连铸中间包钢水停留时间分布的模拟研究

D0I:10.13374/i.is8n1001-053x.1984.02.003 北京钢铁学院学报 1984年第2期 连铸中间包钢水停留时间分布 的模拟研究 炼钢教研室 蔡开科李绍舜 黎学玛· 林小明· 摘 要 中间包是钢水流人结品器的最后一个治金容器，它对铸坯质量有重大影响。为减少铸坯中的夹 杂物，必须改善钢水在中间包内的停留时间分布和流动状态，使夹杂物充分上浮分离。 本文用水力学模型和光电示踪法，研究了中间包流量、液面高度、挡墙形式和钢流注入方式等 对平均停留时间和流动状态的影响，指出了中间包液面高度对平均停留时间影响最为显著，而挡墙 的作用在于改簪了钢水流动的轨迹。 一、引 言 连续铸锭技术的发展，使人们逐渐认识到不应将中间包仅看成是将钢水从钢包注入结 晶器的一个简单的中间容器，它还起着重要的冶金作用。一个合适中间包应满足的要求 是 1,稳定流动，减少表面扰动，避免渣子卷入结晶器， 2,最大限度地增加钢水在中间包内的停留时间，促进夹杂物上浮， 3.促进钢渣间的层流运动，有利于渣子吸收夹杂物。 钢水中的夹杂物经中间包流入结晶器，是俦坯中夹杂物的主要来源。对铸坯中氧化物 夹杂起源研究指出[1]：中间包渣卷入及包衬浸蚀带入30%，中间包液面和结晶器液面氧 化占25%，钢流的二次氧化35%，中间包水口溶蚀10%。对铸坯轧制产品的探伤检验指出 [2],主要是粒度大于50μ的夹杂物造成产品缺陷。 国内外研究者用水力模型方法研究指出[3,4,5]，在中间包内设置挡渣墙，能促使夹 杂物上浮分离，在生产上应用取得了良好效果。 本文目的是：采用水力模型和光电示踪法，研究液体流量、液面高度、挡墙形式等因 素对中间包内液体停留时间分布的影响。 ·为栋钢专业82届毕业生。 39

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 连铸中间包钢水停留时间分布 的模拟研究 炼钢教研室 蔡开科 李绍舜 黎学玛 林小 明 摘 要 中间 包是钢水流人结晶器的最后一 个冶金容器 ， 它对铸坯质盆有重大 影 响 。 为 减少铸坯 中的 夹 杂物 ， 必须改善钢水在中间 包 内的停留时间 分布和流动状态 ， 使夹 杂 物 充分上浮 分离 。 本文用 水力学模型和光电示踪法 ， 研究了中间 包流 量 、 液面高度 、 挡 墙 形式和 钢流注人 方式等 对平均停留时间和 流动状态的 影 响 ， 指 出了 中间 包液面高度对平均 停留时间 影 响最为 显著 ， 而挡墙 的 作用在于改善了钢水流动的轨迹 。 留 百 去 巨 公 连续铸锭技术的发展 ， 使人们逐渐认识到不应将 中间包仅看成是 将钢水从钢包注入结 晶器 的一个简单的中间容器 ， 它还起着重要 的冶 金作用 。 一个合适 中间 包应满 足 的 要 求 是 。 稳定流动 ， 减少表面扰动 ， 避免渣子卷入结晶器 ， 最大 限度地增加钢水在 中间包内的停 留时间 ， 促进 夹杂物上浮 促进钢渣间 的层流 运动 ， 有利于渣子 吸收夹杂物 。 钢水 中的夹杂物经 中间包流人结晶器 ， 是 铸坯 中夹杂物 的主要来源 。 对铸坯 中氧化物 夹杂起源研究指 出〔 ‘ 〕 中间包遭卷入及包衬浸蚀带入 ， 中间包液面和结 晶器液 面 氧 化 占 ， 钢流 的二次氧化 ， 中何包水 口 溶蚀 。 对铸坯轧制产 品的探伤检验指 出 〔 〕 ， 主要是粒度 大于 协的夹杂物造成产品缺 陷 。 国内外研究者用水力模型方法研究指 出 〔 ” ‘ ， 〕 ， 在 中间包 内设置挡 渣墙 ， 能促 使 夹 杂物上浮分离 ， 在生产上应用取得 了 良好效果 。 本文 目的是 采用水力模型和光 电示踪法 ， 研究液体流量 、 液面高度 、 挡墙形式等因 素对中间包 内液体停留时间分布的影 响 。 为炼钢专业的届毕业生 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．02．003

