连铸中间包长水口位置对流场和夹杂物去除率的影响

;黄  军;张永杰;王宝峰;吴亚飞;张亚坤;叶  鑫 

（1．东北大学材料电磁过程教育部重点试验室；2．内蒙古科技大学能源与环境学院；3.上海宝钢研究院）摘要通过对中间包流动过程测速及选择空心玻璃微珠模拟夹杂物，对1:2的6流连铸中间包进行水力学模拟试验，研究了长水口位置改变对中间包流场、RTD曲线以及对中间包内夹杂物去除率的影响。结果表明，长水口与6个出口连线的垂直距离由800 mm增大到1000 mm时，中间包注流区流场变化不大，活塞流体积增大，夹杂物去除率增大了28. 76%，提高了中间包的冶金效果。

; 随着工业的发展，对钢铁材料的纯净度提出了越来越高的要求。钢铁生产过程中，中间包内钢水的流动行为对夹杂物的去除和洁净度的提高有着重要影响。中间包正朝着大容量、深熔池的方向发展，但是熔池深度过大不利于夹杂物的上浮去除。在熔池深度一定的条件下，通过增大T型中间包长水口与出水口之间的距离，延长钢水的流动距离，增大中间包容量是可行的中间包设计方案。

; 本课题利用基于图像测速技术的中间包水模拟平台，获取了不同结构参数下的中间包内部流场矢量图和反映中间包流场特征的RTD(Resident Time Distribu-tion)曲线，同时在中间包水模拟过程中加入一定直径与密度的空心玻璃珠来定量测量中间包的夹杂物去除率。通过对比研究，确定了增大T型中间包长水口与出水口之间的距离对中间包冶金效果的有效性。

1  研究方案

; 在中间包的水模拟试验过程中，建立了中间包物理模型。一般认为中间包中流动状态在第二自模化区，忽略粘性力的影响，只要保证模型和原型的Froude准数相等，就能保证它们的动力相似。

; 水力学试验中水模型是以某钢厂40 t的6流T型中间包为样本，拉坯速度为1.1 m/min，方坯截面尺寸为180 mmx240 mm。水模型与原型腔结构一致，它们之间的几何相似比为1:2，水模型长水口直径为60 cm，液位高度为400 mm，水模型的流量为钢水流量的0. 177倍。中间包水模型参数见图1。方案1中，中间包长水口与出水口位置为800 mm，方案2中，中间包长水口与出水口距离为1000 mm。当改变中间包长水口位置为800 mm时，通过隔板改变中间包的体积，见图1中虚线。

2  试验方法

2.1  流场测试方法

; 水力学试验采用PXI(PCI Extensions for Instru-mentation，面向仪器系统的PCI扩展)连铸综合物理模拟试验平台。该平台由5大模块组成：公共基础框架结构、连铸中间包和结晶器模型、水路控制循环系统、数字成像系统、数据采集处理和图像分析显示系统，见图2。

; 流场测试采用粒子图像测速技术，试验前在待测流体中置入示踪粒子，通过CCD装置记录粒子运动的位移图像来获取流体运动速度。该技术对流场无干扰，具有很高的精度和空间分辨率，可以获取整个流场的全部流动信息，从而可以对整个流场进行全面分析。中间包流场图像测试系统主要由MGL-N-532型激光光源、CANON 5DMARK III相机、后台控制系统及数据处理系统组成，激光波长为532 nm，拍摄频率为60 Hz。示踪粒子采用密度为1. 02 g/cm3，直径为50 μm的聚苯乙烯小球。

2.2; RTD试验

; 通过RTD曲线分析连铸中间包内各因素对钢水流场的影响，从而分析连铸中间包内钢水的流动特征，是判断中间包是否优良的通用指标。试验采用脉冲方式加入示踪剂，通过在出口监测示踪剂的图像变化获得中间包的无因次时间一浓度曲线（C曲线）。

; 基于非接触测量的RTD试验步骤为：首先将纯净水充满中间包，并使其液位稳定，然后将30 g的聚苯乙烯微粒（粒径为100μm，密度为1.05 g／cm3）与适量的阴离子表面活性剂混合，通过示踪粒子加入系统迅速注入中间包长水口内。通过记录中间包出口颗粒辉光变化的方式采集一定数目颗粒在中间包的停留时间，即为RTD曲线，数据采集时间为理论停留时间的3倍以上，具体实施方案见图3。

2.3  中间包夹杂物去除率的测试方法

; 根据夹杂物在钢水中的受力及上浮情况，夹杂物主要是以Stokes上升为主，根据相似理论，钢水实际过程中的流动速度与水模型中的流动速度与其内部夹杂物的Stokes速度之比必须相同。有研究指出，水模型中的夹杂物与原型中的夹杂物在尺寸和密度方面与流体密度存在着定量关系，即：

; 式中，R为夹杂物尺寸，m;p为密度，kg/m3；m和p分别表示模型和原型。从式(1)可知，根据实际钢水中夹杂物的尺寸和相似比可以获取水模拟过程中的夹杂物尺寸。

