湍流抑制器对中间包钢液流动的影响

阮文康,包燕平,李怡宏,王 敏,田永华

(1. 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京，100083；2.北京科技大学冶金工程研究院，北京，100083)

湍流抑制器对中间包钢液流动的影响

阮文康,包燕平,李怡宏,王 敏,田永华

(1. 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京，100083；2.北京科技大学冶金工程研究院，北京，100083)

采用水模拟试验研究湍流抑制器对中间包钢液流动特性的影响。结果表明，拉速变化时单层湍流抑制器对钢液流动影响程度较小，双层湍流抑制器能延长包内钢液平均停留时间；液位变化时双层湍流抑制器对钢液流动影响程度较小，相同液位下双层湍流抑制器使钢液在中间包内平均停留时间较之于单层湍抑器相应值至少增加20 s；3种湍流抑制器对中间包流场的改善程度从大到小排序为：双层湍流抑制器，八角形湍流抑制器，单层湍流抑制器。

中间包；钢液流动；湍流抑制器；拉速；液位

中间包作为连铸环节中的精炼设备直接影响钢铁产品的质量，其中中间包内钢液的流动行为对铸坯质量影响较大[1]。为了提高中间包钢液中夹杂物的去除率，已对中间包内型和控流装置进行过大量研究[1-5]，其中包括对湍流抑制器结构的研究[6-8]，但考虑现场操作条件和工艺参数变化的研究较少。为此，本文采用物理模拟方法，研究中间包包型、铸坯拉速及液位变化时湍流抑制器对钢液流动特性的影响。

1 试验

1.1 试验条件

根据相似原理，用水模拟钢液。模型和原型、模型现象与原型现象之间满足几何相似、动力学相似。

试验条件：板坯断面尺寸为1300mm×230 mm，板坯拉速为1.6 m/min，中间包液位为1100 mm，中间包原型与模型相关参数如表1所示。根据钢液的流动状态，将中间包内分为活塞区、全混区和死区3个区域[10-12]。将钢液死区体积和活塞流体积作为中间包内钢液流动状态的重要评价指标。

1.2 试验方法

试验对象为80 t板坯中间包。试验变量为：湍流抑制器类型、拉速和液位高度。中间包结构图如图1所示。中间包实验装置图如图2所示。

实验时，将2支电极探头分别插入中间包出水口中，调节流量至试验方案值，待液面高度稳定后，注入300 mL饱和KCl溶液和40 mL饱和KMnO4溶液，同时使电导率仪和电脑数据采集系统开始工作，以2倍的理论停留时间作为采集时间，根据不同试验条件确定不同采集时间，范围为20～30 min。湍流抑制器试验方案如表2所示。中间包流体特性试验方案如表3所示。中间包不同试验方案下数据采集时间如表4所示。

表2 湍流抑制器试验方案

Table 2 Experiment scheme of different turbulence inhibitors in the tundish

表3 中间包流体特性试验方案

Table 3 Experiment scheme of flow characteristics in the tundish

注：*液位为1100 mm时；**拉速为1.3 m/min时。

2 结果与分析

2.1 拉速和液位固定时湍流抑制器类型对钢液流动特性的影响

拉速为1.6 m/min、液位为1100 mm时，湍流抑制器类型对钢液流动特性的影响如图3所示。由图3中可看出，对于中间包内型A，相对于单层湍流抑制器和八角形湍流抑制器，采用双层湍流抑制器时钢液在包内平均停留时间分别延长了58.37 s和41.29 s，双层湍流抑制器包内钢液滞止时间和峰值时间与八角形湍流抑制器包内钢液相应值相近，但比单层湍流抑制器相应值分别增加了8.6%和17.3%。对于中间包内型B，双层湍流抑制器包内钢液平均停留时间比单层湍流抑制器和八角形湍流抑制器包内钢液相应值分别延长了19.64 s和17.26 s，3种湍流抑制器包内钢液滞止时间相差无几，双层湍流抑制器包内钢液峰值时间比单层湍流抑制器和八角形湍流抑制器包内钢液相应值分别增加了12.3%和4.1%。三种湍流抑制器对中间包流场的改善程度从大到小排序为：双层湍流抑制器、八角形湍流抑制器、单层湍流抑制器。

