小方坯中间包挡墙参数优化和物理模拟的研究

潘贵明，芮其宣

1. 兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴 214400；2.安徽工业大学 安徽马鞍山 243002)



小方坯中间包挡墙参数优化和物理模拟的研究

潘贵明1，芮其宣2

1. 兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴 214400；2.安徽工业大学 安徽马鞍山 243002)

浇注小方坯的中间包控流装置一般为中间包挡墙，其影响中间包流场的参数主要有孔径、孔倾角、孔间距、孔高等。研究针对某厂中间包技术改进，采用了水模型对其中间包挡墙参数进行了优化设计。实验通过显著性分析研究了影响中间包流场的参数顺序，并通过正交实验寻找最优流场。

中间包流场；挡墙参数；水模型；正交实验

中间包是炼钢过程中由间歇操作转变成连续操作的一种过渡设备，具有稳压、储存钢液，保证钢液连续浇注顺利进行的作用[1]。为了得到理想的流动状态，中间包内设置了如:挡墙、挡坝、多孔挡墙、湍流抑制器等多种控流装置，通过这些装置可以使得浇注的各流获得较为均匀的温度和成分。现在某钢厂因为工艺改变，需要对中间包内的挡墙工艺参数重新设计，从而使得改进后的中间包仍然可以获得温度和成分较为均匀的流场。

国内一般使用水模型来模拟中间包内钢水流动，采用了中间包各流的停留时间分布(RTD)曲线来描述中间包内钢液的流动特性[2],[3]，采用了正交试验法对中间包挡墙参数进行了试验，对挡墙参数进行了显著性分析，指出了对流场影响最大的参数，同时给出中间包流场最优的挡墙参数组合方案。

1 实验部分

1.1 实验原理

物理模拟实验的理论基础是相似定律。该定律主要包括几何相似、运动相似和动力相似。动力相似需要满足室温水模型中的Re和Fr相似准则，文献[4],[5]研究表明中间包内钢液流动与模型中水的流动处于同一自模化区，所以只要保证模型和原型的Fr准数相等：

(1)

(2)

(3)

式中：v为流速，m/s；Q为实际钢水体积流量，m3/h；λ为模型比例系数，g为重力加速度，m/s2，L为特征长度。

1.2 实验装置和实验方法

实验装置如图1所示：

实验装置由比例为1∶2.5的中间包有机玻璃模型、DDS-11A型电导率仪和DJ800信号采集仪等组成。

水模型实验采用“刺激-响应”法测定钢水在中间包内的停留时间，实验使用饱和NaCl溶液作为示踪剂，在中间包出口处测量和采集水的电导率变化数据。对绘制的停留时间分布(RTD)曲线进行分析和计算，以评价中间包内部结构对中间包冶金效果的影响。由于中间包的几何对称性，实验中选取了左侧三流出口作为采集地点。

表1 原型与模型主要参数

图1 实验装置示意图

1.3 实验方案

中间包改进后，对新型挡墙需要重新设计，设计方案考虑开孔直径、开孔倾角、挡墙开孔距离底面高度以及水平两孔径之间的距离等因素对流场的影响。实验采用正交试验的方法对中间包挡墙参数进行分析，以求找到最佳的中间包内钢液的流动状态和分布，从而达到均匀温度以及使钢液中非金属夹杂物充分上浮去除，以满足铸坯质量和连铸工艺顺行的要求[6]-[8]。

