顶旋型湍流抑制器优化中间包流场的物理模拟_王家辉 (1).pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：顶旋型湍流抑制器优化中间包流场的物理模拟王家辉，张华，方庆，周家朝，谢旭琦，倪红卫，（武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 ；武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室，湖北 武汉 ）摘要：设计了一种顶旋型湍流抑制器，使中间包冲击区内钢液在其作用下产生旋转的速度场，从而削弱钢液回流至钢渣界面的强度，降低湍动能，避免卷渣和钢液二次氧化，以达到在冲击区内净化钢液的目的。通过水模型试验对比分析了无湍流抑制器、普通湍流抑制器和顶旋型湍流抑制器下单流中间包稳态浇注、开浇和换钢包时的多相流动行为，验证所设计的顶旋型湍流抑制器在中间包各操作阶段的优越性。结果表明，顶旋型湍流抑制器对中间包稳态浇注过程无负面影响，对非稳态浇注过程有明显改善效果。与不使用湍流抑制器相比，可以使钢液的平均停留时间由 延长至 ，死区体积分数由 减小至 ，响应时间由 增加到 ，有效避免了短路流的出现。不采用湍流抑制器和采用普通湍流抑制器的中间包在开浇充包 后会分别产生 和 左右的钢液裸露，在换钢包过程再充包 后会分别产生 和 左右的钢液裸露，而采用顶旋型湍流抑制器均不会产生钢液裸露现象，且相较普通湍流抑制器可以有效降低开浇换钢包过程中钢渣界面的液面波动幅度。顶旋型湍流抑制器可以有效改善钢液的流动状态，避免非稳态浇注时的卷渣及钢液二次氧化，提高钢液洁净度和金属收得率，且在不明显增加成本的前提下确保较高的使用时效，有较高的推广及应用价值。关键词：中间包；湍流抑制器；水模型试验；非稳态浇注；开浇文献标志码：文章编号：（），（，；，）基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；中国博士后科学基金资助项目（）作者简介：王家辉（），男，博士生；：；收稿日期：通讯作者：张华（），男，博士，教授；：（），（，），第期王家辉，等：顶旋型湍流抑制器优化中间包流场的物理模拟 ，：；中间包是连接钢包和结晶器的中间容器，不仅保证了连铸生产的顺利进行，而且对最终产品的质量也有很大的影响。湍流抑制器作为中间包内重要的控流装置，可以有效防止高速注流引起的液面波动，提升铸坯质量。等研究发现湍流抑制器不仅可以降低自由液面的湍动能，还可以延长钢液在中间包内的停留时间，减少死区体积。等设计了一种在湍流抑制器内底部设置旋流导片的内旋型湍流抑制器，可以有效改善中间包内钢液的流动状态，但钢液对导流片的冲刷较大。、等 经过研究发现，合理的旋转流场可以有效促进夹杂物的碰撞长大和上浮去除，但现有技术存在设备安装复杂、改善效果难以控制且成本巨大等问题。因此，本研究设计了一种内壁上部带有旋流导片的顶旋型湍流抑制器，可以使钢液在其作用下产生明显的旋转流场。相比传统的湍流抑制器，顶旋型湍流抑制器在中空腔室内壁面檐下布置导向一致的旋流导片，可使钢液由钢包长水口射入湍流控制器底部产生强烈上回流时在旋流导片的引导下产生旋流的速度场。一方面能削弱钢液回流至钢渣界面的强度，降低湍动能，避免卷渣；另一方面旋流产生的离心力可在很大程度上促进钢液中非金属夹杂物的碰撞、聚集和长大，更有利于上浮去除，可以达到进一步在冲击区内净化钢液的目的。中间包的浇注时期可以分为稳态浇注 和非稳态浇注 。非稳态浇注尽管只占中间包一个浇注周期的 ，但却是引起钢液不稳定和铸坯产生质量缺陷的主要原因。非稳态浇注一般都会伴随着中间包液位低、充包流量大等现象，易造成中间包内钢液洁净度显著降低。目前对中间包非稳态浇注过程的研究较少，即使在物理模拟研究中也大多忽略了钢渣的影响，这与实际情况严重不符。等 采用 （）模型对采用不同结构湍流抑制器的五流中间包换钢包过程进行了计算分析，结果表明使用圆形带檐的湍流抑制器时钢液的裸露面积和持续时间相对较小，钢渣界面较为稳定。