板坯連鑄結(jié)晶器流場及液面波動水模研究_圖文

1、 第 6期 2009年 12月連 鑄Continuous CastingNo. 6December 2009板坯連鑄結(jié)晶器流場及液面波動水模研究王永勝 1, 王新華 2, 王萬軍 2(1. 酒泉鋼鐵 (集團 有限公司碳鋼薄板廠 , 甘肅 嘉峪關(guān) 735100;2. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 , 北京 100083摘 要 :以我國實際生產(chǎn)的某結(jié)晶器為原型 , 建立 1 1有機玻璃水模型 , 模擬研究了結(jié)晶器斷面和中間包液位對 板坯連鑄結(jié)晶器流場形態(tài)和結(jié)晶器液面波動的影響 。 中間包液位改變了水口出口的壓力從而使結(jié)晶器流場和液 面波動發(fā)生變化 。 通過實驗研究進一步認(rèn)識了板坯連鑄結(jié)晶器液面波

2、動及其影響因素 , 并用以指導(dǎo)高質(zhì)量連鑄坯 的生產(chǎn) 。關(guān)鍵詞 :結(jié)晶器 ; 流場 ; 液面波動 ; 中間包液位中圖分類號 :TF777. 1 文獻標(biāo)識碼 :A 文章編號 :100524006(2009 0620013204W ater Modeling Study on Flow Field and Surface W avein Slab Continuous C asting MoldWAN G Y ong 2sheng 1, WAN G Xin 2hua 2, G Wan 2jun 2(1. Carbon Steel Sheet Plant ,Jiuquan Iron and Steel

3、 Group ,L td. , ; 2School of Metallurgical and Ecological Engineering and ,Abstract , ratio of 1to 1was established in order to study the effect the steel in tundish on the flow field and surface wave of molten steel in the mold. The of steel flow on SEN outlet changes due to change of the level of

4、steel in tundish. Then the flow field and surface wave of molten steel in the mold change too. The surface wave of molten steel in the mold and in 2fluence factors were further clearly recognized to guide the production of high quality slab. K ey w ords :mold ; flow field ; surface wave ; level of s

5、teel in tundish作者簡介 :王永勝 (19732 , 男 , 博士 , 高級工程師 ; E 2m ail :wysmetal . cn ; 修訂日期 :2009205206 結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場形態(tài) , 特別是結(jié)晶器液面 波動直接影響鑄坯質(zhì)量 1。 多年來冶金學(xué)者對結(jié)晶 器進行了大量的數(shù)值模擬 、 水模型和生產(chǎn)檢驗研 究 27。 研究結(jié)果表明連鑄拉速 、 結(jié)晶器浸入式水 口傾角 8、 浸入深度 、 水口吹氬 910等操作工藝參 數(shù)直接決定結(jié)晶器液面波動 。 但對結(jié)晶器水口底部 結(jié)構(gòu) 11、 中間包液位 、 拉速變化 12過程結(jié)晶器流場 研究較少 。 為進一步認(rèn)識結(jié)晶器流場影響細節(jié)

6、, 本 文對結(jié)晶器水口底部結(jié)構(gòu) 、 中間包液位 、 拉速變化過 程結(jié)晶器液面波動進行了水模擬研究 , 以研究結(jié)果 指導(dǎo)生產(chǎn)操作 , 提高了鑄坯質(zhì)量 。流體力學(xué)相似原理的模型實驗方法廣泛應(yīng)用于 科學(xué)研究 。 水模型研究由于可直接測量觀測 、 精確 控制 、 低耗高效地反映高溫鋼液的實際生產(chǎn)流態(tài)被 冶金界普遍采用 。為實現(xiàn)精確模擬 , 本研究采用 1 1模型 。 1 1模型的使用 , 有助于實現(xiàn)模型與原 型的流動行為的絕對相似 ; 有助于實現(xiàn)模型與原型 的相等比表面積 ; 有助于實現(xiàn)模型與原型的表面波動形態(tài)的絕對相似 ; 有助于實現(xiàn)模型與原型的湍動耗散過程時間的相似 。 但實際上要實現(xiàn)模型和原型

