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      厚板坯連鑄中間包流場(chǎng)優(yōu)化

      2019-10-21 06:39:38張立夫王魯毅崔福祥呂春風(fēng)張宏亮張曉光
      鞍鋼技術(shù) 2019年5期
      關(guān)鍵詞:包內(nèi)示蹤劑鋼水

      張立夫,王魯毅,崔福祥,呂春風(fēng),張宏亮,張曉光

      (1.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司,遼寧 營(yíng)口 115007;2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧 鞍山 114009)

      中間包內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)及速度分布對(duì)流體成分和溫度的均勻性、夾雜物的上浮與排除有著重要的影響,而中間包及其控流裝置的結(jié)構(gòu)決定了中間包內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)與速度分布[1]。因此,深入了解和控制鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)行為是保證中間包冶金效果和提高鋼液質(zhì)量的關(guān)鍵。鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈煉鋼部在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)部分鋼種探傷合格率低的問(wèn)題,分析后認(rèn)為是夾雜物導(dǎo)致,夾雜物組分分析表明疑似中包渣,而中間包流場(chǎng)不合理容易導(dǎo)致卷渣事件發(fā)生。為降低并控制由中間包流場(chǎng)原因?qū)е碌膴A雜物缺陷風(fēng)險(xiǎn),利用數(shù)值模擬和水模實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了4種中間包控流裝置方案的特點(diǎn),以確定合理的中間包控流裝置,有效控制中間包內(nèi)鋼水的夾雜物。

      1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算

      以2 300 mm×300 mm的單流大斷面板坯中間包為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了4種控流裝置方案,圖1為控流裝置方案示意圖,表1為方案說(shuō)明。模擬工藝參數(shù)見(jiàn)表2。為保證計(jì)算的完整和真實(shí),以整個(gè)中間包流場(chǎng)區(qū)域作為建模范圍,而且全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以保證計(jì)算精度。

      1.1 模型基本假設(shè)

      模型基本假設(shè)如下:

      (1)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)為粘性不可壓縮流動(dòng);

      圖1 控流裝置方案示意圖

      表1 方案說(shuō)明

      表2 模擬工藝參數(shù)

      (2)中間包內(nèi)鋼液為湍流流動(dòng);

      (3)中間包內(nèi)鋼液為穩(wěn)態(tài)過(guò)程;

      (4)忽略表面渣層和液面波動(dòng)的影響;

      (5)計(jì)算出穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)后,在非穩(wěn)態(tài)下求解示蹤劑擴(kuò)散方程,計(jì)算示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律,得到RTD(鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間)曲線。

      1.2 控制方程

      中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)行為可用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程(N-S方程)及標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程來(lái)描述。其中,標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型由湍流動(dòng)能k方程及其耗散率ε方程描述。各方程的具體形式如下所述:

      (1)連續(xù)性方程:

      (2) 動(dòng)量方程(N-S 方程):

      (3)湍流動(dòng)能k方程:

      (4)湍流動(dòng)能耗散率ε方程:

      以上各式中,ui、uj為速度矢量,m/s; μ 為層流粘度,Pa·s;k 為湍動(dòng)能,m2/s2;xi、xj為方向矢量,m;μi為湍流粘度,Pa·s;ε 為湍動(dòng)能耗散率,m2/s2;ρ為流體密度,kg/m3;μeff為有效粘度,Pa·s。

      表3為k-ε模型中常數(shù)值。為得到RTD曲線,根據(jù)刺激—響應(yīng)原理,從某時(shí)刻起向中間包內(nèi)注入示蹤劑1 s,并在出口實(shí)時(shí)監(jiān)控示蹤劑的濃度變化規(guī)律。示蹤劑擴(kuò)散方程為:

      表3 模型中常數(shù)值

      1.3 邊界條件

      邊界條件如下:

      (1)自由表面:忽略表面渣層影響,所有變量的垂直梯度均為零,垂直于自由表面的速度分量為零。

      (2)入口:入口邊界設(shè)置為流量入口,假設(shè)入口截面上速度分布相同且垂直向下,速度大小根據(jù)實(shí)際中間包通鋼量計(jì)算。

      (3)出口:出口設(shè)定為自由流出邊界條件。

      (4)壁面:采用無(wú)滑移邊界條件,壁面附近流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算。各壁面散熱量取Sahai推薦值[2],即自由液面、中間包底部、中間包縱向壁面和橫向包壁的熱通量分別取 15、1.4、3.2和3.8 kW/m3。

      2 結(jié)果與分析

      本研究對(duì)中間包三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)后,在鋼液入口處加入示蹤劑1 s,求解示蹤劑三維湍流傳質(zhì)擴(kuò)散方程,進(jìn)行瞬態(tài)解2 000 s,得到鋼液在中間包出口的濃度隨時(shí)間的分布情況。

      2.1 不同方案下的流場(chǎng)對(duì)比分析

      控流方案A、B、C、D條件下中間包內(nèi)流線軌跡圖如圖2,流線單位為m/s。

      圖2 中間包內(nèi)流線軌跡圖

      從圖2中可以看出,在A方案的條件下,由于擋墻離塞棒比較近,鋼水過(guò)擋墻后在澆注區(qū)行程比較短,而且容易造成中間包鋼水液面的擾動(dòng),按B、C、D的順序,擋墻和壩不斷向長(zhǎng)水口側(cè)移動(dòng),沖擊區(qū)不斷變小,澆注區(qū)不斷變大,鋼水在澆注區(qū)的行程不斷增加,主流股傾向于在中間包中上層,有利于夾雜物的排除。