Fig.3 Effect of turbulence inhibitor on the flow characteristics of molten steel at different tundish shapes

2.2 拉速变化时湍流抑制器类型对钢液流动特性的影响

选取中间包液位高度为1100 mm，研究拉速变化时湍流抑制器类型对钢液流动特性的影响，结果如图4所示。从图4中可以看出，两种湍流抑制器包内钢液平均停留时间和滞止时间均随拉速增大而减小；拉速变化时单层湍流抑制器对钢液流动特性的影响程度较小；相同拉速下，单层湍流抑制器包内钢液平均停留时间小于双层湍抑制器包内钢液平均停留时间；双层湍流抑制器控流、拉速为1.04 m/min时的钢液平均停留时间与单层湍流抑制器控流、拉速为0.87 m/min时的钢液平均停留时间相当，表明双层湍流抑制器利于快节奏生产状态下改善钢液流动和去除夹杂物。

2.3 液位变化时湍流抑制器类型对钢液流动特性的影响

拉速为1.3 m/min条件下液位变化时湍流抑制器类型对钢液流动特性的影响结果如图5所示。从图5中可以看出，液位变化时双层湍流抑制器对钢液流动的影响程度较小；相同液位下，双层湍流抑制器包内钢液平均停留时间较之于单层湍抑器相应值至少增加20 s。

图5 液位变化时湍流抑制器类型对钢液流动特性的影响

Fig.5 Effect of turbulence inhibitor on the flow characteristics of molten steel at different steel levels

3 结论

(1)拉速变化时单层湍流抑制器对钢液流动的影响程度较小，相同拉速下双层湍流抑制器能延长包内钢液平均停留时间。

(2)液位变化时双层湍流抑制器对钢液流动的影响程度较小，相同液位下，双层湍流抑制器包内钢液平均停留时间较之于单层湍流抑制器相应值至少增加20 s。

(3)3种湍流抑制器对中间包流场的改善程度从大到小排序为：双层湍流抑制器、八角形湍流抑制器、单层湍流抑制器。

[1] Dipak Mazumdar, Guler Yamanoglu, Roderick I L Guthrie. Hydrodynamic performance of steelmaking tundish systems: a comparative study of three different designs[J]. Steel Research, 1997, 68(7): 293.

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[6] 朱正海，周俐，彭世恒，等. 单流板坯中间包内湍流抑制器对流场的影响[J]. 宽厚板，2005, 11(6): 1-3.

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[11]Liu Songxia, Yang Xuemin, Du Lin. Hydrodynamic and mathematical simulations of flow field and temperature profile in an asymmetrical T-type single-strand continuous casting tundish[J]. ISIJ International, 2008, 48(12): 1712-1721.

[责任编辑 彭金旺]

Effect of turbulence inhibitor on the flow behavior of moltensteel in slab tundish

RuanWenkang,BaoYanping,LiYihong,WangMin,TianYonghua

(1. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Hydraulic simulation experiment was conducted to study the effect of turbulence inhibitor on the flow behavior of molten steel in the slab tundish.The results show that when the casting speed changes,turbulence inhibitor with single layer structure has less influence on the flow of molten steel and turbulence inhibitor with double layer structure can extend the average residence time of molten steel in the tundish.When the level of molten steel changes,turbulence inhibitor with double layer structure has less influence on the flow of molten steel.Compared with the single layer structure inhibitor,the average residence time of molten steel in the double layer structure inhibitor under the same liquid level increases by at least 20 seconds.The improvement of the flow field in the slab tundish is the greatest with double layer structure,followed by octagonal structure and single layer structure.

tundish;molten steel flow;turbulence inhibitor;casting speed;level of molten steel

2015-01-05

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51404022).

阮文康(1979-)，男，越南籍，北京科技大学博士生.E-mail: mm.liyh@163.com

包燕平(1963-)，男，北京科技大学教授，博士生导师.E-mail:baoyp@ustb.edu.cn

TF769.9

A

1674-3644(2015)03-0161-04