7、的完全相似是不可能的 , 研究過程忽略次要因素 , 注 重主要因素 , 首先實現(xiàn)流場主要控制因素的相似 。 依據(jù)相似原理理論基礎(chǔ) , 對于不可壓縮黏性流體的 恒溫穩(wěn)定流動 , 考慮弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù) (Fr 和雷諾數(shù) (Re 相似 。 結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動主要受到重力和慣性力 的作用 , 重力占主導(dǎo)作用 , 黏性力作用很小 , 可以忽 略 。 首先要保證弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù) (Fr 完全相等 , 對于雷 諾準(zhǔn)數(shù) (Re 只要大于第二臨界值 (103104 時 , 流 體流動就進入自?；癄顟B(tài) , 流體的流動彼此相似 。 模型與原型相似雷諾準(zhǔn)數(shù) (Re 計算如下表 1所示 。 計算結(jié)果顯示 , 對于本 1 1的結(jié)晶器

8、水模型 , 當(dāng)連 鑄拉速在 0. 6118m/min 變化過程 , 結(jié)晶器模擬 研究模型與原型的雷諾準(zhǔn)數(shù) (Re 在自模化區(qū) , 當(dāng)弗 魯?shù)聹?zhǔn)數(shù) (Fr 模型和原型流量實現(xiàn)相等 , 實現(xiàn)流場 相似模擬 。連 鑄 表 1 雷諾準(zhǔn)數(shù) (Re 計算公式名稱 符號 單位原型 (鋼液 模型 (水 Re =雷諾準(zhǔn)數(shù)Re 無量綱 1. 12×1044. 49×1040.99×1043. 96×104速度v m/s 0. 010. 040. 010. 04特征長度 Lm 11運動黏度m 2/s0. 89×10-61. 01×10-61 研究方法水模型

9、采用閉路循環(huán)穩(wěn)定控制 , 圖 1為水模實驗示意圖。 由圖 1可見 , 實驗裝置由中間包水箱、 步進電 機控制塞棒、 1 1有機玻璃水口、 有機玻璃結(jié)晶器、 水 泵和供氣瓶等組成。 監(jiān)測控制采用超聲波流量計、 浮 子氣體流量計、 紅外線波高儀 (1個測定探頭 、 D J800水利學(xué)波高檢測儀 (在結(jié)晶器寬度方向均布 5個測定 探頭 、 螺旋測速儀 (為減少干擾設(shè)定 1個測點 , 移動多 次測量 等。整個研究過程由計算機準(zhǔn)確控制。 圖 1 實驗裝置示意圖 實驗流量按照實際連鑄機結(jié)晶器斷面和拉速相 似計算得到 , 研究工藝組合如表 2所示 。采用高錳 酸鉀作為示蹤劑進行流場顯示 , 實驗過程采用數(shù)碼

10、 相機和錄像機紀(jì)錄動態(tài)或靜態(tài)流場 。 實驗數(shù)據(jù)采用 專業(yè)軟件進行處理 。表 2 實驗研究工況工藝參數(shù)組合表結(jié)晶器 厚度 /mm結(jié)晶器 寬度 /mm 拉速 /(-1 浸入式水口深度 角度 結(jié)構(gòu) 吹氬量2309001. 01005凹 512001. 213015平 15001. 425凸18001. 621001. 82、 雙回流兩種主要流態(tài) , 如 2,當(dāng)結(jié)晶器寬度小于 1800mm 時 , 結(jié)晶器流場呈現(xiàn)雙 回流形態(tài) 。 拉速較大時 , 流股沖擊結(jié)晶器窄邊出現(xiàn) 前后對稱的側(cè)向旋流 , 從而形成大小縱橫四旋流形 態(tài)流場 。 側(cè)旋流裹挾氬氣泡和大型夾雜物在寬面窄 邊凝固坯殼前沿形成旋流 , 側(cè)旋通

