07底吹气体对FTSC中间包流体动力学的影响(中文）8-26

第四届发展中国家连铸国际会议1底吹气体对FTSC中间包流体动力学的影响姜茂发，屈天鹏（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004）摘要：本文以FTSC中间包为原型，建立了1：2.5的物理模型，研究了传统控流装置（挡渣堰、导流坝和湍流控制器）、底吹气及相互组合方式对中间包内流体流动行为的影响。实验评价指标包括由停留时间分布曲线（RTD）分析所得的最小停留时间、活塞流体积分率、全混流体积分率和死区体积分率。通过加入示踪剂（高锰酸钾溶液）的方法显示中间包内的流场。传统的堰坝组合方式可以较好地优化中间包流场，但是为了减少耐火材料质控流装置的使用以减小污染钢液的机会，本文提出尝试采用底吹气体替代挡渣堰和导流坝来优化流场。实验结果表明，安装在FTSC中间包注流区的双效冲击板（DEP）和下游的导流坝可以很大程度上优化流体的流动状况；中间包底部呈“鞋跟”状，可以在保证铸坯质量的前提下，减少中间包余钢量，提高钢水收得率。底吹气体均有利于在中间包内形成循环流，导流坝可以很好地阻止底部击穿流。停留时间等参数受底吹气体的组合方式影响显著，采用底吹气体代替挡渣堰和导流坝组合后，流体在中间包内的停留时间和死区体积分率参数与传统堰坝组合方式相近。特别要指出的是，在导流坝上方设置气幕的实验效果最显著，其死区体积分率降至9%，远小于其它的组合方式。实验结果表明，采用底吹气体取代传统堰坝组合在改善中间包流体流动方面是可行的，适应高效连铸技术发展的要求。关键词：FTSC；中间包；控流装置；底吹气体；物理模拟EffectsoftheGasInjectionontheDynamicsofMoltenSteelFlowinginFTSCTundishJIANGMao-fa,QUTian-peng(SchoolofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China)Abstract:Inthispaper,theeffectoftraditionalmodifiers(suchasweir,dam,turbulentinhibitor),gasinjectionandtheircombinationsonthemoltensteelflowingdynamicsinaFTSCtundishwasinvestigatedinascaledphysicalmodel(1:2.5)bydeterminingtheflowpatternscharacteristicsparameters(includingminimumresidencetime,volumefractionsofplug,perfectmixedanddeadflowobtainedfromtheRTD(ResidenceTimeDistribution)curve)andtracerdispersion(KMnO4Solution).Theconfiguration,positionandsizeoftheaboveflowmodifiersandgasflowratewerevariedduringtheprocessofthestudy.Thefluidflowcharacteristicparameterscouldbeoptimizedusingthetraditionalmodifiers.Furthermore,itwasattemptedtoreplacethetraditionalmodifiersbythegasinjectioncurtainintermsofreducinguseofrefractorymaterials.Theresultsshowedthattheflowcontroldevicesofdoubleeffectpad(DEP)anddamintheFTSCtundishhadasignificantinfluenceonimprovingtheflowfieldandthe“Heel”bottomintheoutletregionhadagreateffectontheimprovementofmetallurgicalrecoveryrate.Forallcombinationsincludinggasblowing,gasinjectionswerefoundtoproduceentirecirculationinthetundishfluidflowsystem.Theuseofadamaloneorincombinationwithothermodifierseliminatesshortcircuitedflowcompletely.Theresidencetimeandvariancearefoundtobeinfluencedbythegasinjectioncombinationmodes.Residencetimeanddeadvolumebetweengasinjectioninsteadofweirordamandthetraditionalmodifierscombinationswereapproximated.Especially,bysettinggasinjectiononthedamcombinedtheDEP,theflowconditionoffluidintundishwassignificantlyimproved,andthecorrespondingdeadvolumeratedeclinedto9%whichwasfarlowerthanothercombinations.Theresultsindicatedthatitisfeasibletoreplacethetraditionalmodifiersbygasinjectiontoincreaseproductivityandquality.Keywords:FTSC;tundish;controldevice;gasinjection;physicalmodeling1前言随着近终型连铸技术和高效连铸技术的发展，各大中型冶金企业纷纷设立薄板坯连铸生产线，各项薄板坯连铸技术也不断得到发展和改进。