中间包隧道式过滤器的物理模拟

刘天骥，彭世恒，仇圣桃，施　哲（.昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明650000；.钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京0008）

中间包隧道式过滤器的物理模拟

刘天骥1，2，彭世恒2，仇圣桃2，施哲1
（1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明650000；2.钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京100081）

在1∶2的中间包水模型上，采用物理模拟的方法对中间包安装隧道式过滤器前后的流场进行研究，分析过滤器出口角度、挡坝高度等因素对流场的影响。结果表明：中间包隧道式过滤器不仅能过滤钢液，还能与其他控流装置组合使用，优化中间包流场，为进一步降低钢中夹杂物提供了一种选择；方案为过滤器出口角度20°，挡坝高度350 mm，能够很好地优化中间包流场，有效降低死区体积分率，增加活塞区体积分率，延长钢液的平均停留时间，使夹杂物上浮去除条件得到进一步改善。

中间包；过滤器；流场；物理模拟；优化

连铸过程中钢液夹杂物的去除主要在中间包内完成，为在中间包中进一步去除夹杂物，防止钢液的二次氧化，需提高钢液的洁净度。国内外钢铁工作者对此进行了大量研究，开发了多项中间包冶金技术，如使用大容量中间包［1-2］、挡渣墙［3］、挡渣坝［4］、中间包吹氩技术［5］、高碱低硅覆盖剂［6］及离心中间包夹杂物聚集与去除技术［7］等。

在中间包内安装过滤器可以大幅去除钢中的夹杂物，有效减少浸入式水口堵塞的发生。但是，中间包安装过滤器后，流场会发生改变。如何在保持良好过滤效果的同时，使中间包内的钢液流场更加合理，且使钢液中没有被过滤器吸附的夹杂物更易通过上浮的方式去除，是生产实践中需解决的一个问题。冯捷等［8］采用下挡墙开孔结合湍流控制器的组合控流装置优化中间包流场；金友林等［9］在单流中间包采用气幕挡墙代替坝的技术工艺；乐可襄等［10］通过减小堰离底部距离及堰与注入点间的距离，来优化中间包结构；常正昇等［11］在湍流抑制器中加过滤体来优化中间包钢液流场，提高夹杂物去除率。

笔者采用在板坯中间包内安装隧道式过滤器的方法，对中间包安装隧道式过滤器前后的流场进行物理模拟，并对过滤器的出口角度与挡墙高度进行组合优化实验，以期找到最优的方案使中间包内的钢液流场更加合理，使钢液中没有被过滤器吸附的夹杂物更易通过上浮的方式去除。

1　实验装置与方法

根据相似原理［12］，设计、制作1∶2中间包模型，采用刺激-响应技术、流动显示技术［13］和RTD（Real Time Differential）曲线［14］进行实验和数据分析。

1.1实验装置

以国内某钢厂单流板坯中间包为研究对象，建立中间包物理模型，实验装置如图1。实验装置系统除中间包模型之外，还包括示踪剂加入装置、电导率测量仪、计算机数据采集系统等。其中，大包长水口、中间包、挡墙与挡坝及过滤器都采用有机玻璃制成，便于对中间包内流体的流动状态进行观察记录。

用于某钢厂的隧道式钢液过滤器如图2（a），过滤器钢液出口角度为水平方向。为优化中间包流场，本实验研究过滤器出口角度对流场的影响（上扬角度分别10°与20°，其结构如图2（b），（c）。

1.2实验方案

1）原中间包（安装上挡墙和下挡墙）内钢液在拉速分别为0.5，0.6，0.7 m/min时流动行为的物理模拟；

2）安装水平出口隧道式钢液过滤器中间包（在某厂连铸生产中使用的方案A0T150）内钢液在拉速分别为0.5，0.6，0.7 m/min时流动行为的物理模拟；

3）不同过滤器出口角度与挡坝高度的组合控流方案（表1）的物理模拟，重点对实验得到的RTD曲线进行分析处理，并从实验结果中找到最佳的优化方案。

1.3实验方法

1）根据实验方案的要求，在中间包模型中安装相应的隧道式过滤器和挡坝；

据中商情报网监测数据显示，2012年全国蚕丝的产量达12万吨，同比增长10%，蚕丝市场规模不断扩大.在通过分工合作降低丝蚕生产成本及扩大丝蚕生产的基础上可以重建缫丝厂，加工蚕丝直接推向工业原料市场.