11、常在結(jié)晶器寬面 距窄邊 300mm 區(qū)域 。當(dāng)結(jié)晶器寬度大于 1800mm 時 , 水口出口流股耗散衰減距離長 , 在沖擊窄邊 前就減速到較低水平 , 在拉速活塞流的向下牽引下 , 形成單回流 。 拉速增加 , 轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊餍螒B(tài) 。結(jié)晶 器流場形態(tài)主要決定于水口出口流股的流速和在結(jié) 晶器中的耗散距離。 圖 2 結(jié)晶器流場單回流雙回流示蹤照片 結(jié)晶器液面波動是影響連鑄坯質(zhì)量的重要因素 , 形成并影響結(jié)晶器液面波動的因素有三 :一是結(jié) 晶器上回流形成的液面流速在水口碰撞匯合形成的 沖擊流波動 。 二是水口出口高速流股在結(jié)晶器中耗 散衰減湍動能形成的振蕩波動 。 三是結(jié)晶器吹氬氣 泡上升和穿透液面的

12、擾動波動 。對于窄結(jié)晶器 , 當(dāng)41第 6期 王永勝等 :板坯連鑄結(jié)晶器流場及液面波動水模擬研究沖擊流處于控制因素時 , 結(jié)晶器液面波動形態(tài)穩(wěn)定 , 液面波動與液面流速關(guān)系明顯 , 彎月面區(qū)域和水口 區(qū)域波動較大 , 拉速較大時水口附近存在剪切渦流 。 結(jié)晶器斷面較大時 , 結(jié)晶器流場為單回流 , 振蕩波動 占主要比例 , 結(jié)晶器液面呈現(xiàn)非對稱性周期振蕩波 動 , 液面波動與液面流速關(guān)系不太明顯 , 拉速較大時 在結(jié)晶器距窄邊附近形成漩渦 。增加浸入深度 、 減 小拉速能有效控制湍動振動波動 。 氬氣擾動波動主 要分布在氣泡擴散區(qū)域 , 擾動波動強度取決于吹氣 量和氣泡大小 。不同的結(jié)晶器流場

13、形態(tài)對應(yīng)不同的結(jié)晶器液面 中心線流速和液面波動分布 。 小斷面結(jié)晶器雙回流 流場 , 上回流在距結(jié)晶器彎月面 100mm 附近上升 到結(jié)晶器液面 , 向結(jié)晶器中心水口處流動 , 流速逐步 增加 , 當(dāng)增加到結(jié)晶器四分之一處達到液面流速最大值 。 然后兩股相反的流股在水口處碰撞匯合向 下 , 形成結(jié)晶器上回流 , 造成結(jié)晶器液面水口區(qū)域最 大的結(jié)晶器液面波動分布 , 并擴展衰減至結(jié)晶器彎 月面區(qū)域 , 另外結(jié)晶器彎月面區(qū)域上升流擾動造成 彎月面波動增大 , 如圖 3(a 所示為 230mm ×1200mm 結(jié)晶器 、 拉速為 1. 6m/min 、 15°底部凹陷水口 、傾入

14、深度 100mm 、 吹氬量為 5L/min 結(jié)晶器液面波 動與液面流速分布與關(guān)系 。寬斷面的結(jié)晶器 , 結(jié)晶 器流場呈單一下回流形態(tài) , 上回流不明顯 , 結(jié)晶器液 面波動主要體現(xiàn)為水口出口流股沖擊擾動形成整體 振蕩 , 因此在結(jié)晶器四分之一至六分之一范圍區(qū)域達 到最大值。 液面流速與液面波動形態(tài)相似。 圖 3(b 所示為 230mm ×2100mm 結(jié)晶器、 拉速為 115m/min 、 15°底部凹陷水口、 傾入深度為 mm 、 吹氬量 為 5L/min (a 230mm ×1200mm ; (b 230mm ×2100mm圖 3 結(jié)晶器液面波動和

