板坯连铸中间包流动控制及冶金效果研究

赫忠华

摘要：通过物理模拟实验的方式，对板坯连铸不同结构中间包的流动特性进行研究，同时进行了优化，在完成优化后，最小停留和浓度峰值两者的时间分别提升120%和97%，而死区体积的积分率降低幅度为72%。由此可以看出，对于改善单流中间包的流体流动特性来说，可以通过开发异形边结构的湍流控制器可以形成良好的改善作用，而通过实际应用可以发现优化后的中间包结构中，铸坯夹杂物面积缩小32%。

关键词：板坯连铸；中间包流动控制；冶金效果

连铸中间包不仅是在结晶器、钢包之间的过度容器，而且已经成为一种净化冶金容器，其可以有效取出钢液非金属的夹杂，而在其中安装控流装置，可以改善中间包中钢液流场、切实保证非金属夹杂物可以上浮，从而就可以将卷气、卷渣有效减少，最终将流动状态改变，将包衬的冲刷减少，同时可以有效防止喷溅问题发生。

1、实验方法

首先需要将中间包缩小，缩小的比例为1：2，同时需要保证模型、原型两者之间形成几何相似。其中模型的中间包，需要采用水为模拟钢液的介质，中间包则采用有机玻璃制作，在实验的过程中，需要切实保证弗鲁德准数相等。具体的中间包原结构如图1所示，在中间包中，导流孔有3个，而导流隔墙则作为主要的控流装置。根据图1示例图可以发现，原来的中间包在包底左侧部分呈现较高的情况，而中间包的有效溶剂减少，在中间包中，钢液停留的时间也减少。

因此，在进行实验的过程中，如若要达到优化的效果，需要进行包底降低的模拟实验。在新的包底采用湍流控制器，同时需要采用堰坝，还要结合控流装置，对中间包的流动进行有效优化。在实验的过程中，主要采取的是刺激——相应的方式，从而在中间包中，就可以获得示踪剂停留时间的曲线图，该曲线图也成为RTD曲线。在实验中，示踪剂主要采用的是NaCl饱和溶液。

图1 原中间包结构与原导流隔墙结构示意图

在本次研究中，主要根据死区体积计算法得到死区体积分率。

〔1-〕×100%                  （1）

其中Vd为死区体积分率，而用Vp和Vm分别代表活塞流和全混流体积分率，具体计算式子如（2）（3）所示。

                     （2）

×100%                  （3）

在上式中θmin和θmax分别代表最小停留时间和无因次浓度峰值时间，另外θc则为无因次时间，如若θ=2的情况下，代表实际平均停留时间。

2、结果

在实验的过程中，针对原中间包结构进行测定，采用长水口浇注的RTD曲线，计算流体流动的特性，具体如表1所示。并且可以通过表1看出最小的停留时间tmin与浓度峰值时间tmax，两者都很短，前着为25s，后者为61s，死区体积分率中，Vd更大，另外通过录像可以发现，在原结构中间包中，可以发现更大的死区体积，以及短路流，如此就会影响非金属夹杂物的去除工作。而如若采用长水口浇注的过程中，流动特性没有得到有效改善，反而是减少最小停留时间，减小的幅度为7s，除此之外，其他不同的流动特性参数没有明显变化。

在原中间包结构添加湍流控制，继而就可以将流体流动特性测定出来，具体结果如表2所示，并且可以得到原中间包结构与结构1湍流控制其，敞流或长水口浇注，都无法改善流动特性，甚至会导致流动特性变差。

表1 原结构中间包流动特性
浇注形式	tmin/s	tmax/s	tav/s	Vp/%	Vd/%	Vm/%
敞流浇注	25	61	157	21.59	24.64	53.77
长水口浇注	18	60	159	19.58	25.02	55.4

表2 原中间包结构添加结构1
浇注形式	湍流器	tmin/s	tmax/s	tav/s	Vp/%	Vd/%	Vm/%
敞流浇注	结构1	18	62	153	20.08	29.37	50.55
长水口浇注	结构1	22	43	152	16.32	28.67	55.01