目前主要的薄板坯连铸连轧工艺类型包括：CSP、FTSR、QSP、ISP等，其中得到企业普遍认可就是意大利DANIELI公司开发的FTSC工艺。该工艺具有拉速快、连浇时间长和年生产能力大的特点[1]。FTSC工艺在中间包内的核心体现于布置在注流区域的双效冲击板（DEP）和出口区域的“鞋跟”（Heel）技术。双效冲击板技术可以在大包钢流冲击区直接获得向上流动的流场，有利于夹杂物的上浮；同时还可以减少开浇瞬间的钢水飞溅现象。“鞋跟”技术与其它技术相比可减少中间包停浇时残钢的50%，提高金属收得率。连铸中间包作为钢液凝固前所经过的最后一个耐火材料容器，其作用是尽最大可能延长钢水停留时间[2,3]，促使钢中非金属夹杂物在钢水处于液态时排除彻底，同时要防止非稳态浇注时钢水的二次氧化和耐火材料的熔损、冲刷所产生的新的二次夹杂物[4,5]。吹氩是中间包冶金的一项新技术、新方法，即在中间包底部某个位置埋设条状多孔透气砖，由透气砖内部持续吹出弥散而微小的气泡，形成一道垂直于钢水流动方向的“气幕”，类似于在包底设置了坝，促使钢水改变流动方向。利用中间包吹氩形成的气幕挡墙代替挡渣堰第四届发展中国家连铸国际会议2和导流坝的设想是适应洁净钢发展的新要求，一方面可以减少耐火材料的使用量，进而降低耐火材料受冲蚀进入钢液而污染钢液的机会；另一方面中间包吹氩还有利于微小氩气泡捕获钢液中的小颗粒非金属夹杂[6,7]，携带其上浮至顶渣液面去除。目前，关于中间包内吹氩代替常规挡渣堰和导流坝组合或者单独吹氩的研究报道还不多见。正基于此，本文以某钢厂的FTSC薄板坯连铸中间包为原型，通过物理模拟的方法，系统考察了不同吹氩组合方式在薄板坯连铸中间包中的应用效果，分析底吹气体对中间包流体动力学的影响。2实验原理及方法本模拟实验的前提是保证模型与原型的几何相似和动力相似。实验采用的模型与原型的相似比为1:2.5。考虑到中间包内流体流动处于第二自模化区，因此只要满足模型和原型的Fr准数相等即可保证动力相似。中间包模型及附属设备采用有机玻璃制作而成，实验中以水代替钢液，以压缩空气代替氩气进行模拟实验。实验装置如图1所示。压缩空气的实验流量为0.06m3·h-1，吹气元件如图2所示。图1.实验装置示意图Fig1.Schematicdiagramofexperimentalset-up图2.底吹气元件示意图Fig2.Schematicdiagramofblowingelement采用“刺激—响应”原理[8]测定流体在中间包内的停留时间。具体为，保持中间包液面稳定后，在长水口注流内脉冲注入300ml的饱和NaCl溶液，同时用电导电极测定出口处流体的电导率随时间的变化，将输出的电信号通过A/D板转换成数字信号后由微机实现数据的采集。测定的典型中间包停留时间分布曲线如图3所示。流场通过向中间包内加入高锰酸钾溶液来显示，实现流场的可视化。图3.中间包流体的典型RTD曲线Fig.3TypicalRTDcurvefortundish依照Sahai[9]提出的混合模型理论可计算中间包内理想的特征参数：活塞流体积分率：2/)(V/Vmaxminplug；死区体积分率：CadeadQQVV1；全混流体积分率：VVVVVVplugdeadmix1；其中，VVVVmixdeadplug,,,分别为活塞流体积，死区体积，全混流体积及中间包总体积；无量纲时间项，saCsmaxmaxsminmint/t,t/t,t/t；QQa,分别为活跃区流量（包括活塞流和全混流）和总流量；satt,分别为实际平均停留时间和理论停留时间，且Q/Vts。为了比较不同控流装置对中间包流动特征参数的影响，本研究制定了以下研究方案，其组合方式如图4所示。所列每方案均是通过实验室系统优化得到的最优结果。3结果分析与讨论3.1几种方案的RTD曲线比较各方案的RTD曲线如图5所示。由图可以看出，不同优化方案对应的RTD曲线形状不尽相同，其形状差异主要由中间包内流体的流动状态所决定。方案Ⅰ的RTD曲线存在明显的双峰现象，这是由于在设置单坝的中间包底部产生短路流的缘故，短路流的存在使得新注入的流体不经与其它流体混合就直接沿包底流向结晶器。而且短路流所携带的夹杂物没有充足的时间上浮去除，因此夹杂物去除效果较差。优化实验必须消除短路流。方案Ⅱ是传统湍流控制器与堰坝组合的最佳方案，完全消除了RTD曲线的双峰现象，整个曲线比较平缓，说明中间包内流体达到了充分混合，消除了短路流，减少了死区体积。挡渣堰有利于延长流体在中间包内的流动路径，增加流体在中间包内的平均停留时间，促使夹杂物的有效去除。第四届发展中国家连铸国际会议3Ⅰ湍流器+坝Ⅱ湍流器+坝+堰Ⅲ湍流器+坝+堰+气幕挡墙Ⅳ气幕挡墙代替坝Ⅴ气幕挡墙代替堰Ⅵ双气幕挡墙图4.各方案控流装置组合方式图Fig.4Schematicprogramofvariousconfigurationsofflowmodifiersdevices0.00.51.01.52.02.50.00.20.40.60.81.01.21.4无量纲浓度无量纲时间IIIIII0.00.51.01.52.02.50.00.20.40.60.81.01.21.4无量纲浓度无量纲时间IVVVI方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ图5.不同优化方案的RTD曲线比较Fig.5ComparisonofRTDcurvesforvariousarrangements表1不同实验方案RTD曲线的分析结果Table1AnalysisresultsofRTDcurveforvariousarrangements方案编号最小停留时间峰值时间平均停留时间活塞流体积分率全混流体积分率死区体积分