控流装置对中间包钢水流场和洁净度的影响

为研究控流装置对中间包内钢水流场影响,采用水模型和工业验证相结合方法针对某钢厂板坯连铸中间包进行优化。通过对不同控流组合中间包的优化得出,湍流控制器+下挡墙组合最优;通过对下挡墙的位置和高度的优化得出,下挡墙高300mm、距长水口距离1900mm为最佳方案。优化中间包后,钢液在中间包内平均停留时间由304.1s增加至342.1s,死区比例由18.5%降至8.4%。工业试验表明,采用优化后中间包,IF钢铸坯平均氧质量分数降低了16.8%,平均氮质量分数降低12.5%,铸坯10μm以上夹杂占比由8.6%降至6.1%。     

四流中间包非正常工况下流动行为研究

通过1:3的水力学模型研究了四流中间包的两种典型控流装置在非正常工况(关闭1号水口或2号水口)的流体流动行为。通过停留时间分布(RTD)曲线以及死区活塞区比例等参数进行比较,同时考察了三个水口流动过程的相似程度,采用数值模拟进行验证。研究表明关闭1号水口比关闭2号水口死区比例更低,活塞区比例更高。在两种工况下,U型挡墙方案三个水口死区平均值比II型挡墙方案降低了24.9%和18.2%。II型挡墙的关闭水口的一侧,流体流动缓慢,而U型挡墙方案三个水口流动一致性很好,关闭水口对整体流场影响不大,U型挡墙对非正常工况适应性较II型挡墙好。     

两流中间包控流装置优化的物理模拟与应用

以太钢两流对称板坯连铸中间包为研究原型,采用物理模拟的方法研究抑湍器以及挡墙、挡坝位置对中间包流场的影响。物理模拟结果表明,中间包未设置任何控流装置时存在短路流,死区比例高达36.47%;中间包使用抑湍器后,响应时间增加了13.5 s,平均停留时间延长了34.8 s,死区体积降低了6.33%;保持挡墙的位置不变,将挡坝距长水口的距离增加100 mm,更利于改善中间包流场。通过现场试验表明,中间包优化后铸坯全氧质量分数由平均2.02×10~(-7)降低至1.55×10~(-7),减少了30.32%。     

30 t对称四流小圆坯中间包结构优化

为了优化某钢厂30 t对称四流小圆坯中间包的冶金效果,以该钢厂当前使用中间包为原型,根据相似原理,利用水模型模拟对其内部控流装置进行优化,测量不同情况下中间包的RTD曲线,进而计算出中间包内钢水的峰值时间、死区比例等指标。结果表明,原型中间包的中间包冶金效果不佳,根据优化方案,导流板每面开双孔时,较优方案为方案3,此时中间包死区比例为10.96%;导流板每面开单孔时,较优方案为方案18,此时中间包内死区比例为8.74%,但此中间包冶炼结束时,中间包内留钢量较大,经济成本较高。综合来看,使用双孔较优方案最佳。     

大方坯六流中间包少流浇注时钢液的流动行为

在连铸过程中,由于钢水不足或设备故障,为适应生产节奏,关闭多流中间包单个或多个水口是常见操作。然而,水口的关闭会导致中间包流场发生变化,并进一步影响到中间包内夹杂物的去除效率。为此,针对某钢厂重轨钢用大方坯六流中间包,应用数值模拟的研究方法对关闭不同单个水口时中间包内的钢液流动行为以及夹杂物去除情况进行了研究,得出了最佳关停水口方案,为中间包水口关停的选择提供了必要依据。研究结果表明,当中间包关掉任意一流浇注时,中间包内的死区体积均会略微上升;关闭第一流对于中间包内夹杂物的去除的影响最小,此时10、30、50、70、90 μm的夹杂物去除率分别由正常浇注时的12.4%、39.1%、74.2%、93.3%、95.6%变为14.7%、36.4%、76.4%、85.3%、93.8%。     

六流非对称中间包结构优化水模型研究

为了降低钢中夹杂物数量,根据相似原理进行小方坯六流非对称中间包的水模拟研究。通过模拟分析原型中间包流场,找出其存在的问题,提出通过在原中间包中合适位置加设挡墙、挡坝、开设导流孔等的方法来优化中间包结构,共设计了包括六流浇注和五流浇注在内的5种优化方案。优化结果为:六流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加105.2%,死区比例减小60.4%。五流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加172%,死区比例减小76%。优化后各流之间差异性明显减小。     

