黃永鋒 文光華 唐 萍 祝明妹

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶400044)

在大鋼錠模鑄澆注過程，中間包是鋼包與鋼錠模之間的中間容器，可以貯存一定數(shù)量的鋼水，以保證在更換鋼包時實現(xiàn)多爐連續(xù)澆注。中間包不僅可以穩(wěn)定鋼水的靜壓力，使鋼流平穩(wěn)，減少鋼流對鋼錠模內鋼液的沖擊和擾動，同時，有利于延長鋼水在中間包內的停留時時間，促進非金屬夾雜物上浮去除，從而提高鋼水的潔凈度[1、2]。

本研究針對某重型機械廠要求實現(xiàn)多爐連澆大型鋼錠的需要，同時結合現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，考慮了中間包吊運、砌磚、安放和冶金效果等因素，對中間包的形狀及尺寸進行了合理設計，最終確定了一個深熔池、大容量的橢圓形中間包，并通過水模實驗對其控流裝置進行了優(yōu)化，達到改善中間包內鋼液的流動特性和提高中間包去除非金屬夾雜物的能力，提高鋼水潔凈度，從而保證大鋼錠的質量。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理

水模擬實驗的理論基礎是相似原理，即模型與實物中流體相似的基本條件是幾何相似與動力相似[3～5]。本實驗采用水力學物理模擬的研究方法，模型與原型的幾何相似比為1∶4。動力相似要求模型與原型中的流體的雷諾準數(shù)Re和弗魯?shù)聹蕯?shù)Fr分別相等。但是在模擬實驗中，考慮到中間包內流體流動處于第二自模化區(qū)，因此，只要滿足模型和原型的Fr準數(shù)相等，即可保證動力相似。

由于機械廠實行大包吊澆，沒有長水口進行保護注流，即澆注方式為敞開澆注。模擬實驗相應的流量相似比λp=0.031。中間包材質選用的是有機玻璃，用水作為模擬鋼水介質進行實驗研究，實驗裝置如圖1所示。根據(jù)幾何相似比1∶4，可知原型與模型的基本參數(shù)如表1。

1.2 實驗方法

(1)實驗采用“刺激—響應”技術[6、7]。將清水充滿中間包，使其液位、流量穩(wěn)定，將飽和食鹽水作為示蹤劑從中間包入口處加入，該時刻記為0時刻。同時在中間包出口處開始采集數(shù)據(jù)，實驗采集時間總長度為理論停留時間的2倍。通過

1—中間包 2—流量計 3—示蹤劑加入器 4—塞棒 5—RTD系統(tǒng) 6—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1 實驗裝置示意圖Figure 1 The sketch of experimental device

參數(shù)原型模型中間包水口直徑/mm中間包正常液位高度/mm鋼包水口直徑/mm入口流量Q/m3·h-1出口流量q/m3·h-1552 0008051.2851.2813.8500201.601.60

數(shù)據(jù)處理得到示蹤劑隨時間的變化曲線(即RTD曲線)，得到示蹤劑從加入到流至中間包出口的開始響應時間及平均停留時間和濃度最大時的峰值時間值。根據(jù)Sahai[8]提出的修正混合流動模型，分析中間包內的活塞流體積、死區(qū)體積及混合流體積，從而定量描述中間包內流體的流動狀況。為了確保實驗結果的準確性，各實驗方案重復3次，結果取3次的平均值。

(2)鋼液中夾雜物采用聚苯乙烯塑料粒子進行模擬，該粒子平均直徑為0.5 mm～1.0 mm，密度為0.99 g/cm3。根據(jù)修正斯托克斯公式計算，本實驗可以模擬直徑為50 μm～100 μm范圍內夾雜物的排除情況。夾雜物上浮率的測定采用階躍式加入方式，每次隨大包注流加入定量(We)的塑料粒子，每次加入1 000粒，5 min后在中間包的水口下收集塑料粒子的捕集量(Wg)。捕獲的聚苯乙烯粒子數(shù)量就是夾雜物進入大鋼錠模的數(shù)量。捕集的夾雜物數(shù)量越多表明鋼液在中間包內上浮率越低，即用去除率(1-Wg/We)×100%表示中間包去除夾雜物的能力[9～13]。

(3)實驗用15 ml的染色劑兌定量的水從中間包入口處加入，然后用攝像機對中間包流場進行拍攝，分析比較空包與安裝優(yōu)化控流裝置后的流場。

1.3 實驗方案

針對設計的橢圓形中間包(見圖2)，通過若干組水模實驗確定了橢圓中間包的擋墻開孔高度、擋壩高度以及擋墻與擋壩的安裝位置，即擋墻開孔高度為300 mm(原型)，擋壩高度為400 mm(原型)，擋墻與擋壩的間距為500 mm(原型)。