实验中采用Y型挡墙，如图2所示：

图2 实验采用的挡墙形状

实验采取四因素三水平正交实验法，其因素、水平如下所示：

第一个因素：开孔的直径Ø，其水平分别取：25 mm、28 mm、32 mm；

第二个因素：开孔向上倾角的角度α，其水平分别取：8 °、15 °、30 °；

第三个因素：距离底面高度H(切除底面2cm后)，其水平分别取：50 mm、60 mm、70 mm；

第四个因素：水平两孔径之间的距离L，其水平分别取：70 mm、80 mm、90 mm。

正交实验方案如表2所示：

2 结果与分析

典型RTD曲线如图3所示：

表2 实验方案

图3 典型RTD曲线图

对中间包出水口RTD曲线分析如图4所示

图4 中间包出水口平均停留时间图

表3 正交试验结果

图4显示了实验中9种方案的各个出水口平均停留时间的分布。由图可以看出，方案Ⅲ的1号和2号出水口的平均停留时间分别为524.3 s、513.6 s，相比其他方案较大，这将有利于夹杂物的充分上浮分离，且其平均停留时间差绝对值为9.7 s，较为接近，因而钢液出口处的温度差较小、钢液成分也将较为接近。此外方案Ⅲ中1号和2号出水口的混合区体积分别为75.0 %、77.5 %，相比其他方案较高，因此方案Ⅲ钢液的混匀效果较为理想。对中间包各出水口的平均停留时间进行极差分析发现： 1号出水口最优方案导孔直径为28 mm、向上倾角为30 °、距离底面高度为60 mm、水平两孔之间的距离为90 mm，2号出水口最优方案导孔直径为28 mm、向上倾角为15 °、距离底面高度为60 mm、水平两孔之间的距离为90mm。

实验还对极差分析结果进行了显著性分析，发现：各因素从主到次的顺序分别为：Φ(孔径)、α(倾角)、L(两孔间水平距离)、H(距离底面高度)。

实验最优方案为Φ2α3L2H3，即导孔直径为28mm、向上倾角为30°、距离底面高度为60mm、水平两孔之间的距离为90mm。

通过显著性分析得到，孔径的改变对整个流场的影响显著效果较为明显。

3 结论

本文针对中间包技术改进，通过水模型实验研究了优化中间包导流隔墙参数以获得较为理想的中间包内流场。实验采用正交实验法和显著性分析研究了孔径、孔倾角、孔间距和孔高度等四个因素对中间包流场的影响，获得了最佳组合。实验得到以下几个结论：

1)通过正交实验和显著性分析，发现对中间包流场影响效果的参数顺序为：孔径>孔倾角>孔间距>孔高度

2)通过正交实验认为：针对本文中间包流场的最优组合为导孔直径为28 mm、向上倾角为30 °、距离底面高度为60 mm、水平两孔之间的距离为90 mm。

[1] 胡建东，郑淑国，王 帆，朱苗勇.六流T形连铸中间包内控流装置优化的水模试验研究[J].连铸，2010,1：4-6

[2] 李青云，李兆丰，郭上型，周 俐，王建军.U形控流装置优化三流中间包流场的水模实验[J].安徽工业大学学报，2010,27(2)：117-122

[3] 黄社清，茆 勇，潘远望，文光华.马钢CSP中间包水模实验研究[J].安徽冶金科技职业学院学报，2005,15(3)：1-5

[4] SINGH S，KORIA S C. Physical modeling of steel flow in continuous casting tundish[J]. Ironmaking and Steelmaking，1993，20(3)：221-230

[5] SINGH S，KORIA S C. Physical modeling of the flow modifier on the dynamics of molten steel flowing in a tundish[J].ISIJ International，1994，34(10)：784-793

[6] 唐海燕,李京社,高锦国.中间包结构优化及冶金效果[J].钢铁钒钛，2009,30(2)：40-45

[7] 王德永，冯丽萍，刘承军，姜茂发，朱英雄. 几种中间包控流装置的作用及比较[J].钢铁研究学报，2008，20(8)：21-24

[8] 许长军，胡小东，胡林，汪琦，轩宗宇，王欣，陈兴伟.中间包导流挡板设计与冶金效果[J].炼钢，2013,29(1)：69-73

Study of Physical Simulation and Parameters of Wall Optimization in Billet Tundish

RAN Gui-ming，RUI Qi-xuan

flow control devices for tundish in billet casting is unsallly tundish wall，and which parameters influence tundish flow are dimeter of hole, angle of hole, distance between holes and high of hole. This study aimed at a plant’s technical improvement, and the optimization design of the parameters of the tundish wall is carried out by water model. In this experiment, the parameters of the flow field in tundish are studied by means of significant analysis, and the optimal flow field is also investigated by orthogonal experiment.

flow field in tundish; paremeters of wall; water medel; orthogonal experiment

2016-10-11

潘贵明(1974-)，男，兴澄特种钢有限公司特板炼钢分厂，工程师。

TF777.3

A

1672-9994(2016)04-0005-04