袁方明(中鋼設(shè)備有限公司，北京100080)

中間包鋼水安全液位水力學模型研究

袁方明
(中鋼設(shè)備有限公司，北京100080)

本實驗研究以國內(nèi)某鋼廠所使用的中間包為原型，模型與原型幾何比例為1∶3，按Froude準數(shù)相等原則進行水力學模擬研究。根據(jù)實際生產(chǎn)中鑄坯寬度分別為1 450 mm、1 200 mm和1 000 mm時的不同拉速及其對應的鋼水流量，在水模型實驗中測定了相應條件下模型中間包液位產(chǎn)生漩渦的臨界高度，根據(jù)相似原理得出了實際條件下中間包內(nèi)產(chǎn)生漩渦的臨界鋼水液位即安全液位，對防止中間包渣卷入結(jié)晶器，提高鑄坯質(zhì)量有一定的指導意義。

連鑄;中間包;安全液位;水力學模型

0　前言

在連鑄生產(chǎn)過程中，準備更換中間包或者在澆鑄末期時中間包內(nèi)鋼水液位持續(xù)下降，降低到某一高度時水口上方將會產(chǎn)生漩渦，很容易將中間包覆蓋渣卷入結(jié)晶器，如果卷渣被凝固坯殼前沿捕捉會直接危害鑄坯質(zhì)量［1-10］。

連鑄拉速提高后，中間包內(nèi)鋼水的流量和流速增加，由此可能會造成中間包內(nèi)鋼水流場特征的改變［11］。其中水口上方產(chǎn)生漩渦的鋼水液面高度會發(fā)生變化。本次研究的主要內(nèi)容是在不同拉速條件下中間包水口上方產(chǎn)生渦流的臨界液面高度及其影響因素進行水力學模型的實驗研究，以期實際生產(chǎn)中在較高拉速下澆鑄時漩渦產(chǎn)生的臨界液位高度。

1　研究方法

中間包實驗裝置的原型為國內(nèi)某鋼廠連鑄機實際生產(chǎn)所用的中間包，采用有機玻璃制成的中間包水力學模型，原型與模型的幾何尺寸比例為1∶3，考慮原型與模型的Froude準數(shù)相等［12］，由此計算得出在各拉速下對應水模型單個水口的水流量見表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

研究中在上述拉速對應的水流量條件下，分別降低中間包液面高度，同時采用數(shù)字攝像儀對中間包水口上方出現(xiàn)漩渦的情況進行拍攝記錄。實驗中觀察到(圖1)，液位降至一定高度時，液面開始出現(xiàn)微小漩渦(圖1a)，隨液位繼續(xù)下降，漩渦逐漸變大并與水口相連形成“抽引流”(圖1e)。但是，當液位繼續(xù)下降到某一高度時，液體內(nèi)漩渦消失。一段時間后，漩渦再次出現(xiàn)(圖1h)，再次與水口相連形成“抽引流”，并一直持續(xù)到中間罐放空。實驗中將水口上方開始出現(xiàn)漩渦時中間包液位高度作為該拉速條件下中間包出現(xiàn)漩渦下渣的臨界液位高度。

圖1　中間包水口上方漩渦出現(xiàn)－消失－再出現(xiàn)現(xiàn)象照片F(xiàn)ig.1 The photo of eddy appearing-disappearing-reappearing on the tundish nozzle

2　研究結(jié)果

2.1結(jié)晶器寬度為1 450 mm情況下的中間包臨界液位

表2和圖2分別給出了結(jié)晶器寬度為1 450 mm時，不同拉速條件下，中間包水模型內(nèi)開始出現(xiàn)漩渦和出現(xiàn)穩(wěn)定漩渦時的液位?？梢钥吹剑谳^高拉速范圍內(nèi)(1.4～1.8 m/min)，隨拉速增加，中間包臨界液位高度呈降低的趨勢。如拉速由1.4 m/min增加至1.8 m/min后，漩渦開始出現(xiàn)的液位由89mm降低至83mm，漩渦穩(wěn)定出現(xiàn)的液位由74mm降低至62mm?？紤]到模型與原型比例為1∶3，如將上述結(jié)果按比例放大，二連鑄分廠在拉速為1.4～1.8 m/min條件下，中間包臨界液位高度在270～240 mm之間。

表2　結(jié)晶器寬度1 450 mm時的中間包臨界液位Tab.2 Critical depth at casting width 1 450 mm

圖2　結(jié)晶器寬度1 450 mm時中間包臨界液位變化Fig.2 Change of the critical depth at casting width 1 450 mm