根據(jù)現(xiàn)場要求，在擋壩側面開了一個200 mm×200 mm(原型)的泄鋼口，為保證中間包安放及其與模鑄真空室的密封，中間包的出口位置必須是偏心的。因此，考慮到擋墻開孔位置與泄鋼口和中間包偏心出口位置對中間包流場的影響，本實驗主要針對其擋墻下部開孔位置進行優(yōu)化。為了保證擋墻下部有一定的通鋼量，擋墻的開孔大小和形狀保持不變，根據(jù)擋墻的開孔位置(見圖2)左右移動設置了7組實驗，從而選出最優(yōu)的一組，實驗方案具體如下：圖2中1為方案1，即擋墻開孔位于正中間；圖2中2、3、4分別為方案2、3、4，即開孔位置向中間包出口一側依次移動80 mm(原型)；圖2中5、6、7分別為方案5、6、7，即開孔位置向中間包出口相反方向，即擋壩泄鋼口一側依次移動80 mm。

(a) 中間包俯視圖 (b) 中間包擋墻和擋壩圖2 中間包及擋墻和擋壩示意圖Figure 2 The sketch of tundish and its weir & dam

2 實驗結果與討論

2.1 夾雜物上浮結果與分析

根據(jù)實驗方案，研究了各方案在正常澆注液位下中間包內鋼中夾雜物的上浮情況。表2給出的是各方案中間包內夾雜物模擬實驗結果。

表2 中間包內模擬夾雜物上浮去除實驗結果Table 2 Experimental results of simulated inclusion separation in tundish

從表2可以看出，7組方案的夾雜物上浮率均達到了90%以上，空包的夾雜物上浮率也高達91.5%，這表明了此中間包對于促進夾雜物上浮非常有效，能起到凈化鋼水的作用。原因是此中間包的熔池深，容量大，對夾雜物的上浮非常有利。但是，通過這7組實驗方案的結果比較來看，方案1的夾雜物上浮率最高，高達96.0%。同時不難發(fā)現(xiàn)，方案1- 4的夾雜物上浮率遞減，而且方案5-7的夾雜物上浮率也在遞減，這表明了擋墻下部開孔位置往中間包出口一側移動時，夾雜物的上浮率降低；同時其位置往擋壩泄鋼口一側移動時，更不利于夾雜物的上浮。

可見，擋墻下部開孔位置對中間包流場影響較大，當其位于居中時，即方案1最有利于夾雜物的上浮去除。相對安裝控流裝置后空包下的夾雜物上浮率最低，這表明了控流裝置在改善中間包流場，促進夾雜物上浮方面起到了一定的效果。

2.2 停留時間和流動模式組成分析

根據(jù)實驗測定的RTD曲線結果進行分析，得出了各方案在正常澆注液位下流體在中間包內的停留時間及流動模式組成結果，見表3。

由表3可知，方案1- 4的示蹤劑響應時間、平均停留時間及活塞流平均時間都依次遞減，而且都不存在短路流；方案5-7的響應時間、平均停留時間及平均活塞流時間也在逐漸縮短，方案5不存在明顯短路流現(xiàn)象，但是方案6和方案7均有短路流。這表明了擋墻下部開孔由中間向兩側移動時不利于延長流體在包內的停留時間，尤其是向擋壩泄鋼口一側移動還會出現(xiàn)短路流。從這7個方案比較可以看出方案1的停留時間最長，即響應時間為54 s，平均停留時間為446 s，活塞流平均時間為98 s，最有利于保證中間包內的夾雜物有足夠的時間上浮去除。空包下的停留時間很短，響應時間只有26 s，平均停留時間為407 s，活塞流平均時間為32 s，而且存在明顯的短路流，不利于鋼液在中間包內的成分和溫度均勻，更不利于夾雜物的上浮去除。

從表3給出的各方案中間包內流動模式看，方案1的死區(qū)體積最小，僅為15%；方案1- 4的死區(qū)體積有增大的趨勢；方案5-7的死區(qū)體積增大的趨勢更明顯，這表明了擋墻下部開孔位置向兩側移動時都會增大死區(qū)體積。從活塞流體積分數(shù)可以看出方案1-7活塞流體積逐漸減??；方案1的活塞流體積最大，為19%。從Vp/Vd的比值容易發(fā)現(xiàn)方案1的比值最大，為1.27，其次是方案2和方案5，約為1.00。而空包條件下的死區(qū)體積高達22%，活塞流體積為6%，Vp/Vd值僅為0.27，顯然空包下的流動模式很不合理。

表3 各方案的中間包停留時間和流動模式組成實驗結果Table 3 Experimental results of residence time and flow pattern for each scheme