15、液面流速3 中間包液位與結(jié)晶器液面波動水模型研究不同中間包液面高度對結(jié)晶器流場的影響發(fā)現(xiàn) , 中間包液面高度升高 , 塞棒處出口壓力 增加 , 流量增加 , 為保持液面和拉速的穩(wěn)定 , 必須調(diào) 整塞棒開口度 , 塞棒開口處流速增大 , 浸入式水口出 口處壓力增大 , 流速增加 , 水口出口流股對結(jié)晶器流 場的沖擊增大 , 結(jié)晶器液面波動增加 。當(dāng)中間包液 面降低到 500mm 以下時 , 中間包水口盡管設(shè)有壩 堰 , 水口的沖擊和塞棒虹吸共同攪動致使中間包液 面劇烈波動 , 當(dāng)中間包液位下降到 400mm 以下時 , 中間包出現(xiàn)漩渦虹吸現(xiàn)象 , 間歇性吸入空氣 。如圖 4(a 為 230mm

16、×1200mm 結(jié)晶器 , 拉速 114m/min , 浸入深度 100mm , 吹氬量 5L/min 時距離結(jié) 晶器中心 150mm 、 200mm 、 400mm 、 500mm 、 550mm 處結(jié)晶器液面波動隨中間包液位的變化規(guī)律 , 隨中間包液位的升高結(jié)晶器各點波動都升高 。 如圖4(b 、 (c 、 (d 為 230mm ×1200mm 結(jié)晶器 , 浸入深度為 100mm , 吹氬量為 5L/min , 拉速為 114m/min 時 200測點結(jié)晶器液面 DJ 800瞬時液面波動隨 中間包液位的變化趨勢 , 圖 4(b 中間包液位 600mm , 圖 (c 中間

17、包液位 700mm , 圖 (d 中間包液位 800mm 。 隨中間包液位的升高 , 結(jié)晶器液面波動離 散率增加 , 雖然結(jié)晶器平均液面波動增加較小 , 但大 波動數(shù)量增加顯著 。4 結(jié)論(1 結(jié)晶器流場分為單回流和雙回流兩種形態(tài) 。 結(jié)晶器流場形態(tài)主要取決于水口出口流股的流 速和在結(jié)晶器中的耗散距離 。(2 單回流存在于寬斷面低拉速的結(jié)晶器 , 雙 回流存在于窄斷面的結(jié)晶器 , 雙回流形態(tài)當(dāng)拉速超 過一定臨界值時連鑄寬面出現(xiàn)沖擊側(cè)旋流 。(3 結(jié)晶器液面波動影響因素有三 :一是上回51連 鑄 圖 4 中間包液位對結(jié)晶器液面波動的影響流碰撞匯合引起的流動沖擊波動 ; 二是結(jié)晶器浸入 式水口出口

18、流速沖擊結(jié)晶器熔池產(chǎn)生的振蕩波動 ; 三是氬氣泡上浮和穿透液面引起的擾動波動 。 (4 中間包液位通過改變結(jié)晶器水口出口的壓 力而改變了結(jié)晶器水口的流速 , 進一步影響液面波 動 , 中間包液位升高 , 結(jié)晶器液面波動加劇 。參考文獻 :1 手嵨俊雄 . 高速鑄造時 連鑄鑄型內(nèi)溶鋼流動 鑄造條件 影響 J.鐵 鋼 ,1993,79(5 :40.2 Toshihiko M. 防止液面波動的新技術(shù) J.鋼鐵 ,2004,39(增 刊 :39.3 Gupta D. Water 2Modeling Study of t he Surface Disturbances in Continuous Sla

19、b CasterJ. Metallurgical Transactions B , 1994,25(2 :227.4 Brian G. Mat hematical Modeling of Fluid Flow in Continuous CastingJ.ISIJ International , 2001, 41(10 :1181.5 Gupta D. Water Modelling Study of t he J et Characteristics in a Continuous Casting Mould J .Steel Research , 1992, 63(5 :201.6 陸巧彤 , 楊榮國 . 板坯連鑄結(jié)晶器保護渣卷渣及其影響因素的 研究 J.鋼鐵 2006,41(7 :29.7 K ouji T. Mat hematic