六流中间包夹杂物去除的物理与数学模拟实验研究

何 博，李勤勇，徐学华， 王宝峰, 黄 军， 张亚坤

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010)

六流中间包夹杂物去除的物理与数学模拟实验研究

何 博1，李勤勇1，徐学华1， 王宝峰2, 黄 军2， 张亚坤2

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010)

以某钢厂六流对称小方坯连铸中间包为研究原型，采用水力学试验和数值模拟相结合的方法研究多孔挡墙对中间包内夹杂物去除率的影响，并得到最优的中间包结构。实验结果表明，在中间包未添加多孔挡墙控流装置时，中间包夹杂物的去除率很小，水力学实验结果为61.51%，数值模拟实验结果为73.3%;采用优化后的30°多孔挡墙型挡墙后，中间包的夹杂物去除率得到明显改善，水力学实验结果为82.45%，数值模拟实验结果为83.0%，多孔挡墙的添加有助于中间包中夹杂物的去除。

中间包、水力学实验、数值模拟、挡墙、夹杂物

0 前言

钢的连铸生产设备是一个由钢包、中间包和结晶器等3个冶金反应器串联布置的高温反应体系[1]。中间包是钢铁的连铸生产过程中由间歇生产过程转变成连续生产过程的过渡设备，中间包最初的作用主要包括分流作用、连浇作用、减压作用和保护作用[2, 3]。随着钢铁生产技术的不断发展和对钢水洁净度要求的越来越高，中间包的冶金功能越来越受到人们的重视，相关工作者也对其进行了大量科学研究，一般通过分析水力学实验和数值模拟实验中钢液停留时间分布曲线(RTD)和流场分布情况[4, 5]，来间接判断中间包的夹杂物去除情况。为了更加直观的判断中间包对夹杂物的去除情况，本文采用水力学实验和数值模拟的方法，对优化前后中间包夹杂物的去除能力进行直接研究。

本次夹杂物去除试验中，水力学实验部分应用中国重型机械研究院刚刚建立的PXI连铸综合模拟实验平台进行试验，采用空心玻璃微珠来模拟夹杂物；数值模拟实验部分，应用ANSYS软件对实验对象进行相关的夹杂物去除实验。

1 实验方案

根据中重院提供的图纸，固定“T”型区内部的控流装置，改变挡墙的结构，分析获得最优的挡墙结构，然后利用固定后的挡墙结构 ，选取优化的“T”型区内部的控流装置。以某钢厂六流小方坯中间包为研究对象，该中间包容量6 m3，长水口内径60 mm，插入深度300 mm，出水口内径30 mm，中间包稳定操作液面高度800 mm，铸坯断面尺寸为180 mm×240 mm，正常拉坯速度为1.1 m/min，优化前后中间包结构如图1所示，其尺寸参数见图2。

图1 原中间包(左)和优化后中间包(右)Fig.1 Original tundish (left) and optimized tundish (right)

图2 优化后中间包的尺寸参数Fig.2 Dimension parameters of optimized tundish

为了便于对实验结果进行说明，对不同实验下的中间包进行编号，实验编号见表1。

表1 实验方案编号

2 实验方法

2.1 水力学实验

2.1.1 实验原理

过去的大量研究工作已经证实,中间包挡墙设置首先要考虑如何保证钢水注入中间包后先形成一个稳定的充分混合区,离开混合区的钢水还要经过一个较长的活塞流区而最终到达出口。从有效去除夹杂物的冶金要求出发,保证活塞流流股上扬也是一个必须考虑的问题。

水力学实验中模型与原型之间的比例为1∶2，实验中要保证几何模型与中间包原型之间几何相似和动力相似[6]。对于几何相似,在根据国内外文献报道和实验条件, 选用有机玻璃作为制作材料，按照特定比例缩小制作中间包几何模型，同时保证模型的内部结构与原形相同；在满足动力学相似方面,由于选择的中间包内部水的流动状态与实际中间包中液体流动状态均已处于同一自模化区，第二自模化区,因此试验中只要保证模型与实型弗鲁德准数Fr相等即可实现动力学相似。由此计算出模型所对应于原型的体积流量[7],即