由此可知，方案1的停留時間最長，流動模式較合理。原因是當擋墻下部開孔往中間包出口一側移動時，開孔位置越正對著中間包出口，流體翻越擋壩后到達中間包出口的距離越近，即流體在中間包內的停留時間越短；當開孔往擋壩泄鋼口一側移動時，由于泄鋼口較大，流體會更容易從此流出，沿著包底迅速到達中間包出口，導致流體在中間包內的停留時間較短，流動模式較不合理，甚至還會出現(xiàn)短路流。而方案1的擋墻下部開孔位置處于這兩種情況的正中間，既避免了短路流，又有利于延長流體在包內的停留時間和改善其流動模式。

因此，無論是從夾雜物的上浮率還是從RTD曲線分析結果來看，擋墻下部開孔位置位于正中間時，最有利于鋼水成分和溫度的均勻以及促進夾雜物上浮，提高鋼水潔凈度，即方案1為最優(yōu)方案。

圖3給出了正常澆注液位下安裝優(yōu)化控流裝置(方案1)和空包的RTD曲線圖。圖中C0表示示蹤劑平均濃度，τ表示理論平均停留時間。C/C0和t/τ是無因次濃度和無因次時間。

圖3 方案1和空包時的RTD曲線圖Figure 3 RTD curves of No.1 scheme and bare tundish

由圖3可知，空包下的RTD曲線存在明顯的尖峰，而且峰值很高，這表明了空包下流體在中間包內存在明顯的短路流。安裝了優(yōu)化控流裝置后，其RTD曲線峰值減小，而且不存在尖峰，消除了短路流。從RTD曲線還可以看出，安裝了優(yōu)化控流裝置后示蹤劑在中間包內的開始響應時間和峰值時間大大延遲?？梢?，安裝優(yōu)化控流裝置后能明顯改善流體在中間包內的流場。

2.3 鋼液流場顯示結果及分析

實驗利用定量的藍黑墨水作為流體的染色劑，并通過照相機進行了拍攝，分析空包和安裝優(yōu)化控流裝置后不同時刻下中間包內流體流動狀況。

圖4顯示了在正常澆注液位時 5 s、15 s和25 s空包下的流體流動狀態(tài)。從圖4可以看出，在無任何控流裝置下，由于中間包熔池較深，容量也較大，染色劑隨大包注流進入中間包后，只有少數(shù)染色劑達到包底。流體在中間包上部迅速擴散，其擴散速度比底部流體快得多，而且染色劑在空包內擴散速度很快，約25 s后染色劑就可以到達中間包出口。這表明了在沒有安裝任何控流裝置時，流體在中間包內的停留時間很短，流動模式很不合理，不能保證鋼水中夾雜物有足夠的時間上浮去除，同時也不利于鋼水成分和溫度的均勻。

圖5顯示了正常澆注液位下 20 s、40 s和60 s時安裝了優(yōu)化控流裝置(方案1)后的流體流動狀況。由圖5可知，染色劑隨大包注流進入中間包注流區(qū)的停留時間很長，這有利于鋼水成分和溫度的均勻以及鋼水中夾雜物的碰撞長大。在約20 s時流體開始穿越擋墻底部開孔，由于受到擋壩的阻擋，流體向上流動的趨勢很明顯，并翻越擋壩，流向中間包液面。同時可以看出，采用方案1的優(yōu)化控流裝置后，染色劑很少從擋壩的泄鋼口流出。在約60 s時，部分染色劑開始達到中間包出口。

可見，安裝優(yōu)化控流裝置后，流體在中間包內的停留時間大大延長，流動模式也較合理，有助于夾雜物隨鋼液向上流動，容易到達液面被中間包覆蓋劑吸附，從而提高了鋼水潔凈度。

3 結論

(1)實驗結果表明：最優(yōu)方案為方案1，即開孔位置處于擋墻下部正中間。采用該方案正常澆注時，中間包內鋼液的開始響應時間為54 s，平均停留時間為446 s，平均活塞流停留時間為98 s，死區(qū)體積為15%，活塞流與死區(qū)體積之比為1.27，夾雜物上浮率為96.0%，中間包內流場及夾雜物上浮條件得到了明顯改善。

5 s 15 s 25 s圖4 空包的流場顯示圖Figure 4 Flow field of the bare tundish

20 s 40 s 60 s圖5 安裝控流裝置后的流場顯示圖Figure 5 Flow field of the tundish with flow control devices

(2)擋墻下部開孔位置由中間向兩側移動時，流體在中間包內的停留時間縮短，死區(qū)體積增大，尤其是向擋壩泄鋼口一側移動時，容易出現(xiàn)短路流，流動模式更趨于不合理。

(3)安裝優(yōu)化控流裝置后流體在中間包內的停留時間大大延長，流動模式也較合理，明顯改善中間包流場，有助于夾雜物上浮去除，從而提高了鋼水潔凈度。

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