      2.2 不同方案下的RTD曲線分析

      中間包流體流動(dòng)的體積可劃分為活塞流體積、死區(qū)體積和混合流體積,死區(qū)體積越小,越有利于中間包冶金作用的發(fā)揮。中間包內(nèi)鋼液平均停留時(shí)間越長(zhǎng),越有利于夾雜物的上浮[4]。圖3為各方案的RTD曲線,根據(jù)RTD曲線計(jì)算平均停留時(shí)間、死區(qū)比例、混合流比例及活塞流比例,表4為數(shù)模中RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果。

      對(duì)比4個(gè)方案發(fā)現(xiàn),RTD曲線趨勢(shì)大致相似,但計(jì)算結(jié)果有所差異。從鋼水平均停留時(shí)間角度看,方案D與方案A相當(dāng);從死區(qū)比例來(lái)看,B、C、D方案比方案A均有所減小,其中方案B最小。綜合結(jié)果認(rèn)為,方案D明顯優(yōu)于方案A。

      圖3 各方案RTD曲線

      表4 RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果

      3 水模實(shí)驗(yàn)分析

      為驗(yàn)證數(shù)模計(jì)算結(jié)論的準(zhǔn)確性,以中間包為原型,進(jìn)行水模驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。模型按與實(shí)物1∶3的比例采用有機(jī)玻璃制成,以水代替鋼液,中間包水模試驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

      圖4 中間包水模試驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖

      中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)一般可視為粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)等溫流動(dòng)。模擬實(shí)驗(yàn)選用水作為介質(zhì)。要保證與重力有關(guān)的弗魯?shù)聰?shù)相等即可。相應(yīng)的模型與原型的關(guān)系為:

      以上各式中,Lm為模型特征長(zhǎng)度,m;Ls為原型特征長(zhǎng)度,m;um為模型流體速度,m/s;us為原型流體速度,m/s;Qm為模型的流量,m3/h;Qs為原型的流量,m3/h;tm為模型的時(shí)間,s;ts為原型的時(shí)間,s。

      本實(shí)驗(yàn)用電導(dǎo)率儀測(cè)定中間包內(nèi)液體停留時(shí)間分布。選擇飽和濃度的KCl溶液300 ml加入鋼包至中間包的流股中,在中間包下出口處用電導(dǎo)儀測(cè)量液體中KCl濃度隨時(shí)間的變化情況,用記錄儀繪出其變化的函數(shù)曲線,記錄示蹤劑在中間包出口處響應(yīng)的時(shí)間、濃度達(dá)到最大時(shí)的時(shí)間,通過(guò)計(jì)算得出平均停留時(shí)間ta,計(jì)算公式如下:

      式中,C為KCl溶液濃度,t為時(shí)間。

      表5為水模實(shí)驗(yàn)RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果。從表5可看出,方案D條件下,死區(qū)比例有所減小,活塞區(qū)比例顯著增大。

      表5 RTD曲線計(jì)算及分析結(jié)果

      為測(cè)量中間包液面流速情況,在中間包液面播撒聚苯乙烯塑料粒子,對(duì)不同工況的中間包液面流動(dòng)情況進(jìn)行了錄像。經(jīng)對(duì)錄像截圖分析,計(jì)算液面某點(diǎn)的流動(dòng)速度,以此反映中間包擋墻設(shè)置對(duì)液面的影響,表6為中間包液面測(cè)速結(jié)果。

      表6 中間包液面測(cè)速結(jié)果

      由表6看出,A擋墻設(shè)置方案平均速度最大,表明出口區(qū)鋼液流動(dòng)對(duì)液面沖擊激烈,不利于結(jié)晶器的穩(wěn)定澆注。其余3種方案條件下液面流速均顯著減小。

      4 方案實(shí)施情況

      根據(jù)計(jì)算和水模實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果選擇方案D作為實(shí)施方案,應(yīng)用于管線鋼生產(chǎn)中,共11個(gè)澆次。抽取鑄坯試樣進(jìn)行夾雜物掃描和統(tǒng)計(jì),結(jié)果是夾雜物尺寸多分布在0~3 μm,經(jīng)計(jì)算比例為68.76%,其余為 3~10 μm,沒(méi)發(fā)現(xiàn)大于 10 μm 的夾雜物。典型夾雜物形貌及能譜圖見(jiàn)圖5。由圖5看出,夾雜為精煉處理常見(jiàn)夾雜類型,不是卷渣產(chǎn)物。方案實(shí)施后的管線鋼探傷合格率為98.6%,比原來(lái)提高了0.9%,夾雜物控制得到改善。

      圖5 典型夾雜物形貌及能譜圖

      5 結(jié)論

      (1) 對(duì) 4 種中間包擋墻設(shè)置方案(A、B、C、D)的數(shù)值模擬和水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,方案D的中間包擋墻和擋壩向長(zhǎng)水口側(cè)移動(dòng)后,鋼水沖擊區(qū)顯著減小,澆注區(qū)顯著增大,鋼水在澆注區(qū)的行程不斷增加,主流股傾向于在中間包中上層,死區(qū)比例小、鋼液平均停留時(shí)間長(zhǎng),有利于夾雜物的排除。

      (2)方案D應(yīng)用于管線鋼生產(chǎn)后,管線鋼探傷合格率比原來(lái)提高了0.9%,夾雜物缺陷得到改善。

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