2）向中间包内加水之前，确认出水口为关闭状态，待中间包内液体高度要达到工作液位时，调节长水口与出水口的流量，使二者达到平衡状态；

3）当中间包内的流动状态稳定之后，从大包长水口入口处瞬时加入一定量的染色剂，同时用摄像机对中间包内的流场变化进行记录；

图1　实验装置示意图Fig.1 Schematic of experimental device

图2　隧道式过滤器的结构Fig.2 Structure of tunnel type filter

表1　各组合控流方案的主要参数Tab.1 Main parameters of each optimization plan

4）当中间包内的流动状态稳定之后，从大包长水口入口处瞬时加入一定量的饱和食盐水，同时用数据采集系统对实验数据进行记录和处理；

5）中间包内残留的液体会对下次实验造成一定程度的干扰，所以在1次实验完成之后，需将中间包模型中残留的液体冲洗排出。

2　实验结果与分析

2.1原中间包实验结果分析

原中间包结构条件下原中间包钢液流动过程如图3。从图3可以看出，钢液经过上挡墙下方通道之后，在下挡墙的作用下以一定角度斜向上运动，钢液流股在中间包熔池上部散开，一部分流向挡墙后方，一部分沿熔池液面和浇注区一端的壁面流动，在上挡墙和下挡墙的后方都存在一定比例的死区。

图3　3种不同拉速条件下的原中间包流场Fig.3 Flow field in original tundish in three different casting speed

图4　原中间包RTD曲线Fig.4 Curves of original tundish RTD

不同拉速下原中间包RTD曲线如图4。由图4可看出：0.7 m/min拉速时示踪剂的开始响应时间为85 s，死区体积分率为21.8%，钢液的平均停留时间为532 s；但拉速0.5 m/min时，原中间包出现一定程度的短路流，死区体积分率为23.9%，说明随着拉速的降低，原中间包内死区体积分率呈增大的趋势，钢水平均停留时间和响应时间都有待进一步改善。

方案A0T150中不同拉速条件下的流场如图5。由图5可知，原中间包在添加水平出口过滤器后，获得了较好的钢液过滤效果，但是中间包钢液流场中存在一定程度的短路流。表明在其他控流条件不变的情况下，当中间包内安装水平出口的过滤器时，钢液的流动方式不利于钢液中残余夹杂物的上浮去除，中间包流场还需改善。

图5　3种不同拉速条件下的中间包流场（方案A0T150）Fig.5 Flow field in tundish in three different casting speed（planA0T150）

图6　方案A0T150中间包RTD曲线Fig.6 Tundish RTD curves of planA0T150

不同拉速下，方案A0T150中间包RTD曲线如图6。从图6可看出：方案A0T150存在一定程度短路流，在低拉速时，中间包内存在一定比例死区；方案A0T150中间包的示踪剂开始响应时间很短，拉速0.7 m/min时只有45 s，与添加过滤器之前的中间包结构相比，平均停留时间由532 s变成了527 s，死区体积分率由21.8%变成了22.5%，变化不大。

2.3组合控流方案的RTD曲线分析

结合原中间包和方案A0T150中间包的模拟实验，对不同过滤器出口角度与挡墙高度的组合控流方案的RTD曲线进行分析。实验得到的组合方案RTD曲线数据如表2。

根据表2可知：与原中间包实验数据相比，方案A0T150示踪剂开始响应时间大幅度降低，说明出现了一定程度的短路流，死区体积分率变化不大，活塞流和全混流所占比例升高，钢液平均停留时间较长，说明中间包整体流场近似合理；方案A10T300示踪剂开始响应时间与钢液平均停留时间明显增加，说明适当增大过滤器出口角度和增加挡坝高度能够优化中间包流场；方案A10T350比方案A10T300的流场优化效果有所增强，说明在过滤器出口角度不变时，适当增加高挡坝高度，对中间包流场有一定的优化作用；与方案A10T300的实验数据相比，方案A20T300示踪剂开始响应时间增加，死区体积分率降低，说明在挡坝达到一定高度后，适当增大过滤器出口的角度，对中间包流场也具有一定的优化作用；方案A20T350的钢液平均停留时间在3种拉速条件下均达到最大值，死区体积分率进一步降低，示踪剂开始响应时间和示踪剂浓度达到峰值的时间均有不同程度增加；与方案A20T350相比，方案A20T400流场优化效果有所下降，说明在其他条件不变的情况下，挡坝高度并非越高越好，挡坝达到一定高度后，继续增加挡坝高度会增加死区体积分率，并对中间包内钢液平均停留时间等产生不利影响。

上述分析表明，在其他控流条件不变的情况下，方案A20T350，即过滤器出口角度为20°，挡坝高度为350 mm为最优的中间包流场组合控流方案。

表2　中间包组合控流方案的RTD曲线数据Tab.2 RTD data of the flow field in tundish optimization plan

