湍流抑制器對中間包鋼液流動的影響

阮文康,包燕平,李怡宏,王 敏,田永華

(1. 北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京，100083；2.北京科技大學冶金工程研究院，北京，100083)

湍流抑制器對中間包鋼液流動的影響

阮文康,包燕平,李怡宏,王 敏,田永華

(1. 北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京，100083；2.北京科技大學冶金工程研究院，北京，100083)

采用水模擬試驗研究湍流抑制器對中間包鋼液流動特性的影響。結果表明，拉速變化時單層湍流抑制器對鋼液流動影響程度較小，雙層湍流抑制器能延長包內鋼液平均停留時間；液位變化時雙層湍流抑制器對鋼液流動影響程度較小，相同液位下雙層湍流抑制器使鋼液在中間包內平均停留時間較之于單層湍抑器相應值至少增加20 s；3種湍流抑制器對中間包流場的改善程度從大到小排序為：雙層湍流抑制器，八角形湍流抑制器，單層湍流抑制器。

中間包；鋼液流動；湍流抑制器；拉速；液位

中間包作為連鑄環節中的精煉設備直接影響鋼鐵產品的質量，其中中間包內鋼液的流動行為對鑄坯質量影響較大[1]。為了提高中間包鋼液中夾雜物的去除率，已對中間包內型和控流裝置進行過大量研究[1-5]，其中包括對湍流抑制器結構的研究[6-8]，但考慮現場操作條件和工藝參數變化的研究較少。為此，本文采用物理模擬方法，研究中間包包型、鑄坯拉速及液位變化時湍流抑制器對鋼液流動特性的影響。

1 試驗

1.1 試驗條件

根據相似原理，用水模擬鋼液。模型和原型、模型現象與原型現象之間滿足幾何相似、動力學相似。

試驗條件：板坯斷面尺寸為1300mm×230 mm，板坯拉速為1.6 m/min，中間包液位為1100 mm，中間包原型與模型相關參數如表1所示。根據鋼液的流動狀態，將中間包內分為活塞區、全混區和死區3個區域[10-12]。將鋼液死區體積和活塞流體積作為中間包內鋼液流動狀態的重要評價指標。

1.2 試驗方法

試驗對象為80 t板坯中間包。試驗變量為：湍流抑制器類型、拉速和液位高度。中間包結構圖如圖1所示。中間包實驗裝置圖如圖2所示。

實驗時，將2支電極探頭分別插入中間包出水口中，調節流量至試驗方案值，待液面高度穩定后，注入300 mL飽和KCl溶液和40 mL飽和KMnO4溶液，同時使電導率儀和電腦數據采集系統開始工作，以2倍的理論停留時間作為采集時間，根據不同試驗條件確定不同采集時間，范圍為20～30 min。湍流抑制器試驗方案如表2所示。中間包流體特性試驗方案如表3所示。中間包不同試驗方案下數據采集時間如表4所示。

表2 湍流抑制器試驗方案

Table 2 Experiment scheme of different turbulence inhibitors in the tundish

表3 中間包流體特性試驗方案

Table 3 Experiment scheme of flow characteristics in the tundish

注：*液位為1100 mm時；**拉速為1.3 m/min時。

2 結果與分析

2.1 拉速和液位固定時湍流抑制器類型對鋼液流動特性的影響

拉速為1.6 m/min、液位為1100 mm時，湍流抑制器類型對鋼液流動特性的影響如圖3所示。由圖3中可看出，對于中間包內型A，相對于單層湍流抑制器和八角形湍流抑制器，采用雙層湍流抑制器時鋼液在包內平均停留時間分別延長了58.37 s和41.29 s，雙層湍流抑制器包內鋼液滯止時間和峰值時間與八角形湍流抑制器包內鋼液相應值相近，但比單層湍流抑制器相應值分別增加了8.6%和17.3%。對于中間包內型B，雙層湍流抑制器包內鋼液平均停留時間比單層湍流抑制器和八角形湍流抑制器包內鋼液相應值分別延長了19.64 s和17.26 s，3種湍流抑制器包內鋼液滯止時間相差無幾，雙層湍流抑制器包內鋼液峰值時間比單層湍流抑制器和八角形湍流抑制器包內鋼液相應值分別增加了12.3%和4.1%。三種湍流抑制器對中間包流場的改善程度從大到小排序為：雙層湍流抑制器、八角形湍流抑制器、單層湍流抑制器。