在降低中间包的包底以后，其中即便不采用湍流控制器，只是将堰、坝两者在位置、尺寸方面进行优化，继而作为中间包的控流装置，较比于原中间包结构来说有效改善了流动的特性，整体性增加了浓度峰值、最小停留、平均停留的时间，降低了死区体积分率。

如若是堰坝位置相同的情况下，异形边结构湍流控制器的不同流动参数较比结构1和2的湍流控制器来说都更优，其中大幅度降低了死区体积分率，由此可以说明，结构3的控制器具有更好的控流效果。而采用结构3，可以将堰坝位置进行有效优化，继而就可以形成最佳的中间包结构，同时可以延长中间包的结构停留、峰值停留、平均停留的时间，分别延长120%、97%、26%，同时降低了死区体积分率72%，并且在具体实验的过程中可以看到，采用结构3湍流控制器的情况下，会形成更为平稳的液面。

而通过观察着色示踪剂的流动状况来说，可以发现其冲击区较小，在导流隔墙左边，示踪剂迅速充满冲击区，同时很快从冲击区并经过导流孔最后流出，如此就可以说明，在这个区域中，具有很大的湍动能。虽然通过导流孔的有效应用，可以促使示踪剂向前流动，但短时间内就会向下流动，如此整体的路径较短，最小停留时间也必然很短，但同时死区体积分率就更大，这种情况下，夹杂物上浮必然会有不良的影响。

如若中间包结构最佳的情况下，从异形边湍流控制器所产生的流体，其中有绝大多数都是朝着上游进行流动，从而就可以将流动的整体路径加长，但同时会减少流体流动的速度，并且在中间包之中，就增加了流体的停留时间，与此同时，在最佳位置安装堰坝的情况下，流体从冲击区流出，再达到渣堰之后，首先会沿着堰向下进行流动，在此之后，就会遇到坝，从而向液面进行流动，在此之后，沿着液面就会朝着中间包的下游流动，在流动的过程中，就会撞到包壁，之后沿着包壁就会向下流动，如此在堰坝与中间包两者之间，就会有回流产生，继而就可以明显将死区体积降低。因为流动的曲线迂回曲折，就会提升停留时间，从而将中间包流畅进行改善，为夹杂物上浮去除工作提供便利和保障。

3、现场应用

在现场应用的过程中，采用长水口浇注，对铸坯进行取样并制作成金相样，在此之后，用金相显微镜观察优化前后夹杂物的数量变化情况，再通过金相分析软件和显微镜，在100倍的情况下，选取50个有效现场，观察面积72mm²，同时需要对夹杂物面积百分比进行检测。通过检测得到的结果可以发现，采用原中间包结构浇注的过程中，铸坯夹杂物面积和平均夹夹杂物面积分别为0.175%~0.275%和0.234%；而经过优化之后，夹杂物面积变为0.123~0.196%之间，平均夹杂物面积下降为0.159%。

4、结论

在原结构中间包流体流动的最小、峰值停留时间较短，同时活塞流动体积分率较小，同时死区体积分率较大，流动特性不佳。而经过优化后，最小停留时间和峰值时间分别为55s和120s，活塞刘体积分率为43.93%。由此可以说明优化中间包的流体流动更为合理，经过优化后，夹杂物面积比下降了32%。

参考文献：

[1] 钟良才, 王胡强, 丁宁,等. 单流板坯连铸中间包流体流动控制与效果[J]. 炼钢, 2007, 23(4):3.

[2] 吴巍, 蔡开科. 板坯中间包流动控制及冶金效果研究[C]// 中国金属学会第十届炼钢年会. 1998.

[3] 郑淑国, 朱苗勇. 薄板坯连铸中间包内抑湍器的模拟研究[J]. 钢铁研究学报, 2004, 16(4):4.