利用RTD曲线研究中间包内钢液的流动行为

建立1∶3的中间包水力学模型,对中间包内钢液流场进行物理模拟,通过软件计算获取流体的活塞区、全混区和死区的体积比例,确定中间包内最优流动行为的方案。试验研究表明,在中间包基本结构流量分别为0.7、0.8、0.9 m~3/h时,其死区比例分别为31.0%、17.3%、15.0%;而挡坝向挡墙方向内移30 mm时,流量分别为0.7、0.8、0.9 m~3/h,其死区比例分别为28%、10.5%、7.5%。因此,提高拉速可以降低中间包内的死区比例;另外,钢包长水口插入深度分别为150、280、315 mm的3组结果表明,插入深度280 mm较为合理,增大或减小插入深度均导致死区比例增大。     

中间包控流系统事故率降低措施

唐钢长材事业部中间包定径水口控流系统存在上水口侵蚀扩径快、炸裂,上水口、下滑块之间夹钢等问题,导致中间包使用寿命降低,严重影响连铸生产的高效运行。对中间包定径水口控流系统存在的问题进行分析,通过调整锆芯成分,提高水口烘烤温度,优化水口和滑块加工工艺,改进上水口、下滑块和机构基础板尺寸等措施,解决了上水口侵蚀炸裂和上水口与下滑块夹钢的问题。中间包控流系统事故率由1.5次/万t钢降低到0.1次/万t钢以下,中间包上水口与中间包寿命实现了同步,为中间包使用寿命地提高提供了有力保证。     

四流圆坯中间包卷渣的钢液临界深度研究

四流圆坯连铸中间包不设塞棒时内侧水口将生成汇流漩涡,而外侧水口不会出现汇流漩涡。中间包生成汇流漩涡的过程非常迅速且平稳,在3 s内完成,对液面没有扰动。利用回归方程得到了中间包汇流漩涡的临界深度的计算公式,即S/D=-55+0.69Fr。     

板坯中间包控流装置优化的数值模拟

以某钢厂板坯连铸中间包为模型,利用数学模拟方法,对中间包内钢液流场进行研究。采用正交试验法研究了堰坝距离、坝的高度和堰的插入深度对中间包内钢液流场及RTD曲线的影响,得出各因素对活塞区体积的影响程度及最佳控流装置组合,为现场提出了控流装置的优化方案。优化后中间包活塞区由62.23%提高至70.75%,死区比例由7.11%降至5.75%,明显提高了中间包的冶金功能。     

4流大方坯中间包流动及传热特征的数值模拟

通过数值模拟对某钢厂新设计的4机4流大方坯连铸机的不同结构的中间包进行钢液流场、流动特性及温度场的研究,并以此优化出最佳控流装置。研究结果表明,为满足4流大方坯中间包对流场的要求,采用最佳方案(湍流控制器+带导流孔的"V"型挡渣墙+挡坝组合的控流方式),延长了近流水口响应时间及平均停留时间,各水口钢液的流动模式趋于一致,中间包内钢液的流动特征得到明显改善,各流钢液的最大温差缩小到4K,温度均匀。     

四流H型感应加热中间包控流装置设计

针对国内某特钢厂新上的四流H型双通道感应加热中间包,为改善中间包内流体流动状态,设计了倒八字型与V型两种控流装置。应用数值模拟的方法对两种不同控流装置下的中间包流场、RTD曲线、温度场进行了模拟。结果表明,倒八字型控流装置平均停留时间1 469.6 s,死区体积比5.83%,边部水口与中间水口的最大温差3 K;与V型控流装置相比,平均停留时间延长了41.9 s,死区体积相应降低了4.09%,边部水口与中间水口的最大温差减少了2 ℃。湍流抑制器+倒八字型控流装置设计能更好改善四流大方坯H型双通道感应加热中间包流体流动性。     

基于F曲线的多流非对称中间包死区计算模型

为了解决组合模型计算多流非对称中间包不同出口的停留时间分布曲线时出现的体积死区分率为负或结果偏差较大的问题,通过把“脉冲刺激-响应”试验所得的E曲线转换为F曲线,建立了基于F曲线的多流非对称中间包整体死区比例分析模型,并通过比较各流出口F曲线的差异量以及差异量极大值、最大值评价了多流非对称中间包钢液流动一致性。应用该模型对四流非对称中间包流场进行分析,水模型试验结果表明,无控流装置的中间包在3号、4号水口上方存在流动缓慢的区域,中间包钢水更新缓慢,流场不合理。增加挡墙后,中间包钢水流动一致性增强,2号、3号水口流动一致性相近;1号、4号水口流动一致性相近。使用挡墙+挡坝2的组合,各流一致性最好,死区比例最小。     

