板坯结晶器内流场的物理模拟及分析.pdf

第 31卷第 4期2010年 10月钢?铁?钒?钛I RON STEEL VANAD I UM TITAN I UMVo.l 31,No.4O ctober2010板坯结晶器内流场的物理模拟及分析党爱国1,2,任子平1,陈远清2,彭世恒2,刘?坤1(1?辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114044;2?钢铁研究总院中达连铸技术国家工程研究中心,北京 100081)摘?要:以涟钢板坯结晶器为原型,进行水力学模型试验,通过调节拉速、水口浸入深度,研究了结晶器的流场形态、液面波动情况和流场冲击深度。试验选出适合涟钢板坯连铸机每个断面的最佳工艺参数,为进一步提高产品质量、优化结晶器流场以及降低成本提供了依据。关键词:板坯连铸;结晶器;流场;液面波动;物理模拟中图分类号:TF777?文献标识码:A?文章编号:1004-7638(2010)04-0080-06Physical Simulation and Analysis of Flow Field of the SlabM oldDang Aiguo1,2,Ren Z iping1,Chen Yuanqing2,Peng Shiheng2,L iu Kun1(1.School ofM aterial andM etallurgy,University ofScience andTechnology L iaoning,Anshan 114044,L iaoning,China;2.NationalEngineering Research Center of Continuous Casting Technology,Central Iron and SteelReaserch Institute,Beijing 100081,China)Abstract:W ith the slab mould of Lianyuan Iron and Steel Copany(LISC)as a prototype,the hydraulicmodel experi m ent is carried ou.t Through adjusting the casting speed and nozzle i mmersion depth,theflow for m,L iquid surface wave and flow field i mpact depth are studied.the best parametersof slab casterfor each section through this test are deter m inated,which provide a basis for further i mproving the prod-uct quality,the opti m ization of mould flow field and reducing cos.tKey words:slab continuous casting;mould;flow field;liquid surface fluctuations;physical si mulation0?引言?结晶器是连铸过程的主体设备之一,在连铸过程中起着重要作用。作为控制钢水洁净度的最后环节,结晶器内的钢液流动行为不仅对夹杂物的分离去除、保护渣的卷入影响很大;而且对初生凝固坯壳的均匀形成,防止注流冲刷局部凝固壳而造成拉漏或产生铸坯表面裂纹有重要影响。笔者针对涟钢210转炉炼钢厂板坯连铸机,采用物理模拟方法研究了现行工艺和设备条件下结晶器内的传输行为,对结晶器内的流动状态(包括速度场、液面波动、冲击深度等)、温度场进行综合分析。通过物理模拟研究得出水口插入深度、拉速、结晶器宽度以及通气量对结晶器液面波动和流场冲击深度的影响,以达到结晶器流场优化的目的。1?研究方法1.1?试验装置及方法结晶器的水模试验装置如图 1所示,主要由水路系统和数据采集系统组成。?收稿日期:2010-08-02基金项目:十一五国家重点科技支撑计划项目(2006BAE03A04-2-4)。作者简介:党爱国(1984-),男,甘肃民乐人,在读硕士研究生,主要从事连铸质量预报模型研究。图 1?结晶器模拟试验装置F ig.1?Chart ofmold si mulation experi ment device?试验采用?中间包-浸入式水口-结晶器-水泵-流量计-中间包?的闭环水路系统,流量计和塞棒用来调节拉速和控制液面。数据采集采用中国水利科学院研制的 DJ800型水工采集处理系统,试验所采用的工艺参数如表 1所示。表 1?试验选用的工艺参数Table 1?Process param eters in the experim ent拉速/(m?m in-1)水口浸入深度/mm结晶器宽度/mm0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3110、130、1501 250、1 550、1 8501.2?物理模型的建立及方法钢液在结晶器内运动时受到了惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用。包含这些力的相似准数有:雷诺准数(Re)、弗鲁德准数(Fr)和韦伯准数(We)。对连铸结晶器来说,在注流的动量和重力作用下,在结晶器内大部分区域处于湍流状态,粘性力的影响可以忽略,所以流体主要是惯性力和重力的作用,须满足 Fr准数相等。