拟结果的分析和对比，确定中间包内设置最佳方案，引入带导流孔的C型挡墙，改善“T”字型中间包各出流口的差异，延长钢液在中间包内停留时间，均匀钢液成分和温度，促进了夹杂物的上浮，提高了钢水洁净度。

连铸机；中间包；流场；分析；改进

1 引言

天铁集团炼钢厂3#连铸机进行9 m弧改造后，采用定径水口与塞棒混合浇注的方式,原有中间包内结构已不能适应品种钢生产的需要。中间包角部存在钢水停滞区，钢包铸流对中间包冲击板的冲击力强，中间包冲击板侵蚀严重，包内钢水表面呈波浪运动，钢水停留时间短，不能最大限度地去除夹杂物，均匀成分和温度。且弧形连铸机在浇注过程中，钢水在结晶器内弧有夹杂物聚集的倾向，导致铸坯产生严重的结疤、卷渣等质量缺陷。因此，对中间包进行流场分析，重新选型和改造势在必行，以期找到更有利于生产组织的中间包，适应品种开发的生产需求。

2 中间包工艺参数对流场的影响

2．1 容量

通常情况下中间包的容量越大，在整个浇注过程中，钢液面越趋于稳定，有利于顺利操作。且钢水在中间包内的停留时间越长，夹杂物上浮的机会越大。但增加中间包液面深度的同时，夹杂物上浮去除需要的距离也相应增加。同时，也要考虑转炉容量和生产节奏，不可中包容量大，钢包容量小，否则会出现等钢水的情况。所以不能一味扩大中间包的容量来延长钢液在中间包内的停留时间。根据天铁炼钢的浇钢时间（25～30 min）和钢包容量，将中间包最大容量设计在32 t左右。

2．2 中包流数

中间包是否对称和流数的多少决定了钢水温度、成分在各流之间的均匀性。流数越多，中间包流场分布越不均匀。为保持入水口对各出水口在几何构型上对称，3#连铸机设计为四机四流，采用“T”字型单侧接收钢水的非对称型中间包。

2．3 中包液面高度

中包液面高度与中间包长度的比值对流场有较大影响。中间包半长度L/2与液面高度H之比大于3．5时，方可让夹杂物有充分的时间上浮[1]。

2．4 拉速

浇注速度越快，钢液在中间包内的停留的时间就越短，夹杂物没有充分的时间来上浮。定径水口浇注主要依靠水口直径和液面高度来控制浇注速度，天铁3#连铸机是浇注断面为150 mm×150 mm，设计最大拉速为2．8 m/min,中包容量为30 t，浇钢周期约25 min左右，根据T=a2×V×ρ×4×28计算。式中，a为浇注断面，m2；v为拉速，m/min；ρ为钢坯密度，按7．8 t/m3计算；T为中间包容量，t；得出最低拉速位为1．7 m/min。考虑到三座转出钢节奏，保持钢水在中间包内停留时间约12～15 min，将拉速控制在2．2～2．3 m/min。

2．5 中间包内安装流动控制装置

各种流动控制装置对流场的作用各有所长。中间包内只有堰时对包内钢液流动状态的改善不是很明显，仍然存在短路流。而加适当高度的坝时却可以消除短路流，并且挡墙挡坝联合使用对减少击穿流，增加活塞流或返混流的强度和停留时间，改善中间包流场的作用更大。研究发现挡墙和挡坝联合使用，平均停留时间比单用挡墙时增加了2倍，比不用任何控流装置时增加了4倍，并且死区也大幅度减少[1]。因此在3#机中包内设置了挡墙和坝的组合，为满足定径水口浇注与塞棒浇注同时使用的要求，中间罐内设有水口砖和座砖，水口砖较普通定径水口砖稍高，便于安装塞棒。

3 模拟的边界条件

利用商业软件的模型进行计算，整个计算区域被六面体单元划分为网格。

保持中间包钢水液面不变，不考虑钢液表面渣层的影响，视该面为自由表面，自由表面的法线方向的速度为零注入口除外，在入口和出口处流股的速度方向垂直于自由表面，动量方程采用二阶离散格式，收敛条件为残差小于10-3。实际中间包中水口的水平截面为圆形，其直径为水口的内径，而在计算中便于网格划分，入口与出口都采用与水口内径当量直径（din）相同的正方体来代替圆柱体，入口为速度入口边界条件。入口的湍动能（k）和耗散率（ε）按公式（1）、（2）计算[2]。