三流连铸中间包钢水流场的数学物理模拟

应用商业软件CFX及水力学模型,对三流连铸中间包钢水流场进行了模拟研究,分析比较了原型中间包和改造后中间包内钢水的流动状态。结果表明:数值模拟与水力学模型结果相符;原型中间包内存在明显的短路流,死区比例大,均超过了50%;通过改造中间包控流装置后,中间包内钢水流动状态得到了明显改善,死区体积比例大大降低,死区比例均控制在20%以内,最低的仅为9.41%。通过现场试验发现:中部水口出口与边部水口出口的钢水温差最大值由改造前的5℃减小到2℃;事故率明显降低,达到了预期的冶金效果。     

中间包温度场数值模拟研究

运用Fluent 6.3软件对中间包进行数值计算,研究了控流装置等因素对中间包温度场的影响。结果表明:中间包内控流装置结构越简单,入口和出口之间温差越小,整个中间包的温度场分布更加均匀。为减小注流区中间包熔池深度方向上的温度变化梯度,应增加中间包内挡墙与长水口之间的距离;为提高中间包内温度场的均匀性,应适当增加中间包长水口浸入深度,控制中间包的熔池深度,本试验中间包熔池深度应控制在1 200 mm左右,模拟结果在现场得到了有效验证。     

中间包板间密封不良的原因分析和改进

针对连铸机生产过程因中间包板间密封不良导致的钢液二次氧化和板间滋钢问题,现场跟踪系统分析了快换机构油缸、机构滑道、机构弹簧压力、水口烘烤及水口板面等因素对密封效果的影响。分析结果表明,板间密封主要与快换机构设备精度、烘烤工艺操作及水口板面质量有关。通过提升快换机构滑道维护标准、提高弹簧压力、规范油缸行程,优化上水口和浸入式水口烘烤制度,规范板面平整度,板面涂抹石墨质涂料,推行精细化操作等措施,连铸生产过程中中间包板间密封效果大幅提升,板间密封氩气背压合格率由75%提高至98%,板间吸气造成的结晶器液位波动大于±3 mm发生率由3.0%降低至0.1%以下,板间滋钢发生率由1.5%降低至0.01%以下。     

双流T-型中间包的流场模拟及其控流结构优化

以北方某钢厂双流T型中间包为原型,在保持原生产节奏的基础上,设计了两种控流装置优化方案1与优化方案2。优化方案1即为在中间包注流区加入了一个导流隔墙,在隔墙上开两个直径为120 mm,倾角向上15°的导流隔墙孔来控制钢液的流动;优化方案2为在优化方案1的基础上,在距离中间包中心线两侧1 500 mm的地方各加一个高度为300 mm的挡坝。采用数值模拟与冷态水模拟相结合的手段,对3种中间包结构的流场进行了模拟研究。研究结果表明：对于双流T型双流中间包,无控流装置时,原中间包结构内存在较多短路流,不利于夹杂物的去除。相对于优化方案1与原包结构,优化方案2的死区体积分数降低到了9.4%,钢液平均停留时间明显增长并且中间包浇注区温度明显提高且分布较为均匀。因此,优化方案2更加适用于此钢厂的中间包结构。     

异形坯连铸中间包工艺技术的开发与应用

针对莱钢近终形大H型钢异形坯连铸机中间包工艺设计上的缺陷,开发与应用异形坯中间包双定径水口快速更换技术、中间包流场优化技术、中间包控流装置长寿技术等,通过技术集成与创新,形成了具有自主知识产权的异形坯中间包工艺技术,使铸坯合格率达到99.80%以上,中间包单包连浇时间达到36h以上。     

板坯塞棒和中间包上水口吹氩工艺水模型研究

针对唐钢不锈钢3#连铸机塞棒和中间包上水口吹氩工艺进行了原型与模型比例为2∶1的水模实验,研究了同一种板坯宽度、同一种水口条件,不同拉速、不同水口浸入深度下,塞棒和中间包上水口的临界吹气量,以及吹气量对于结晶器流场中液面波动和流股在窄边冲击点的影响规律,为现场生产中结晶器吹氩工艺参数的优化提供依据。     

小方坯定径包长寿技术的应用

莱钢小方坯定径包平均使用寿命在45 h,使用寿命偏低。对影响小方坯定径包使用寿命低的原因进行分析,通过设计应用高性能定径水口锆芯、定径上水口与快换滑块改型设计、定径水口快速对中安装技术、中包线下三级火焰烘烤脱模工艺及中间包在线快速富氧烘烤工艺等工艺措施,提高了小方坯定径包的使用寿命,实现定径包长周期连续稳态浇注,单包平均连拉周期达到70 h,降低生产成本,提高了钢水回收率,保障了生产稳定顺行。