; 钢水中夹杂物的形貌可以近似认为是球形。对于钢水中夹杂物的密度，选择3 500 kg/m3（按Al2 03夹杂的密度计算）；对于钢水中夹杂物的特征尺寸为50～100 μm，根据相似比，用来模拟钢水中夹杂物密度为400～500 kg/m3，特征尺寸为60～80 μm的玻璃微珠。

; 夹杂物去除是将20 g的夹杂物在长水口附近释放，夹杂物随着中间包内水的流动而流动。在2倍的中间包平均停留时间后，利用吸附纸吸附中间包表面（包含中间包浇注区与注流区）的漂珠，干燥后称量吸附前后吸附纸的增重Am。夹杂的去除率计算式为(△m/20)×100%。重复试验并取平均值。

3  试验结果与分析

; 图4为中间包流场数据和RTD数据采集区域示意图，图4中矢量图为中间包数值模拟结果。流场数据采集区域包括A和B3两个截面，A和B。两个截面分别为注流区和浇注区的两个典型截面，RTD试验数据采集位置为第二流的出水口。

3.1  中间包流场测试结果

3.1.1  注流区A截面流场测试结果分析

; 图5为两种方案的注流区A截面的流场矢量图。从图5可以看出，方案1和方案2在A截面的流场除在湍流抑制器上部的流场有些不同，其他区域的流场分布情况未发生明显改变，说明长水口位置的改变对该区域的流场分布情况影响不大。增大长水口的位置，注流区域内部流动更为均匀。

3.1.2浇注区B3截面流场测试结果分析

; 图6为方案1和方案2的浇注区B3截面的流场矢量图。对比图6中相同位置的数值模拟结果，可以看出，其流动方向较为吻合。其中方案1的整体速度较方案2大。B3截面位于中间包两侧的区域，进而说明长水口与6个出口所在直线垂直距离的增大使得中间包两侧的流体流动速度减小，流体在该区域的停留时间延长，有利于夹杂物的上浮和去除。

3.2; RTD试验结果

; 适当延长中间包中钢水的平均停留时间，有助于中间包内钢水中的夹杂物上浮和去除。图7为两种方案的第二流的RTD测试结果对比图。表1为利用Sahai的混合模型计算得到的水力学模拟试验结果。

; 从图7可以看出，当长水口的位置由800 mm变为1000 mm时，RTD曲线的形状发生明显的变化。方案2的曲线截面积较方案1小。这是因为在试验过程中，对于相同质量的示踪剂进行记录，方案2增大中间包的体积时，相对于方案1的C曲线，其C曲线的面积要小于方案1。其次在响应时间和峰值时间方面，结合表1可知方案2的响应时间和峰值时间要分别比方案1的响应时间和峰值时间推后16 s和56 s，在一定程度上增大了中间包活塞流的体积分数。从表1中可以得出，当长水口的位置为1 000 mm时，中间包的死区体积分数(24.20%)与方案1的死区体积分数(23.21%)相比基本未发生变化，但方案2的活塞流体积分数比方案1的增大29. 45%。方案2的RTD曲线形态整体规整，说明当长水口的位置距离增大后，中间包内流体的混合均匀度得到增强，从而有利于中间包内流体温度的均匀分布和夹杂物的上浮。

; 3.3夹杂物去除率

; 表2为夹杂物去除率的测试结果。从表1可知，增大水口位置，总的夹杂物去除率由56. 54%提高到72. 80%，提高了28. 76%。可以看出，由于增加了中间包容量，拉长了长水口到出水口的距离，提高了中间包在浇注区的夹杂物去除率。

; 在注流区，方案1的夹杂物去除率(40.47%)与方案2的去除率(41.07%)没有明显差异，结合T型中间包在注流区更能体现中间包活塞流的流动特征，方案2中间包的活塞流比方案1增大了29. 45%，说明在夹杂物模拟过程中，由于难以模拟颗粒之间的碰撞长大，因此选择玻璃微珠，对夹杂物的上浮过程模拟较好，对夹杂物的碰撞长大模拟较差。

; 在T型中间包的浇注区，两种方案的去除率差别较大，这是由于两者流动速度差别大，夹杂物上浮的时间有明显区别，即当中间包长水口与6个出口所在直线的垂直距离从800 mm增大到1000 mm时，夹杂物去除效果明显。

; 虽然夹杂物模拟过程中有较多的假设及缺陷，但是模拟过程的趋势是能够反映中间包冶金性能的变化的。方案2较方案1中间包冶金效果明显提高，但是中间包的重心较常规中间包的更加偏离出水口，需要在中间包车上做新的设计，以保证中间包的安全使用。

4  结  论

; (1)中间包长水口与6个出口所在直线的垂直距离从800 mm增大到1000 mm后，钢水流动距离加长，浇注区截面流场的平均速度减小，RTD曲线响应时间推后16 s，峰值出现的时间延迟56 s，活塞流体积分数增大29. 45%。

; (2)当长水口与6个出口所在直线的垂直距离增大后，中间包的夹杂物去除效率提高。

; (3)增大中间包长水口到出口的距离，中间包冶金效果提高明显，但整个中间包重心的改变需要关注。