上挡墙位置变化对单流中间包流场特征的影响

谢荣辉　路焱　徐龙　夏智川　冀增　辛晓飞

摘 要：应用水力模拟试验，对某钢厂板坯单流连铸中间包流场特征开展研究。采用“刺激-响应”技术，通过调整上挡墙控流装置在中间包内的不同位置，以研究中间包内流场特征的变化。研究结果显示，设置上挡墙的中间包流场特征趋于合理化，以全混流区为主，存在部分活塞流区和少量的死区。相比未设置上挡墙的中间包流场，其平均停留时间延长、活塞流区比例增加、死区比例降低。其中，上挡墙距中间包入水口间距离为160 mm时，钢液平均停留时间最长为336 s、活塞流比例最大为5.15%、死区比例最小为25.7%。

关键词：单流中间包 上挡墙 流场特征 水力模拟

中图分类号：TF77 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0071-03

中间包是连铸生产前重要的过渡性冶金反应器，其主要作用是降低钢液被再次污染的可能性、改善钢液流动条件、提高去除非金属夹杂物的能力、促进夹杂物尽快上浮至钢液表面[1，2]。传统中间包内常设置挡坝进行控流，但是对于单流中间包，挡坝会使中间包内存钢量较高，另外还会导致包内流场短路流的比例升高，进而缩短了钢液的平均停留时间，不利于非金属夹杂物的上浮和去除[3，4]。

基于此，该研究设计下挡坝+上挡墙的组合方式，改变上挡墙控流装置在中间包内的不同位置，应用水力模拟试验，对国内某钢厂板坯单流连铸中间包的流场特征变化进行研究，选择最优的上挡墙位置参数和结构组合，为改善中间包内的流场特征奠定理论基础，为优化钢厂连铸中间包工艺提供技术支持。

1 实验内容及方法

1.1 实验基本原理

实现物理模拟试验，需同时满足实型和原型的几何相似及动力学相似两个基本条件[5]。根据钢厂生产用中间包，选取模型和实型的几何相似比为1∶4。满足动力学相似，需要使雷诺准数Re和弗劳德准数Fr同时相等，但是，根据流体力学可知，容器内流体流动的雷诺数大于第二临界值时，雷诺数受到流体的湍流程度及流动速度的分布影响很小，可忽略雷诺数对流动的影响。此时，只需要使模型和实型的弗劳德数Fr相等即可。

式中，m为模型，p为原型；g为重力加速度，取9.8 m/s2；L为特征长度；U为流体速度；Q为流体流量；t为停留时间；λ为相似比，值为0.25。

实验设定中间包内液面高度是250 mm，计算可得所用水的体积是：V=0.076 m3，流量取Q=0.6 m3/h，可计算出理论停留时间为：t=456 s，数据采集量取理论停留时间的1～2倍，故计算平均停留时间时选取时间为900 s。

1.2 实验设备及方法

实验所用设备包括钢包模型、中间包模型、上挡墙、下挡坝、三级变速水泵（RS15/6型）、涡轮流量计、电导率仪（MP513型）、计算机等，如图1所示。

实验所用的示踪剂为饱和KCl溶液，每组加入量为167 mL，采用脉冲方式从注钢口随流输入中间包。实验设计了5种上挡墙的位置，具体方案如表1所示。

2 实验结果与分析

2.1 上挡墙位置变化对平均停留时间的影响

不同上挡墙位置变化对中间包流场平均停留时间的影响如图2所示。

由图2可知，随着挡墙与中间包入水口间距离的增大，平均停留时间先减少后增加，在W4处平均停留时间达到最大值，为336.0 s。当上挡墙距注钢口距离超过160 mm后，平均停留时间减少，在W5处达到最小值，为307.0 s。中间包内钢水的平均停留时间越长越有利于均匀钢水的温度和成分，也有利于非金属夹杂物的去除。另外，中间包内流场的死区比例是由平均停留时间和理论停留时间所决定的。实验中的理论停留时间是确定值，死区比例则完全取决于平均停留时间。

另外，W0的平均停留时间大于W2和W5，达到326.0 s，但是依然小于W3和W4两种结构设置，说明无控流结构的中间包内流场状态较平稳，但并不能完全满足生产需要，应该采取设置挡墙结构的技术手段来达到缩小流场死区比例的目的，增加中间包的有效容积。

2.2 上挡墙位置变化对中间包内活塞流区和死区比例的影响

中间包内活塞流区和死区比例的计算结果如表2所示。

由表2可知，W0的活塞流区所占比例最小，为4.06%，W4的活塞流区比例最大，达到5.15%，与W0相比增加了29.3%。另外，上挡墙位置在W4处，其死区比例最小，达到25.7%，相比W0减少了10.1%。另外，即使设置了上挡墙结构，但是W1、W2、W4、W5的死区比例与W0相比并没有减少。其原因在于：上挡墙位置如果靠近注钢口，会对注流产生较强的阻碍作用，流体在挡墙和中间包内壁间形成回流，减小挡墙后方流体的流速，易在出钢口前方形成死区；上挡墙位置如果远离注钢口，则影響挡墙与中间包内壁间的流场分布，注流在中间包底部易形成死区。因此，无挡墙的中间包流场并不合理，应该选择W4所设置的挡墙位置。

2.3 上挡墙位置变化对RTD曲线的影响

不同上挡墙位置变化对中间包流场RTD曲线的影响如图3所示。

由图3可知，当上挡墙距注钢口为55 mm时，RTD曲线存在双峰，并且峰值较高、形状尖锐，曲线后方“尾巴”较长。经分析可知，该流场内流速分布不均匀，流体微元在中间包内平均停留时间较短，流场内存在一定的内循环；同时，包内流场在注钢口后方存在死区，造成中间包内活塞流的比例降低。上挡墙距注钢口为85 mm、160 mm、205 mm时，RTD曲线形状相似，反映了中间包内流场特征也相类似，即以全混流为主要特征，活塞流占一定的比例，依然存在少量的死区，该结果与2.2计算结果相吻合。

3 结论

（1）无挡墙控流时，中间包内钢液的平均停留时间、活塞流区比例较低，不利于钢液成分和温度的均匀化，也不利于夹杂物的上浮去除。

（2）上挡墙距中间包注钢口距离为160 mm时，该中间包内流场状态得以优化，其滞止时间为18.4 s，平均停留时间为336.0 s，活塞流比例为5.15%，死区比例为25.7%。其流场特征以全混流为主，活塞流占一定的比例，存在少量的死区。

参考文献

[1] 冯捷，崔衡，唐德池，等.板坯连铸IF钢中间包控流装置优化水模型研究[J].铸造技术，2010，31（2）：179-182.

[2] 李娇，李京社，杨树峰，等.两流板坯连铸中间包控流装置的优化[J].钢铁钒钛，2010，31（3）：44-49.

[3] Kumar A，Mazumdar D，Koria S C.Modeling of fluid flow and residence time distribution in a four-strand tundish for enhancing inclusion removal[J].ISIJ International，2008，48（1）：38.

[4] 赵丹婷，刘爱强，仇圣桃，等.不同流量下单流中间包水力学模拟试验[J].铸造技术，2016，37（8）：1693-1697.

[5] Sahai Y，Emi T.Melt flow characterization in continuous casting tundishes[J].ISIJ International，1996，36（6）： 667.

[6] 朱万彤，王军，沈明钢.鞍钢中薄板连铸中间包水模型实验[J].鞍钢技术，2002（2）：21-23，39.