中间包钢水安全液位水力学模型研究

袁方明(中钢设备有限公司，北京100080)

中间包钢水安全液位水力学模型研究

袁方明
(中钢设备有限公司，北京100080)

本实验研究以国内某钢厂所使用的中间包为原型，模型与原型几何比例为1∶3，按Froude准数相等原则进行水力学模拟研究。根据实际生产中铸坯宽度分别为1 450 mm、1 200 mm和1 000 mm时的不同拉速及其对应的钢水流量，在水模型实验中测定了相应条件下模型中间包液位产生漩涡的临界高度，根据相似原理得出了实际条件下中间包内产生漩涡的临界钢水液位即安全液位，对防止中间包渣卷入结晶器，提高铸坯质量有一定的指导意义。

连铸;中间包;安全液位;水力学模型

0　前言

在连铸生产过程中，准备更换中间包或者在浇铸末期时中间包内钢水液位持续下降，降低到某一高度时水口上方将会产生漩涡，很容易将中间包覆盖渣卷入结晶器，如果卷渣被凝固坯壳前沿捕捉会直接危害铸坯质量［1-10］。

连铸拉速提高后，中间包内钢水的流量和流速增加，由此可能会造成中间包内钢水流场特征的改变［11］。其中水口上方产生漩涡的钢水液面高度会发生变化。本次研究的主要内容是在不同拉速条件下中间包水口上方产生涡流的临界液面高度及其影响因素进行水力学模型的实验研究，以期实际生产中在较高拉速下浇铸时漩涡产生的临界液位高度。

1　研究方法

中间包实验装置的原型为国内某钢厂连铸机实际生产所用的中间包，采用有机玻璃制成的中间包水力学模型，原型与模型的几何尺寸比例为1∶3，考虑原型与模型的Froude准数相等［12］，由此计算得出在各拉速下对应水模型单个水口的水流量见表1。

表1　水模型研究采用的水流量/m3·h－1Tab.1 Flowrate of watermodel simulation corresponding to real condition m3·h－1

研究中在上述拉速对应的水流量条件下，分别降低中间包液面高度，同时采用数字摄像仪对中间包水口上方出现漩涡的情况进行拍摄记录。实验中观察到(图1)，液位降至一定高度时，液面开始出现微小漩涡(图1a)，随液位继续下降，漩涡逐渐变大并与水口相连形成“抽引流”(图1e)。但是，当液位继续下降到某一高度时，液体内漩涡消失。一段时间后，漩涡再次出现(图1h)，再次与水口相连形成“抽引流”，并一直持续到中间罐放空。实验中将水口上方开始出现漩涡时中间包液位高度作为该拉速条件下中间包出现漩涡下渣的临界液位高度。

图1　中间包水口上方漩涡出现－消失－再出现现象照片Fig.1 The photo of eddy appearing-disappearing-reappearing on the tundish nozzle

2　研究结果

2.1结晶器宽度为1 450 mm情况下的中间包临界液位

表2和图2分别给出了结晶器宽度为1 450 mm时，不同拉速条件下，中间包水模型内开始出现漩涡和出现稳定漩涡时的液位。可以看到，在较高拉速范围内(1.4～1.8 m/min)，随拉速增加，中间包临界液位高度呈降低的趋势。如拉速由1.4 m/min增加至1.8 m/min后，漩涡开始出现的液位由89mm降低至83mm，漩涡稳定出现的液位由74mm降低至62mm。考虑到模型与原型比例为1∶3，如将上述结果按比例放大，二连铸分厂在拉速为1.4～1.8 m/min条件下，中间包临界液位高度在270～240 mm之间。

表2　结晶器宽度1 450 mm时的中间包临界液位Tab.2 Critical depth at casting width 1 450 mm

图2　结晶器宽度1 450 mm时中间包临界液位变化Fig.2 Change of the critical depth at casting width 1 450 mm