Qm=λ2.5Qp

式中,Qm和Qp分别为模型和原型的流体体积流量,m3/h。

在水力学试验中进行夹杂物去除的实验时，采用空心玻璃微珠来模拟钢液中夹杂物。在对中间包中的夹杂物模拟方面,Sahai和Emi提出[8]，水模型中的夹杂物与原型中的夹杂物的在尺寸和密度方面与流体密度存在着定量关系,即

式中，R为半径,m；ρ为密度,kg/m3；下标m和p分别代表模型和原型，下标inc、st和w分别代表夹杂物、钢液和水。

从公式中可以知道,模型与原型的夹杂物密度不必严格满足相似第二定律要求,即模拟夹杂物与水的密度之比等于夹杂物与钢液的密度之比,也可以近似模拟实际钢液中夹杂物的运动行为。本实验采用具有一定粒度范围的空心玻璃微珠来模拟夹杂物。图3为实验所用到的连铸中间包综合水力学模拟实验平台。

图3 水力学实验平台示意图(左)和实验平台现场图(右)Fig.3 Schematic diagram (left) and field graph (right) of the hydraulic experimental platform

2.1.2 实验过程

夹杂物实验步骤为：

(1)首先称重10 g的模拟夹杂物颗粒物(夹杂物的尺寸为密度400～500 g/cm3，特征尺寸为60～80 μm的空心玻璃珠(漂珠)来对钢中夹杂物进行模拟)；称量大约80张吸附用纸的重量并记录。

(2) 将中间包流场调整到稳定状态，其中液位高度为400 mm，水模型的流量为0.177倍的钢液流量，水模型的速度为0.707倍的钢液速度。

(3) 将10 g的夹杂物在长水口附近释放，夹杂物随着中间包内水的流动而流动，在释放15 min后，开始利用前面称量的吸附纸吸附中间包表面的漂珠，这个过程持续约10 min。

(4)将吸附后的的纸收集，并且干燥，称量，增重βg。

(5)夹杂的去除率计算为β/10×100%。

通过上述实验过程及沟通，确定夹杂物实验的具体步骤，为进一步的实验开展确定条件。图4为夹杂物去除实验过程中所用到的实验仪器。

图4 水力学实验中用到的设备(干燥箱，电子天平，托盘等)Fig.4 Equipment used in hydraulic experiment (drying box, electronic balance, tray, etc.)

2.2 数值模拟实验

中间包流场的数值模拟是通过建立数学模型，用计算机求解流体运动方程组(质量方程、动量方程、连续性方程、能量方程和组分守恒方程)来对中间包内的钢液流动进行数值模拟[9]。

2.2.1 基本假设

连铸中间包内钢液流动状态复杂，在建立数学模型时，做如下基本假设：

(1)中间包内钢水的流动为稳态粘性不可压缩；

(2)中间包内的流动为高雷诺数湍流流动；

(3)忽略表面渣层的影响，中间包钢液液面稳定。

(4)忽略钢液温度的变化，认为中间包内钢液温度恒定。

2.2.2 控制方程

控制方程如下:

(1)连续性方程。

∂ui/∂xi=0

(1)

(2)动量方程。

(2)

(3)湍动能方程。

(3)

(4)湍动能耗散率ε方程。

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)中,xi,xj为张量表示的方向;ρ为钢水密度, kg/m3;P为压力,Pa;Ui,Uj为流场时均速度;t为时间,s;μ为动力学黏度,Pa·s;μt和μeff分别为湍流黏度系数和有效黏度系数,Pa·s;g为重力加速度, m/s2;K为流体的湍动能,m2/s2;ε为湍动能耗散率,m2/s3;G为湍动能产生率;方程式(3)～(5)中的系数 ,σk,σe,C1,C2,Cd为经验常数,采用劳德(Launder)和斯帕丁(Spalding)推荐值:σk=1.0,σe=1.3,C1=1.43,C2=1.93,Cd=0.09。

2.2.3 网格划分

由于中间包结构比较复杂，所以对模型网格采用分体划分，使用六面体及四面体混合网格，并测试网格的划分对影响计算的最终结果。数值模拟过程中采用的网格数为280万左右，同时对长水口和浸入式水口速度梯度较大地方进行网格局部加密。