2.2結(jié)晶器寬度1 200 mm時的臨界液位

表3和圖3分別給出了結(jié)晶器寬度為1 200 mm時，不同拉速條件下，中間包水模型內(nèi)開始出現(xiàn)漩渦和出現(xiàn)穩(wěn)定漩渦時的液位。可以看到，與結(jié)晶器寬度1 450 mm時的情況相似，在較高拉速范圍內(nèi)(1.4～1.8 m/min)，隨拉速增加，中間包臨界液位高度呈降低的趨勢。如拉速由1.4 m/min增加至1.8 m/min后，漩渦開始出現(xiàn)的液位由104 mm降低至77 mm。但漩渦穩(wěn)定出現(xiàn)的液位隨拉速增加而變化的規(guī)律性不強?？紤]到模型與原型比例為1∶3，如將上述結(jié)果按比例放大，二連鑄分廠在拉速為1.4～1.8 m/min條件下，結(jié)晶器寬度為1 200 mm時，中間包臨界液位高度在310～230 mm之間。

表3　結(jié)晶器寬度1 200 mm時的中間包臨界液位Tab.3 Critical depth at casting width 1 200 mm

圖3　結(jié)晶器寬度1 200 mm時中間包臨界液位變化Fig.3 Change of the critical depth at casting width 1 200 mm

2.3結(jié)晶器寬度1 000 mm時的臨界液位

表4和圖4分別給出了結(jié)晶器寬度為1 000 mm時，不同拉速條件下，中間包水模型內(nèi)開始出現(xiàn)漩渦和出現(xiàn)穩(wěn)定漩渦時的液位。可以看到，與結(jié)晶器寬度1 450 mm和1 200 mm時的情況相似，在較高拉速范圍內(nèi)(1.4～1.8 m/min)，隨拉速增加，中間包臨界液位高度同樣呈降低的趨勢。如拉速由1.4 m/min增加至1.8 m/min后，漩渦開始出現(xiàn)的液位由99mm降低至77mm，漩渦穩(wěn)定出現(xiàn)的液位由65mm降低至56mm?？紤]到模型與原型比例為1∶3，如將上述結(jié)果按比例放大，二連鑄分廠在拉速為1.4～1.8 m/min條件下，結(jié)晶器寬度為1 000 mm時，中間包臨界液位高度在300～230 mm之間。

表4　結(jié)晶器寬度1 000 mm時的中間包臨界液位Tab.4 Critical depth at casting width 1 000 mm

圖4　結(jié)晶器寬度1 000 mm時中間包臨界液位變化Fig.4 Change of the critical depth at casting width 1 000 mm

2.4不同澆鑄寬度下中間包臨界液位的比較

在較高拉速條件下(1.4～1.8 m/min)，分別取結(jié)晶器寬度為1 450mm、1 200mm和1 000mm三種情況下，中間包臨界液位高度的平均值。圖5為上述三種澆鑄寬度下臨界液位平均值的比較，可以看到，在本研究所用澆鑄條件下，澆鑄寬度對較高拉速下中間包液位的臨界高度影響不大。當澆鑄寬度在1 000～1 450mm之間時，水模型中液位臨界高度平均值在86～90 mm之間。

圖5　不同澆鑄寬度下臨界液位平均值比較Fig.5 Comparing of the average critical depth at different casting width

3　結(jié)論

(1)中間包液位降至一定高度時，液面開始出現(xiàn)漩渦，但開始出現(xiàn)的漩渦處于不穩(wěn)定狀態(tài)，時而出現(xiàn)時而消失。在液位繼續(xù)下降過程中漩渦經(jīng)常會消失，當下降到某一高度時，開始出現(xiàn)穩(wěn)定的漩渦，并一直持續(xù)到中間罐放空。

(2)在三種澆鑄寬度下(1 450 mm、1 200 mm、1 000 mm)，中間包液位臨界高度均隨拉速增加呈現(xiàn)降低的趨勢。

(3)澆鑄寬度對較高拉速下中間包液位的臨界高度影響不大。當澆鑄寬度在1 000～1 450 mm之間時，水模型中液位的臨界高度平均值在86～90 mm之間。

(4)將中間包液位臨界高度按水模型與原型比例直接放大，實際澆鑄條件下，在1.4～1.8 m/min拉速條件下，中間包液位臨界高度在310～230 mm之間。

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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，中鋼設(shè)備有限公司高級工程師，主要從事煉鋼工程工藝設(shè)計。