4 模拟结果及分析

4．1 在χ=0截面处速度分布矢量图比较

图1为中间包没有挡墙时且在χ=0截面处的速度分布矢量图。

图1 无挡墙中间包在截面χ=0处的速度矢量图

从图中可看出，没有挡墙的中包，钢水进入中包后会在中包左右两侧各形成一个较大的钢水回旋区，右侧是钢水注流冲击形成的，易产生卷渣。有一部分携带炉渣的钢水可直接抵达中间包分流处的水口进入结晶器，钢液没有足够时间在中间包内停留且温度和成分偏流程度严重。另一个左侧的漩涡则是大部分钢水流动碰至中包包壁回流形成的，这种流动状态对钢水液面的搅动比较大，中间包液面较低时在分流水口处极易出现漩涡卷渣。同时由于铸流对冲击板的冲击力度较大，钢水上下炉温度波动较大，涂抹料包经常出现包板崩裂和剥落的情况，加剧了钢水污染，不利于去除夹杂。

图2为中间包设置挡墙后的流场图，和图1（a）对比就可以看出，钢液翻滚只集中在挡墙右侧也就是钢包注流的浇注区域，这个区域有较大的回流可增加钢液的平均停留时间，利于均匀成分和温度以及促进夹杂物的碰撞长大。在挡墙左侧虽然靠近中包包壁处仍然有一个回旋区但钢水流动较平稳，在靠近中包水口入口处两侧各形成一个回流区，这个区域钢液紊流较强烈，但注流区钢水液面翻滚几乎消失，这种流动状态有利于均匀钢液成分和温度、促进夹杂物的上浮去除[2]。

4．2 在z=100 mm处速度矢量图和云图比较

图2 有挡墙中间包在截面χ=0处的速度矢量图

从图3中可看出，无挡墙中间包内分配区流动形式较单一，沿包底的流动比较明显，钢液的流动路径偏单一，流动主要集中于中间包的底部以及中间出流口附近区域；钢液近流处包底的速度较大，中流处的中上部速度较大，在远流处的速度较小和包内其它钢液的能量、物质交换缓慢，对于多流中间包的各流的不均匀程度相对较大，不利于保证钢液的清洁度和浇注的顺行，对实际生产不利。

由图4可以看出，在全高型带导流孔挡墙的中间包内整个分配区的流动比较平稳，包底无短路流。钢包注流区的温度、能量传递较分配区快，渣子不能流到中间包分配区，始终在挡渣墙板上，减少了漩涡卷渣直接进入结晶器的几率。另一方面，钢液从导流孔流出，耗散了高速钢液的动能，使中包分配区的钢液速度趋于平缓，且其各流速度差异减小[1]，使钢液在中间包内的流动路线延长，对应的停留时间增加，减小了死区的体积，增加了夹杂物互相碰撞长大、上浮去除的可能性。

图3 无挡墙中间包在截面z=100 mm处的速度矢量图和云图

图4 带导流孔挡墙中间包在截面z=100 mm处的速度矢量图和云图

5 结论

通过比较两种不同结构中包分配区的流场分布图可发现，改进后的有挡墙中间包在优化流场方面要好于改造前的无挡墙中间包，带导流孔的全高型挡墙使得钢液进入注流区后流动比较平稳，流动路线增长，钢液停留时间增加，偏流程度降低了，有利于钢液中夹杂物的碰撞长大，均匀钢液成分和温度，从而提高各流铸坯质量的均匀性。

[1]岳强，陈凌，孟淑敏．六流中间包流场的数值模拟[J]．连铸，2012（7）：22．

[2]张朝晖，巨建涛．临钢板坯连铸机中间包物理模拟与数学模拟实验研究[J]．连铸，2009（2）：13．

Analysis and Improvement of Tundish Flow Field at Tiantie Caster 3

AN Zhi-yong
(Tianjin Tiantie Metallurgical Group Co．,Ltd．,She County,Hebei Province 056404,China)

The influence of tundish process parameters on tundish type selection at Caster 3 is introduced．Simulation software was utilized to establish a model to analyze and compare the results of tundish flow field simulation in order to define an optimal plan for the internal arrangement of tundish．The plan introduces C shaped retaining wall with guide holes,improves the difference of T shaped tundish outlets,prolongs the residual time of liquid steel in tundish,uniforms the composition and temperature of liquid steel so the floating of inclusions was promoted and the steel cleanliness was improved．

caster;tundish;flow field;analysis;improvement

10．3969/j．issn．1006-110X．2015．03．009

2015-01-20

2015-02-12

安志勇（1980—），男，工程师，主要从事科技项目管理工作。