等 采用数学模拟和物理模拟的方法对中间包换钢包过程多相流动行为进行了研究，结果表明换钢包过程的再充包时间大于 时可以有效降低卷渣量和冲击区裸露面积。等 设计了种湍流抑制器，分析了其在开浇期间对中间包钢气两相流的影响，结果表明采用第三种湍流抑制器时不仅可以使中间包有更大的活塞流，还可以防止在浸入式水口处的钢液冻结，但模拟计算过程中未考虑渣相的行为。等 采用 模型对中间包换钢包时中间包内气液两相流动进行三维非稳态模拟计算，考察了实际换钢包过程中中间包液面变化，以及充包过程中不同流量浇注时新钢液在中间包内混合和分布随时间的变化关系，但模拟过程中未涉及覆盖剂层对换钢包过程钢液洁净度的影响以及各流体间相互作用的界面行为。王德永等 使用物理模拟的方法研究了控流装置对中间包非稳态浇注过程的影响，但此研究仅考虑了非稳态浇注时钢液的流动状态，并未考虑钢渣的影响。此外，湍流抑制器通常在稳态浇注、开浇和换钢包过程发挥作用，但目前大多数研究仅关注其中的一个或两个时期，然而在评估一种湍流抑制器的冶金效果时，有必要全面分析整个使用周期。因此，为了证明顶旋型湍流抑制器的优越性，采用水模型试验的方法对不采用湍流抑制器、采用普通和顶旋型湍流抑制器的中间包在稳态浇注、开浇、换钢包时的流场、曲线、多相流动行为等方面进行了对比研究。试验原理中间包内最基本的物理现象是钢液的流动，所以研究中间包内钢液的流动特性是中间包冶金的基础。利用水模型试验对中间包内钢液的流动状态进行模拟是目前最常用的物理模拟方法，水模型试验的基本原理是相似原理，即保证原型中间包和模型中间包的几何和动力相似 。其中几何相似指原型中间包与模型中间包的对应长度和宽度呈比例关系，对应角度相等，本研究几何相似比为。图所示为中间包原型结构及顶旋型湍流抑制器的结构和参数。钢铁第 卷图中间包及顶旋型湍流抑制器的结构 对于动力相似，即是两系统中相应位置上的力存在固定比例，该比例可用各种无量纲准数来表示。动力相似的标准是表征某物理特征的内在比相等。要保持模型与原型中的所有准数相等是不可能的，应根据不同的实际情况，选择起主要作用的准数。在中间包物理模拟中，选择雷诺数（）和弗劳德数（）相等的液体模拟钢液，通常为水，同时，在一般的试验条件下，流体的流动处于第二自模化区，此时流体流动状态及流速分布基本与雷诺数无关，因此，只需保证弗劳德数相等即可保证动力相似。通过弗劳德数（）相等可以确定模型和中间包原型的速度、流量、平均停留时间的关系。，（）式中：下角、分别代表原型和模型；、分别为流速、特征长度和重力加速度。考虑到本研究要进行非稳态浇注过程的水模型试验，开浇前期长水口流量最高可达到倍的稳态浇注流量，综合考虑实验室供水条件，本文模型与中间包原型的比例因子为（）式中：、分别为原型和模型的特征长度。根据式（）和式（）可计算出试验时流体与实际生产时中间包速度、体积流量以及平均停留时间换算的关系式。速度关系式为槡 （）式中：、分别为原型和模型的速度。流量关系式为 （）式中：、分别为原型和模型的流量。平均停留时间关系式为 （）式中：、分别为原型和模型的平均停留时间。根据式（）式（）确定中间包模型与原型的参数比例，结果见表。表中间包模型与原型参数比例 线性比速度比流量比平均停留时间比 在中间包中，钢液与钢渣流动状态主要受表面张力的影响，因此应保证模型与原型中间包的韦伯数（）相同，为准确模拟中间包内多相流之间的相互作用，在试验过程中，采用一定配比的煤油和真空泵油组成的混合油模拟钢渣，混合油密度可通过式（）计算。，（）（）（）式中：、分别为原型与模型中间包的韦伯数；、分别为水和钢液的速度，；、分别为水、钢液和混合油的密度，；、分别为水油和钢渣间的界面张力，。通过式（）计算出水模型试验所用油的密度 ，根据煤油和真空泵油的密度值，求出两者的配比，且水模型试验过程中油层的厚度为中间包内渣层厚度的。利用 曲线分析中间包内流体的流动特性已经成为冶金学者评价中间包流场的重要手段。在第期王家辉，等：顶旋型湍流抑制器优化中间包流场的物理模拟本文中，使用 等 采用的分析模型来描述中间包中钢液的流动特性。