3　结　论

采用物理模拟的方法，对中间包内安装隧道式过滤器后中间包流场进行研究，得到以下结论。

1）方案A20T350（过滤器出口角度为20°，挡坝高度为350 mm）的组合控流装置对中间包流场起到较好的优化作用，死区体积分率由原中间包的23.9%和方案A0T150（过滤器出口角度为0滤，挡坝高度为150 mm）的23.5%下降到17.8%；活塞区体积分率由原中间包的24.5%和方案A0T150的18.7%上升到30.2%；对应中间包原型的平均停留时间由原中间包的710 s和方案A0T150的714 s增加到优化后的767 s，使夹杂物上浮去除条件得到进一步改善。

2）隧道式过滤器不仅可以起到过滤钢液的作用，还能与其他控流装置组合使用，改善中间包内的钢液流场，为进一步降低钢中夹杂物含量提供了一种方法。

［1］HUGHES K P，SCHADE C T，SHEPHERD M A，et al.Improvement in the internal quality of continuously cast slabs at lukens steel［J］.Iron&Steelmaker，1995，22（6）：35-41.

［2］张晓兵，张昧茗，陆斌，等.一种提高钢液纯净度的中间包冶金方法：CN1978093［P］.2007-06-13.

［3］黄诚.提高钢液洁净度的连铸中间包：CN102728827A［P］.2012-10-17.

［4］李泽林，于守巍，齐志宇，等.一种中间包钢水净化装置：CN202667580U［P］.2013-01-16.

［5］黄奥，顾华志，张美杰.一种连铸中间包多重气泡幕洁净钢液的方法：CN102642004A［P］.2012-08-22.

［6］韩立海，郑淑国，朴峰云，等.通钢FTSC薄板坯连铸中间包控流装置的优化改进［J］.连铸，2012（2）：18-21.

［7］王立涛，李正邦，薛正良，等.连铸中间包内钢液流动特性及控流技术［J］.特殊钢，2004，25（2）：32-34.

［8］冯捷，唐德池，包燕平，等.控流装置对板坯中间包流场优化的影响［J］.特殊钢，2010，31（2）：17-20.

［9］金友林，包燕平，李志斌，等.板坯连铸单流中间包控流装置优化模拟研究［J］.炼钢，2009，25（2）：48-51.

［10］乐可襄，于国庆.板坯中间包控流装置结构优化的水模研究［J］.安徽工业大学学报（自然科学版），2012，29（2）：102-106.

［11］常正昇，金焱，程常桂，等.连铸中间包带过滤体湍流抑制装置的水模研究［J］.连铸，2015，40（3）：14-17.

［12］THOMAS B G，ZHANG L.Mathematical modeling of fluid flow in continuous casting［J］.ISIJ International，2001，41（10）：1181-1193.

［13］廖相巍，李德刚，曹东，等.一种降低钢水全氧含量的洁净钢生产方法：CN101880747A［P］.2010-11-10.

［14］LEI H，GENG D Q，HE J C.A continuum model of solidification and inclusion collision-growth in the slab continuous casting caster［J］.ISIJ International，2009，49（10）：1575-1582.

责任编辑：何莉

Physical Simulation of Tunnel Type Filter in Tundish

LIU Tianji1，2，PENG Shiheng2，QIU Shengtao2，SHI Zhe1
（1.Faculty of Metallurgy and Energy Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，China；2.National Engineering Research Center for Continuous Casting Technology，Center Iron&Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

The study was based on the 1∶2 water model of tundish.The flow field in tundish before and after the installation of tunnel type filter were studied through physical simulation.The influence of flow field with different exit angle of filter and the height of the retaining dam were analyzed.The results show that the tunnel type filter in tundish can not only filter the molten steel，but also optimize the flow field in tundish with other flow modifiers. All these give a new choice on how to reduce inclusions.The plan set the exit angle of filter is 20°，and the height of the retaining dam is 350 mm.It can optimize the flow field in tundish，reduce the dead zone volume fraction effectively，increase the volume fraction of plug-like and prolong the average residence time of molten steel.It makes the conditions of inclusion floatation removal better.

tundish；filter；flow field；physical simulation；optimization

TF777

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.002

1671-7872（2016）02-0100-05

2016-03-22

大板坯高速连铸技术项目（2006BAE03A04）

刘天骥（1990-）男，河北唐山人，硕士生，主要研究方向为钢中非金属夹杂物。

施哲（1957-）男，福建晋江人，教授，博士生导师，主要研究方向为钢铁冶金和冶金过程控制。