即:(Fr)m=(Fr)P(m-原型,p-模型,以下相同)则:?(u2gl)m=(u2gl)p(1)试验用水作模化介质,根据实验室条件,建立1?2的缩小物理模型,模型用有机玻璃制成,结构如图 1所示,考虑到水箱出水口对结晶器出口流体的影响,结晶器模型在满足相似比的基础上延长了一倍多。根据式(1)和长度相似比?1=lmlp=0.5,可以推导出速度相似比、时间相似比和流量相似比如式(2)式(4)所示。速度相似比:?u=umup=?1=0.707 1(2)时间相似比:?1=?l?u=?l?l=?l=0.707 1(3)流量相似比:?Q=QmQp=um?Amup?Ap=?u?2l=?2.5l=0.177(4)通过相似原理可以按现场的情况得出原型与模型介质的主要参数对照,如表 2所示。表 2?原型与模型介质的主要参数Table 2?Themain parameters of prototype andmodelmediu m方案编号断面(mm?mm)拉速/(m.m in-1)流量/(m3?h-1)厚型模型123230?1 250230?1 250230?1 2500.91?11?316.920?624?33.03?64?3456230?1 550230?1 550230?1 5500.91?11?320.925?530?23.74?55?3789230?1 850230?1 850230?1 8500.81?01?222.227?733?33.94?95?9注:浸入深度(mm)选择 110(55)、130(65)、150(75)三组参数,括号外为原型参数,括号内为模型参数;同理,吹氩量(L/m in)选择 5(1?5)、10(3?0)、15(4?5)、20(6?0)四组参数。2?试验内容2.1?液面波动的测量液面波动是衡量结晶器内流场合理性的重要因素,液面波动过大会造成保护渣的卷入和二次氧化,液面过于平静会造成保护渣熔化不良,严重时还会造成液面结壳。采用中国水利水电科学院开发的 DJ800型多功能监测系统来采集和分析结晶器液面波动曲线,进而可以得到液面波动参数 1。试验中通过观察结晶器液面的波动特征,选取了三个具有代表性的波高测点,如图 2所示,其中1#测点在结晶器窄边附近,距离窄边约 50mm;2#测点在大约宽面 1/4处;3#测点在水口附近,距离水口外壁约 50mm。测量时间为 30 s,取测量时间内的平均波高作为最终波高值。为减少误差,每一工况条件下的试验重复三次,取平均值 2。某试验条件下结晶器内液面波动的采集曲线如图 3所示。?81?第 4期?党爱国等:板坯结晶器内流场的物理模拟及分析?2.2?流场显示及冲击深度的测量为了了解钢水在结晶器内的流动轨迹,在模型试验中在水口中部加入染色剂使流体着色,用摄像机记录下染色剂在结晶器模型内的扩散情况即可以近似再现钢水在结晶器内的流动轨迹,这就是所谓的流场显示,试验中用墨水作染色剂 3。图 4为某工况某时刻结晶器模型的流场形态。钢液从水口进入结晶器时,具有一定的速度,从而在结晶器内具有一定的冲击深度,冲击深度的大小影响结晶器热中心位置,也影响夹杂物的上浮。试验中采用在水口上方加墨水的方式测量结晶器内流股的冲击深度。以墨水出现回流点为冲击最低点,冲击深度为液面到冲击最低点的距离。图 4?某工况某时刻结晶器模型的流场形态F ig.4?Photo of flow field of themold at onemoment in the experi ment3?试验结果及分析3.1?液面波动的测量结果及分析3.1.1?拉速对液位波动的影响不同拉速下结晶器的液面波动情况的变化规律如图 5所示(结晶器断面 1 250 mm?230 mm;插入深度为?130 mm)。图 5?拉速对液位波动的影响Fig.5?The influence of casting speedon liquid surface wave?由图 5可以看出,不同位置处液面波动是不一样的,通常情况下窄边附近的 1#测点的波高要比其他测点的波高大。现用水口试验条件下,结晶器内液面波高都较小,绝大多数情况下的波高都在 0.1mm以下,液面十分平静,即使在拉速较高(窄断面1.3 m/m in,宽断面 1.2 m/m in)时结晶器液面波动仍然较小,平均波高都在 1.0 mm 以下。根据相似比可知原型中的平均波高都在 2 mm 以下。在拉速较低(断面 230 mm?1 250 mm 和 230 mm?1 550mm时,大于1.1m/m in;断面 230mm?1 850mm 时,小于1.0m/m in)时,液面波动都很小,尤其是水口附近,液面过于平静,不利于保护渣的熔化和均匀流入。3.1.2?浸入式水口插入深度对液位波动的影响不同的水口插入深度下,结晶器的液面波动的变化规律如图 6所示(结晶器断面 1 250mm?230mm,拉速为 1.1m/m in)。由图 6可以看出,随着浸入式水口插入深度的增加,液面波动有明显减弱。这是因为冲击深度增加,即射流在结晶器窄面的撞击点明显降低,上升回流股沿结晶器窄面上升到结晶器液面的距离变大,从而上部回流的阻力增大,使得回流股动能损失较大,这样对液面冲击的流股的速度和冲力就会减弱。?82?钢 铁 钒 钛?2010年第 31卷?图 6?水口插入深度对液位波动的影响F ig.6?The influence of nozzle i mm ersiondepth on liquid surface wave3.1.3?