2.2结晶器宽度1 200 mm时的临界液位

表3和图3分别给出了结晶器宽度为1 200 mm时，不同拉速条件下，中间包水模型内开始出现漩涡和出现稳定漩涡时的液位。可以看到，与结晶器宽度1 450 mm时的情况相似，在较高拉速范围内(1.4～1.8 m/min)，随拉速增加，中间包临界液位高度呈降低的趋势。如拉速由1.4 m/min增加至1.8 m/min后，漩涡开始出现的液位由104 mm降低至77 mm。但漩涡稳定出现的液位随拉速增加而变化的规律性不强。考虑到模型与原型比例为1∶3，如将上述结果按比例放大，二连铸分厂在拉速为1.4～1.8 m/min条件下，结晶器宽度为1 200 mm时，中间包临界液位高度在310～230 mm之间。

表3　结晶器宽度1 200 mm时的中间包临界液位Tab.3 Critical depth at casting width 1 200 mm

图3　结晶器宽度1 200 mm时中间包临界液位变化Fig.3 Change of the critical depth at casting width 1 200 mm

2.3结晶器宽度1 000 mm时的临界液位

表4和图4分别给出了结晶器宽度为1 000 mm时，不同拉速条件下，中间包水模型内开始出现漩涡和出现稳定漩涡时的液位。可以看到，与结晶器宽度1 450 mm和1 200 mm时的情况相似，在较高拉速范围内(1.4～1.8 m/min)，随拉速增加，中间包临界液位高度同样呈降低的趋势。如拉速由1.4 m/min增加至1.8 m/min后，漩涡开始出现的液位由99mm降低至77mm，漩涡稳定出现的液位由65mm降低至56mm。考虑到模型与原型比例为1∶3，如将上述结果按比例放大，二连铸分厂在拉速为1.4～1.8 m/min条件下，结晶器宽度为1 000 mm时，中间包临界液位高度在300～230 mm之间。

表4　结晶器宽度1 000 mm时的中间包临界液位Tab.4 Critical depth at casting width 1 000 mm

图4　结晶器宽度1 000 mm时中间包临界液位变化Fig.4 Change of the critical depth at casting width 1 000 mm

2.4不同浇铸宽度下中间包临界液位的比较

在较高拉速条件下(1.4～1.8 m/min)，分别取结晶器宽度为1 450mm、1 200mm和1 000mm三种情况下，中间包临界液位高度的平均值。图5为上述三种浇铸宽度下临界液位平均值的比较，可以看到，在本研究所用浇铸条件下，浇铸宽度对较高拉速下中间包液位的临界高度影响不大。当浇铸宽度在1 000～1 450mm之间时，水模型中液位临界高度平均值在86～90 mm之间。

图5　不同浇铸宽度下临界液位平均值比较Fig.5 Comparing of the average critical depth at different casting width

3　结论

(1)中间包液位降至一定高度时，液面开始出现漩涡，但开始出现的漩涡处于不稳定状态，时而出现时而消失。在液位继续下降过程中漩涡经常会消失，当下降到某一高度时，开始出现稳定的漩涡，并一直持续到中间罐放空。

(2)在三种浇铸宽度下(1 450 mm、1 200 mm、1 000 mm)，中间包液位临界高度均随拉速增加呈现降低的趋势。

(3)浇铸宽度对较高拉速下中间包液位的临界高度影响不大。当浇铸宽度在1 000～1 450 mm之间时，水模型中液位的临界高度平均值在86～90 mm之间。

(4)将中间包液位临界高度按水模型与原型比例直接放大，实际浇铸条件下，在1.4～1.8 m/min拉速条件下，中间包液位临界高度在310～230 mm之间。

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W ater model simulation research of critical hotmetal depth in the tunish

YUAN Fang-ming
(Sinosteel Equipment＆Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100080，China)

According to the size of real tundish used by a Steel－making plant，the model was made in proportion to 1∶3．A theoretical foundation of the water model simulation is Froude number between real tundish and themodel tundish achievesmatch．The critical depth which the water surface level up the nozzle appears eddy was mensurated under the different conditions，which include different slab width such as 1450mm，1200mm，1000mm and different casting speed correspondingly in practice．So a series of the critical hotmetal depth under the real condition were deduced according to the similitude principle．The research results can be used in practice for preventing the tundish slag into themould and improving the quality of the slabs．

continuous casting;tundish;critical depth;watermodel simulation

TF777

A

1001－196X(2015)02－0031－04

2014－11－06;

2014－12－21

袁方明(1971－)，男，中钢设备有限公司高级工程师，主要从事炼钢工程工艺设计。