張忍德，翁 承，李宇彤，連天龍，楊昌霖

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

連鑄中間包的控流裝置直接影響鋼液的流動狀態(tài)，進(jìn)而影響中間包的冶金作用，深入了解控流裝置對鋼液流動狀態(tài)的影響至關(guān)重要[1]。有研究者對中間包流場的物理模擬采用示蹤法，即將一定量的示蹤劑，從鋼包長水口處瞬時注入，然后以錄像的方式記錄示蹤劑溶液的運(yùn)動情況[2,3]，然而使用顯示劑的流動顯示技術(shù)只能觀察液體流動的大致情況，不能提供詳細(xì)的定量結(jié)果。本研究中對中間包流場的測試采用一種將PIV粒子成像技術(shù)與基于PXI硬件平臺結(jié)合而產(chǎn)生的PXI粒子成像技術(shù)，即利用高分辨率高感光度相機(jī)拍攝激光掃射平面上示蹤粒子的軌跡圖像來獲取流場信息[4]。

通過測定停留時間分布曲線可定量描述中間包內(nèi)流體流動特性，對于RTD曲線的研究，傳統(tǒng)的研究者[5]采用酸、鹽溶液或染色溶液作為示蹤劑，采用PH值測量儀、電導(dǎo)率儀或比色計(jì)分析中間包出口示蹤劑的濃度變化。有研究表明[6]，使用與測試對象密度不同的示蹤劑，會使獲取的RTD曲線失真，導(dǎo)致中間包流動的分析產(chǎn)生錯誤。本測試平臺開發(fā)的基于圖像檢測技術(shù)的中間包RTD測試系統(tǒng)，通過激光照射出流口透明管道內(nèi)流過的示蹤粒子(聚苯乙烯微粒1.05 g/cm3)，產(chǎn)生輝光，通過記錄測試區(qū)域內(nèi)粒子濃度隨時間變化曲線來得到RTD曲線。

Chiang, L.K.[7]試驗(yàn)研究了擋壩、擋堰等控流裝置對中間包流場的影響，研究結(jié)果表明擋壩可以減少短路流，延長中間包內(nèi)最小停留時間，擋壩的高度對流場影響作用較小。多孔擋墻是一種可以代替壩堰組合的單片式導(dǎo)流墻，通過調(diào)整導(dǎo)流墻上過流孔的角度，改變鋼液流動方向，可延長鋼液在中間包的平均停留時間，有利于夾雜物上浮去除。Sheng, D.Y.等人[8]采用數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合的方法研究了多孔擋墻對鋼液流動的影響，結(jié)果表明多孔擋墻使鋼液分布更均勻，平均停留時間提高了35%。本文采用PXI粒子成像技術(shù)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了壩堰組合和多孔擋墻兩種控流裝置對中間包流場的影響。

1 中間包流場的模擬試驗(yàn)平臺

本文中間包流場及RTD曲線測試采用PXI連鑄綜合水模試驗(yàn)平臺[4]。試驗(yàn)平臺示意圖如圖1所示，水模擬系統(tǒng)主要由中間包模型、結(jié)晶器模型、循環(huán)水箱、各種電磁閥、流量計(jì)、液位計(jì)及各種控制設(shè)備組成，利用中間包及結(jié)晶器液位耦合閉環(huán)控制，可模擬不同澆注條件下的連鑄過程。本研究中主要用中間包流場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6和中間包RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8。

圖1 試驗(yàn)平臺示意圖

2 試驗(yàn)方案

在中間包流場模擬試驗(yàn)中水的流動主要是重力和慣性力起主導(dǎo)作用的湍流流動，在湍流流動條件下，不論中間包的幾何形狀和尺寸大小，流動過程的湍流雷諾數(shù)是非常相近的。在此基礎(chǔ)上，要保持在湍流流動范圍和原型與模型動力相似，只需要保證原型和模型的佛魯?shù)聰?shù)相等即可，選用佛魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)作為試驗(yàn)的決定性準(zhǔn)數(shù)，有式(1)成立。即

(1)

以某鋼廠雙流板坯連鑄中間包為研究對象，該中間包容量44 t，長水口內(nèi)徑75 mm，浸入式水口內(nèi)徑45 mm，中間包穩(wěn)定操作液面高度900 mm，鑄坯斷面尺寸為180 mm×650 mm，正常拉坯速度為1.1 m/min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，模型與原型比例設(shè)為1∶1.5，通過相似換算則可得到原型及模型的主要參數(shù)見表1。

表1 原型及模型中間包主要參數(shù)

本試驗(yàn)對模型中間包的典型截面的流場信息進(jìn)行采集并進(jìn)行分析。圖2為兩種控流裝置的中間包的典型物理截面。

圖2 中間包典型截面結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

合理的中間包流場必須保證三點(diǎn)： (1)全混流區(qū)被限定在一個指定區(qū)域內(nèi)，以保證夾雜物的上浮和溫度的均勻性；(2)中包流場應(yīng)包括一個較大的活塞流和盡量小的死區(qū)；(3)鋼液在中間包內(nèi)有較長的平均停留時間。所以在中間包設(shè)計(jì)時應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)目亓鞔胧?，延長鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時間，從而提高夾雜物的去除效果。圖3、圖4所示為兩種控流裝置下數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)的中間包流場，由于中間包關(guān)于長水口中心兩側(cè)對稱，故本文針對一半流場進(jìn)行分析研究。

