【新刊速览】林小祥：五流中间包流场和温度场的模拟研究及优化

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五流中间包流场和温度场的模拟研究及优化

林小祥，宋瑛洁，王欣瑶，张峻纲，何飞，周俐

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032)

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摘 要

以某钢厂T型五流中间包为研究对象，建立1∶2物理模型和1∶1数学模型，采用物理数值模拟方法对其内部控流装置进行优化，对比分析了不同控流装置下中间包流场、温度场和停留时间分布(RTD曲线)等特征参数。结果表明，在优选的最佳控流装置方案下，中间包平均停留时间延长96 s，死区比例由原型中间包的24.9%降低至13.3%，各流水口均匀性和一致性也显著提高，尤其是远流低温区得到改善，各流出口最大温差控制在0.25 K，可有效提高实际中间包的冶金效果。

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关 键 词

中间包；流场；温度场；物理模拟；数值模拟

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引 言

中间包是连铸过程中的重要设备，随着连铸技术的发展，中间包由简单钢水容器逐步进化为具有精炼功能的反应容器。在T型多流中间包内，由于各流水口距离较远，流动差异性较大，容易形成短路流，致使钢液混匀效果较差，影响铸坯质量。随着对钢质量要求的不断提高，中间包冶金能对提升铸坯质量提供重要帮助，通过在中间包内部设置控流装置，起到延长钢液在中间包内的平均停留时间、改善中间包内钢液的流场、促进夹杂物的上浮等作用。李中华等通过数值模拟分析不同控流装置结构下中间包的流动特征数值，优化了中间包的内部控流装置，更有利于夹杂物的上浮去除。储成阳等通过水力学模拟研究湍流抑制器对中间包流场的影响，发现加入湍流抑制器后中间包流场得到明显改善，死区体积比例降低。陈宏亮等对钢液内夹杂物成分进行了取样分析，通过数值模拟分析了二次氧化后钢液中总氧、总氮以及夹杂物的变化。李键等采用气幕挡墙技术，通过数值模拟分析了气泡黏附与吹气量对去除夹杂物的影响。谭文萱等对七流T型中间包采用了正交试验，分析了各因素水平对流场的影响大小，提高了模拟的试验效率。HE F等通过数值模拟提出了一种死区体积计算方法，并以此评估不同工况条件下的中间包钢液流动特性。全齐等针对多流中间包无法精确判定死区比例的问题提出了一种中间包流体运动形态模型分析方法，确定了死区临界速度，通过数值模拟实现了四流T型中间包死区的定量化与可视化。本文以某厂五流T型中间包为研究对象，结合中间包在实际使用过程中存在的问题，采用物理模拟方法对现有中间包流场进行评价的基础上进行了深入优化试验，再结合数值模拟计算中间包内钢液三维流场和温度场，通过分析各流一致性、死区体积、温度不均匀性和低温区比例等特征参数，优选最佳控流装置，提高实际中间包冶金效果。
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精 选 图 表

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结  论

1)原型中间包的2流水口存在明显尖峰，峰值时间过早、过短，容易形成短路流，各流水口滞止时间一致性仅为55%，各流一致性较差，死区比例较大为24.9%，不利于中间包的有效容积。2)最优方案较原型中间包，各流水口滞止时间一致性提高至72.62%，2流水口滞止时间与1流、3流相差较小，不易产生短路流。总体平均停留时间相较原型中间包提高96 s，有利于钢液混匀和夹杂物上浮，提高钢水洁净度。从死区比例看，最优方案死区比例为13.3%，相较原型方案下降了11.6%，显著提高了中间包有效容积。3)原型中间包远流水口上部出现低温区，中间包内温度分布不均匀。各流水口最大温差为1.03 K，各流水口一致性较差。经过优化，改善了温度场存在的不均匀性，钢液最大温差由23.5 K降低为20.1 K，温度场标准差为1.74 K，降低了0.11 K。各流水口钢液温度标准差由0.42 K降低至0.09 K，水口最大钢液温差仅为0.25 K，有效提高了各流水口的一致性，有利于铸坯质量的控制。