二、试验原理和方法 1。模化原理 连铸中间包是用有机玻璃制做的模型，实物与模型的尺寸比为1：3，保证几何相似。 钢水在中间包流动可看成是不可压缩流体的等温运动。为确保现象的相似性，主要是考虑 实物的Fr与模型的Fr'相等。 由Fr(付鲁德准数)相等得： 速度比 Fr=Fr! 歌 -√=0.55 流量比， 模型流量Q′。v1'2 实物流量0=V:一=0.063 在流量比等于0.063时，模型中间包水口直径d'为： d"=√=/096 4 ≈20mm 模型平均停留时间日'='y' 实物平均停留时间0=1~=0.58 0=1.7240 2,测试原理[6,1] - 在被测液流中的某一点，注入一定剂量的 瞬时加入 若丹明B示踪物，示踪物随液体流动。用某波 示踪剂 长的光照射示踪物迅速发出另一波长的萤光， 在恒定光强照射下，被激发出的萤光强度与示 ,测定示踪 剂浓度 踪物浓度成固定的函数关系。因此，可用光导 纤维探头。把激励光集中引导到任意检测点， 入口 C(t) 出口 同时探头另一束光导纤维传出被激发的萤光， 通过光电转换，变成电信号加以记录，从而反 映出示踪物在探头所在点的浓度变化规律，也 就间接地反映了液体的流动状况。 系统中被测定点的示踪物浓度变化规律是 图1响应测试法 一个随机变量C(t),若以示踪物注入时刻为 时间起点t=0,则某一个检测点的示踪物浓度变化规律如图1所示。 40

二 、 试验原理和方法 勺 。 棋化原理 连铸中间包是用有机玻璃制做 的模型 ， 实物与模型的尺 寸 比为 ， 保证几何 相 似 。 钢水在中间包流动可看成是 不 可压缩流体的等温运动 。 为确保现 象的相似性 ， 主要是考虑 实物的 与模型的 产相等 。 由 付鲁德准数 相等得 速度 比 ， 一，， 手了票 了干 。 流量 比 模型流量 声 尹 ， 么 实物流量 ， 。 在流量 比等于 时 ， 模型 中间包水 口 直径 尹为 ， 了刃 、 玉丝兰旦卫旦三旦二 。 丫 ， 模型平均停留时间 尹 实物平均停留时间 黑华 月 二 ” · ” ” 。 ， 瞬时口加入、一 示踪荆 测定示踪 剂浓度 ’ 皿 ‘” 图 响应测试法 。 侧试原理 ， ，〕 在被测液流中的某一点 ， 注入一定剂量 的 若丹 明 示 踪物 ， 示 踪物随 液体流动 。 用某波 长的光照射示 踪物迅速发 出另一 波长的萤光 ， 在恒定光强照射下 ， 被激发出的萤光强度与示 踪物浓度成 固定的函数关系 。 因此 ， 可用光导 纤维探头 。 把激励光集中引导到任意检测点 ， 同时探头另一束光导纤维传出被激发的萤光 ， 通过光电转换 ， 变成 电信号加 以记录 ， 从而反 映出示 踪物在探头所在点的浓度变化规律 ， 也 就间接地反映了液体的流动状况 。 系统中被测定点的示 踪物浓度变化规律是 一个随机变量 ， 若 以示 踪物注 入 时 刻为 时间起点 。 ， 则某一个检测点的示踪物浓度变化规律如图 所示

可用数学期望（均值）和方差来描述随机变量C(t)的基本特征。 数学期望即均值： tC(t)dt 0c= 0 C(t)dt 0 日c的物理含义为示踪物的质量中心的时间座标，故义叫平均停留时间。 随机变量C(t)的方差为： (t-0c)*C(t)dt S&=J0 C(t)dt t2C(t)dt S8- Jo -0c2 C(t)dt Sc表示随机变量C(t)与其质量中心的偏离程度。 通过光电转换技术，以输出电压信号U(t)来反映示踪物浓度时，如系统中存在U(t) KC(t)的线性关系，则可用U(t)曲线计算平均停留时间c或方差Sc,与用C(t)曲线结· 果是相同的。即： (t)dt 0u= =0c [U(t)dt KC(t)dt S= tUat KC(dt -0c2 KC(t)dt 3。测试设备 试验模型和测试装置示意图如图2、3。测试系统的调试主要是找出在多大的激励光电 压下，示踪物浓度与输出信号电压的线性关系。多次试验证明，当激励光电压为130V时， 中闻包示踪剂浓度在0一0.8Ppm,与输出电压成线性关系（如图4）。因此，在试验中必 须保持中间包内检测点溶液最大浓度不超过0.8Ppm。 4。数据处理 调整并启动仪器，将若丹明B溶液迅速加入大包钢流进入中间包，函数记录仪记录检 测点处（水口处)浓度变化曲线（图5）。为了方便，把连续函数转化为离散性函数进行 计算。具体方法是：将示踪剂注入时刻为起点t=0,终点为U(t)恢复为原始值的时刻。 将整个曲线分为几个△t的等分，得出相应的Ui(t)值。 41