圖3 壩堰組合中間包流場

圖4 多孔擋墻中間包流場

圖3所示為壩堰組合控流裝置下的中間包內(nèi)流場，由圖可知，在長水口澆注區(qū)，由于鑄流沖擊作用，中包流場呈現(xiàn)出混合流特征，擋堰把該區(qū)域限定在一個范圍之內(nèi)，進(jìn)而將隨鋼包注流進(jìn)入中間包的爐渣控制在注流區(qū)內(nèi)，減少對鋼液的二次污染，并可以將注流沖擊引起的表面波動限制在壩堰的上游，穩(wěn)定下游中間包熔池工作液面，有利于減少因表面卷渣、二次氧化和機(jī)械沖擊所產(chǎn)生的夾雜物。擋壩的基本作用是引導(dǎo)鋼液折向液面，使其與覆蓋渣接觸，有利于覆蓋渣吸收夾雜物。除此之外設(shè)置擋壩可以減少沿鋼包底部流動的動能，從而降低鋼水的流動速度，并減少短路流，延長鋼水在中間包內(nèi)的停留時間。由圖可知，鋼液經(jīng)過擋壩后比較明顯地折向中間包液面，隨后向下流向浸入式水口處，鋼液從擋堰到擋壩，再到浸入式水口，顯示出比較明顯的活塞流特征，即流體在中間包內(nèi)的流動是平行推動，后面的流體微元不超過前面的流體微元，前面的流體微元也不會返混到后面。此外，中間包內(nèi)也存在流體不流動或流動速度極小的死區(qū)(停留時間大于表觀停留時間兩倍)，在中包設(shè)計(jì)中應(yīng)該優(yōu)化控流裝置，盡量減小死區(qū)體積。

圖4所示為多孔擋墻控流裝置下的中間包內(nèi)流場，同壩堰組合控流裝置一樣，中間包流場在澆鑄區(qū)有比較明顯的混合流，該區(qū)域內(nèi)流場分布比較均勻。相比壩堰組合，多孔擋墻中間包在澆鑄區(qū)的全混流更為均勻，范圍更廣。擋墻上出流孔的角度和直徑的設(shè)置，可以有效地限制中間包底部流動促進(jìn)表面流，對延長鋼液在中間包內(nèi)的流動路徑，促進(jìn)夾雜上浮具有重要的作用。由圖可知，經(jīng)過多孔擋墻后，由于出流孔角度的設(shè)置，鋼流折向鋼液面，有利于去除夾雜物。擋墻外的流場均勻性得到很大程度的改善，中間包流場呈現(xiàn)出比較明顯的活塞流特征，對比壩堰組合和多孔擋墻兩種控流裝置可知，多孔擋墻控流裝置下中間包內(nèi)的活塞流范圍更寬廣。

圖5所示為壩堰組合和多孔擋墻兩種控流裝置下的水模試驗(yàn)和數(shù)值模擬的RTD曲線，如圖所示，水模試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的RTD曲線趨勢一致，結(jié)果吻合較好，說明本研究建立的數(shù)學(xué)模型是合理的。理論和試驗(yàn)結(jié)果都表明多孔擋墻控流裝置下中間包流場RTD曲線較為平滑，RTD曲線峰值出現(xiàn)時間較晚，說明鋼液的流動狀態(tài)較好，這也與圖3及圖4的直觀分析結(jié)果相吻合。

圖5 不同控流裝置下物理模擬和數(shù)值模擬RTD曲線

根據(jù)Ahuja和Shahai等[9,10]人的研究，通過RTD曲線可以計(jì)算出中間包內(nèi)各區(qū)的體積分?jǐn)?shù)，具體計(jì)算參見式(2)～(7)。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

實(shí)際平均停留時間

(7)

圖6所示為兩種控流裝置下中間包內(nèi)不同區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)，由圖可知，兩種控流裝置中間包內(nèi)全混流體積大致相等，這是由于兩種中間包內(nèi)擋堰和多孔擋墻的位置一致，擋堰和多孔擋墻把全混流限制在一個范圍。多孔擋墻控流裝置下中間包內(nèi)活塞流體積均高于壩堰組合控流裝置，這也與圖4、圖5的流場直觀顯示情況相一致。相比而言，本研究中多孔擋墻控流裝置更有利于改善中間包流場，但是多孔擋墻鋼液在控流孔處的流速較大，鋼液對擋墻上過流孔的侵蝕比較嚴(yán)重，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮。

圖6 不同控流裝置下中間包內(nèi)各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)

4 結(jié)論

(1)采用PXI粒子成像技術(shù)可以清晰、直觀地研究中間包內(nèi)流場情況，該技術(shù)對研究中間包流場具有重要意義 。本研究中物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的RTD曲線趨勢比較吻合，在今后的研究中，利用物理試驗(yàn)結(jié)果，可以對數(shù)值模擬模擬的參數(shù)進(jìn)行修正，使模擬結(jié)果更真實(shí)反映實(shí)際流場。利用數(shù)值模型可以對物理試驗(yàn)方案進(jìn)行提前篩選甄別，指導(dǎo)物理模擬試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

(2)兩種控流裝置下中包流場均呈現(xiàn)出不同程度的混合流和活塞流,對比兩種控流裝置可知,多孔擋墻的控流效果較好,活塞流體積較多，死區(qū)體積較少，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中過流孔侵蝕較嚴(yán)重,而過流孔的位置及角度明顯影響其控流效果。因次在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)綜合考慮兩種控流裝置的使用。