理论平均停留时间为（）式中：为中间包体积；为钢水体积流量。实际平均停留时间为（）（），（）式中：为取样时刻；（）为时刻对应出水口处 溶液的浓度值。两倍理论平均停留时间为（）（），（）死区体积分数为（）全混流体积分数为（）活塞流体积分数为（）式中：为响应时间；为峰值时间。试验方法与试验方案本文水模型试验中间包及各控流装置均由有机透明玻璃制成，其中主要用到的试验材料和设备为：中间包模型、种湍流抑制器（可拆卸）、电导率仪、电导电极、计算机、流量计台、摄像机、染色剂（黑色墨水）及示踪剂（质量浓度为）。图所示为试验装置示意图和实物图。（）示意图；（）实物图。图水模试验装置示意和实物图 由于钢包的冲击、中间包各水口的抽吸作用以及中间包的复杂结构，使得中间包内部流场流动十分复杂，钢液在中间包内的流动过程中，各钢液微团流经的路径、流速分布、停留时间等不完全一致，因此需要通过钢液在中间包内的停留时间来表征其流动模式。本试验采用“刺激响应”法测量钢液停留时间分布。在中间包内的水流稳定状态下，在时间的瞬间从中间包入口输入刺激信号即示踪剂（示踪剂的物理性质应与原流体相似，本试验采用 溶液），在中间包出口处监测示踪剂浓度（即响应），绘制示踪剂浓度随时间的变化关系式（），得到流体在中间包内的停留时间分布即 曲线。由于在试验中所测得的“响应”信号为电导率值，在分析数据时需要将其转化为示踪剂的浓度。本试验所拟合的电导率与示踪剂浓度的关系如图所示。在本文试验中，所使用的模拟物质以及示踪剂的参数见表。中间包原型的主要工业参数及所对应的水模型试验参数见表。本研究以某钢厂单流板坯中间包为研究对象，采用物理模拟的方法分别对不采用湍流抑制器、采用普通湍流抑制器和采用顶旋型湍流抑制器的中间包进行研究，探明顶旋型湍流抑制器在开浇稳态浇注换钢包期间对中间包流场优化的工作机理，为顶旋型湍流抑制器的推广应用提供理论依据。具体水模型试验方案见表。在试验过程中每组方案重复钢铁第 卷图拟合中间包出口电导率浓度曲线 次，误差不超过时停止。试验结果与分析讨论湍流抑制器的工作时期包括稳态浇注、开浇、换钢包，其中稳态浇注占一个浇次的 ，在此阶段中间包内钢液的液位和入口流量保持在一个相对稳定的水平，同时该阶段钢液液面波动小、拉速稳定、钢水温度变化小、发生二次氧化和卷渣的可能性远低于非稳态浇注。非稳态浇注包括开浇和换钢包，此阶段的主要特点是钢水液位波动大、拉速变化频繁，这是连铸过程中很重要的部分。图所示为中间包原型稳态浇注、开浇和换钢包过程长水口流量和中间包液位变化示意（图中 为稳态浇注时表水模型试验模拟物质参数 物质模拟对象颜色密度（浓度）水钢液无色透明 煤油真空泵油钢渣黄色透明 溶液示踪剂无色透明 墨汁染色剂黑色表中间包原型和模型主要工业参数 工艺条件中间包稳态吨位铸坯断面尺寸（）稳态熔池深度长水口插入深度浸入式水口内径稳态长水口流量（）拉坯速度（）浸入式水口流量（）渣层厚度原型中间包 模型中间包 表水模型试验方案设计 编号方案浇注时期 无湍流抑制器稳态浇注、开浇、换钢包 普通湍流抑制器稳态浇注、开浇、换钢包 顶旋型湍流抑制器稳态浇注、开浇、换钢包的钢浇量），根据表中中间包原型和中间包模型的线性比、流量比、时间比进行换算，即可获得水模型试验中中间包吨位、流量的变化趋势。稳态浇注稳态浇注占一个浇次的 ，是中间包工作过程中最重要的部分，所设计的顶旋型湍流抑制器可以运用于实际生产的前提是对稳态浇注过程不产生负面影响。本节比较了单流板坯中间包在不采用湍流抑制器、采用普通湍流抑制器、采用顶旋湍图中间包原型不同操作过程流量和液位变化示意 流抑制器时的钢液流场和 曲线，分析比较各湍流抑制器方案对稳态浇注中间包内钢液流动的第期王家辉，等：顶旋型湍流抑制器优化中间包流场的物理模拟影响。图所示为采用不同湍流抑制器方案下稳态浇注中间包分别在、时的示踪剂扩散图。从图中可以看出，不采用湍流抑制器时，示踪剂在 左右时已经在出口处响应，而采用普通湍流抑制器和顶旋型湍流抑制器时，示踪剂在 左右流到出口处。当不采用湍流抑制器时，钢液从长水口流出到冲击区后会直接流向浇注区，进而直接流向出