水口通气量对液位波动的影响不同的测点,结晶器的液面波动的变化规律如图 7所示(结晶器断面 1 250 mm?230 mm,拉速1.1 m/m in,水口插入深度 130 mm)。由图 7可以看出,不同吹气量对不同位置处液面波动的影响。随着吹气量的增加,整个液面的波动都会加强,在合适的气量下,产生的气泡可以起到搅拌钢液、均匀成分及温度、促进夹杂物上浮和防止水口堵塞的作用。但气量过大时,将产生不利影响。图 7?吹气量对液面波动的影响Fig.7?The influence of blow ing gas fluxon liquid surfacewave3.1.4?结晶器宽度对液位波动的影响不同断面下,为使数据有可比性,各结晶器宽度下的波高测点位置应相同,所以采用 1#测点的数据。比较 1#测点在各个断面处的波高可以看出结晶器的液面波动的变化规律,如图 8所示(浸入式水口插入深度 130 mm,拉速 1.1m/m in)。图 8?结晶器宽度对液位波动的影响Fig.8?The influence ofmoldwidth on liquid surfacewave?由图 7可以得到:在水口插入深度和拉速相同的情况下,断面越宽,结晶器内液面波动越大。在相同工况下,1 850 mm 宽度结晶器的液面波动为最大,1 550 mm次之,1 250 mm最小。这是因为:当拉速相同时,大宽度结晶器水口流量大,导致了射流股速度较大,其对结晶器内流体扰动剧烈,射流撞击到结晶器窄面后,向上回流的速度也较大,增大了上部回流对液面的冲击,从而使结晶器液面波动和表面流速加大。且结晶器宽度增加,使得流场的不对称因素更加突出,增加了产生漩涡的可能性,这样就增大了水口附近液面波动。而对于结晶器弯月面处,则是由于结晶器宽度增加,使产生驻波的可能性以及驻波的波幅增大,于是增大了结晶器弯月面处的液面波动和表面流速。通过以上分析可以得出:随着结晶器宽度的增加,液面波动和表面流速明显增强。因此在工业生产中,当换大断面的结晶器时就应该考虑到它对流场带来的影响。这时就应该改变其他工艺参数来设法减小液面波动和表面流速,以获得较好的流场,为生产高质量的铸坯提供良好的保证 4。3.2?流场冲击深度的测量结果及分析对 3个断面(每个断面 3种拉速)条件共 9种工况下的结晶器进行了流场显示试验,并记录了冲击深度。断面 230 mm?1 250 mm 的结晶器模型在不同拉速条件下、不同时刻试验染色剂扩散过程如图9所示。通过对三个断面不同拉速条件下的示踪剂试验可以得出表 3所示的结果,通过此结果可以观察流场的运动情况和冲击深度。?83?第 4期?党爱国等:板坯结晶器内流场的物理模拟及分析?图 9?不同时刻的染色剂扩散结果(断面:230 mm?1 250 mm)F ig.9?The ink spread result in different ti me表 3?不同断面时的流股冲击深度Table 3?The impact depth of various conditions230 mm?1 250 mm拉速/(m?min-1)冲击深度/mm230mm?1 150mm拉速/(m?m in-1)冲击深度/mm230 mm?1 850 mm拉速/(m?m in-1)冲击深度/mm0.91850.91900.81901?12101.12151.02251.32451.32501.2260?由表 3可以看出,230 mm?1 250 mm、230 mm?1 150mm、230mm?1 850 mm 各断面条件下,随着拉速增加,冲击深度呈增加趋势,但都不超过 260mm。从水口流出的流股冲击窄边后分成上下两个部分,上部分流股沿窄边冲击液面后向水口流动形成上部回旋区,下部分流股沿窄面向下运动一段距离后向宽面中心流动形成下回旋区。流股从水口流出时,水口侧孔的充满度较好,流股张角较大,分布较分散,冲击到窄边较大面积上,这样流股对窄边的冲击压力较小。各试验条件下流场形态相差不大,只是在拉速增大时,流股速度加快,冲击深度变大,扩散加快。4?结论?1)随着拉速的增大结晶器的液位波动越来越大,流场冲击深度也越来越深。2)水口插入深度越深结晶器液位波动越小。3)拉速和插入深度相同情况下,结晶器宽度越宽液位波动越大,在宽度较小断面的情况下液位波动相对偏小。4)实际生产中要综合考虑这些因素,选出最合理的工艺参数,使其液面波动、流场形态、流场冲击深度在一个合理的范围,以保证正常的生产和较高的连铸坯质量。?84?钢 铁 钒 钛?2010年第 31卷?参考文献 1?Liu Heping,W ang Zhongying.M athe maticaland hydro mechancalmodelling of featurrs of the surface disturbance in a slab castingmold J.Iron&SteelResearch,2002,25(2):17-52.(刘和平,王忠英.板坯结晶器液面波动的数学物理模拟及其特点 J.钢铁研究,2002.25(2):17-52.)2?W ang Yongsheng,Hou Zewang,W ang X inhua,et al.W ater model of the surface wave and fluid flow in slab continuous casingmold J.Iron SteelVanadium T 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