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

2.2 拉速變化時湍流抑制器類型對鋼液流動特性的影響

選取中間包液位高度為1100 mm，研究拉速變化時湍流抑制器類型對鋼液流動特性的影響，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，兩種湍流抑制器包內鋼液平均停留時間和滯止時間均隨拉速增大而減??；拉速變化時單層湍流抑制器對鋼液流動特性的影響程度較??；相同拉速下，單層湍流抑制器包內鋼液平均停留時間小于雙層湍抑制器包內鋼液平均停留時間；雙層湍流抑制器控流、拉速為1.04 m/min時的鋼液平均停留時間與單層湍流抑制器控流、拉速為0.87 m/min時的鋼液平均停留時間相當，表明雙層湍流抑制器利于快節奏生產狀態下改善鋼液流動和去除夾雜物。

2.3 液位變化時湍流抑制器類型對鋼液流動特性的影響

拉速為1.3 m/min條件下液位變化時湍流抑制器類型對鋼液流動特性的影響結果如圖5所示。從圖5中可以看出，液位變化時雙層湍流抑制器對鋼液流動的影響程度較??；相同液位下，雙層湍流抑制器包內鋼液平均停留時間較之于單層湍抑器相應值至少增加20 s。

圖5 液位變化時湍流抑制器類型對鋼液流動特性的影響

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

3 結論

(1)拉速變化時單層湍流抑制器對鋼液流動的影響程度較小，相同拉速下雙層湍流抑制器能延長包內鋼液平均停留時間。

(2)液位變化時雙層湍流抑制器對鋼液流動的影響程度較小，相同液位下，雙層湍流抑制器包內鋼液平均停留時間較之于單層湍流抑制器相應值至少增加20 s。

(3)3種湍流抑制器對中間包流場的改善程度從大到小排序為：雙層湍流抑制器、八角形湍流抑制器、單層湍流抑制器。

[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.

[2] 包燕平，王建軍，曲英. 中間包冶金學[M]. 北京：冶金工業出版社, 2001: 44.

[3] Yue Qiang,Zou Zongshu, Hou Qinfu. Water modeling of swirling flow tundish for steel continuous casting[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2009, 16(5): 17-22.

[4] Alaei A R, Edris H, Shirani E. Upward molten flow for optimization of fluid flow in continous casting tundish[J].Journal of Iron and Steel Research, International, 2010, 17(11): 29-33.

[5] 鐘良才，郝瑞朝，陶立群,等. 單流板坯連鑄中間包結構優化[J]．東北大學學報：自然科學版，2012，33(5)：665-668.

[6] 朱正海，周俐，彭世恒，等. 單流板坯中間包內湍流抑制器對流場的影響[J]. 寬厚板，2005, 11(6): 1-3.

[7] 唐德池，李永林，朱立新. 不同結構湍流抑制器對中間包鋼液流動的影響[J]. 上海金屬，2011, 33(5): 49-52.

[8] 陳陽，張炯明. 板坯連鑄中間包內夾雜物去除的數值模擬[J]. 鋼鐵研究，2014, 42(1)：22-35.

[9] 李怡宏，包燕平，趙立華. 多流中間包導流孔對鋼液流動軌跡的影響[J]. 鋼鐵，2014, 49(6): 39-44.

[10]潘宏偉. 鋼包中間包聯合條件下流動與傳熱及夾雜物運動[D]. 北京：北京科技大學，2012.

[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.

[責任編輯 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

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51404022).

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

包燕平(1963-)，男，北京科技大學教授，博士生導師.E-mail:baoyp@ustb.edu.cn

TF769.9

A

1674-3644(2015)03-0161-04