2.2.4 边界条件

求解控制方程，必须给出相应的边界条件，结合其不同的特点，模型边界条件如下:

(1)水口边界条件。钢液从大包经过长水口流入中间包，入口的速度通过拉速和铸坯尺寸由质量守恒定律确定，入口的湍流动能及湍流动能耗散率根据经验公式取值。

式中，Dinlet为入口的直径,kinlet为湍流动能，εinlet为湍流动能耗散率。

(2)出口边界条件。中间包的出口边界为自由出流边界。

(3)壁面边界条件。对中间包的上表面边界条件中的“DPM”设置为“trap”，其他壁面设置为“feflect”,同时各个壁面上，对速度、压力、浓度使用无滑移边界条件。

3 夹杂物去除率实验结果

在实验测试过程中，分别对同一工况中间包重复进行5次水力学实验和数值模拟实验，取五次结果的平均值作为该工况中间包夹杂物率。表2详细记录了各工况中间包每次的实验结果。从中可以发现无论是水力学实验结果还是数值模拟实验结果，优化前的中间包夹杂物去除率(水力学实验结果去除率61.51%，数值模拟实验结果73.3%)均低于优化后中间包的夹杂物去除率(水力学实验结果去除率82.45%，数值模拟实验结果83.3%)，两种实验结果在一定程度上说明在添加多孔挡墙后，中间包内的流体流动状况得到优化，在一定程度上增大了钢液的平均停留时间，同时多孔挡墙的通道具有上扬的的角度，使得流体向上运动的趋势得到加强，其流动方式的改变更加有利于钢液中夹杂物的上浮，进一步减小钢中出现夹杂物的几率。图5为中间包夹杂物去除率的的折线图，从中可以直观的分析出中间包去除夹杂物能力的优劣。

表2 中间包夹杂物去除率

注：H-1为优化前中间包水力学实验结果；H-2为优化后中间包水力学实验结果；M-1为优化前中间包数值模拟实验结果；M-2为优化后中间包数值模拟实验结果。

图5 中间包夹杂物去除率水力学实验和数值模拟实验结果Fig.5 Experimental and numerical simulation results of inclusion removal rate in tundish

4 结论

(1)通过中国重型机械研究院建立的中间包综合试验平台，对优化前和优化后的中间包分别进行夹杂物去除实验，发现添加多孔挡墙后，中间包的夹杂物去除能力得到提升，优化前中间包去除率为61.51%，优化后的中间包夹杂物去除率为82.45%。

(2)通过ANSYS软件对中间包进行夹杂物去除率数值模拟实验，优化后的中间包夹杂物去除率为83.0%，优化前中间包去除率73.3%，夹杂物较之前提高10%左右。

(3)实验结果表明夹杂物数值模拟实验结果与水力学实验结果均表明多孔挡墙的添加有效地提升了中间包夹杂物去除能力，两者相互验证，从而有力说明实验结果的可靠性。

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Study on inclusions removal of six-strand tundish by methods of physical and mathematical simulation

HE Bo1, LI Qin-yong1,XU Xue-hua1, WANG Bao-feng2, HUANG Jun2, ZHANG Ya-kun2

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China；2. Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China)

Taking tundish of six-strand symmetric billet casting as the research object in a steel plant, the effect of porous retaining wall on the inclusion removal rate in tundish was studied by hydraulic test and numerical simulation. And the optimal tundish structure was obtained at last. The experimental results showed that the inclusions removal rate of prototype tundish is low, and the hydraulic experimental result was 61.51%, and numerical simulation result was 73.3%, when tundish weren’t fitted with porous retaining wall installations. The inclusion removal rate of the tundish was improved obviously by used with 30- degree porous retaining walls. The hydraulic experimental result was 82.45% and numerical simulation result was 83%. Respectively, the addition of porous retaining wall was helpful for inclusions removing in tundish.

tundish; hydraulic experiments; numerical simulation; retaining wall; inclusion

2016-04-18；

2016-06-03

何博(1978-)，男，中国重型机械研究院股份公司高级工程师。

TF777

A

1001-196X(2016)04-0030-05