可用数学期望 均值 和方差来描述 随机变量 的基本特征 。 数学期望 即均值 。 象吧 一 。 ‘” ’ 氏 的物理含 义为示踪物的质量 中心 的时 间座标 ， 故又 叫平均停留时间 。 随机变量 的方差为 急 节黔竺 急 瓷 一 。 表示随机变量 与其质量 中心 的偏离程度 。 通过光 电转换技术 ， 以输出电压信号 来反 映示 踪物浓度 时 ， 如系统中 存 在 的线性关系 ， 则 可用 曲线计算平均停留时间氏或方差 ， 与 用 曲 线 结 果是相同的 。 即 一 一 毛头一一一一一 性么－－ ，一 和乳一广饰 口口口 合 【尸 了 “ ’‘ ’ 一 。 。 橄丝塑些 一 。 。 测试设备 试验模型 和测试装置示意图如图 、 。 测试 系统的调试 主要是找 出在多大的激励光 电 压下 ， 示 踪物浓度与输 出信号 电压的线性关系 。 多次试验证明 ， 当激励光 电 压为 时 ， 中间包示踪剂浓度在 一 ， 与输出电压成线性关系 如图 。 因此 ， 在试验 中 必 须保持 中间包内检测点溶液最大浓度不超过 。 。 数据处理 调 整 并启动仪器 ， 将若丹 明 溶液迅 速加入 大包钢流进入 中间 包 ， 函数记录仪记录检 测 点处 水 口 处 浓度变化 曲线 图 。 为 了方 便 ， 把连 续函数 转化为离散性 函数 进 行 计算 。 具体方法是 将示 踪剂注入 时刻为起点 ， 终 点为 恢复为原始值 的 时 刻 。 将整 个 曲线分 为几个 △ 的等分 ， 得 出相应 的 值

n △tΣiUi(t) i=1 0c= Ui() i=1 △t2iUi(W) S=1#1 -0c2 n Ui(t) i=1 图3测试仪器棍图 1,稳压电源2，澈励光源3，入射光游光片4，光导纤维源 5,探头6，滤光片7，光电转换放大电路8，变压稳压电源 9,函数记录仪 10,中间包模型 10 V=130V 巾间包 H 5 0 0.20.40.60.81.0 C,PPm 图2试验棋型示意图 图4系统的C一U曲线 100 150200250300350400450600 时问t,S 图5实例U(t)-t曲线

△ 艺 艺二 △ 艺 彦 一三二三一一一一一一 一 艺 图 测试仪器框图 ，稳压 电源 激励光源 ’ 人 射光沁光片 ， 光导纤维源 ，探头 ， 薄光片 ，光电转换放大电路 ， 变压稳压 电源 ， 函 数记录仪 ， 中间 包模型 卜 日 巾间包 护 百 币而厂 图 试验模型示意图 ， 图 系统的 一 曲线 ︺︵︺ ‘，八 ︸ 合﹄ 口， 甘 口内 互 口的 口叫 如 图 实例 一 曲线

每个试验重复四次，计算算术平均值，即为平均停留时间。 注流 n 100 80 B型 100 图6不同挡墙形状及位置示意图 三、试验结果与讨论 试验了不同因素对平均停留时间的影响。这些因素是： (1)泷量Q,模型流量选择5.1,8.5,13.5,16.9,20.31/min,分别模拟相当的拉速 为0.3,0.5,0.8,1.0,1.2m/min。 (2)中间包液面高度H:100,150,200,250,300mm。(实际高度是乘3)。 (3)中间包挡墙形状和安放位置。（图6） ()大包钢水注入方式：敝开浇注和保护套管浇注两种。 试验结果如下： 1,流量和液面高度对石的影响 由实验测定的U(t)曲线计算的日如图7。由图可知，流量增加（相当于拉速增加）， 43

每个试验重复四次 ， 计算算术平均值 ， 即为平均停留时间 。 注 流 端晰棘娜以 口口虱 双 一 刀 ，卜瓜睁 图 不同挡墙形状及位置示意图 三 、 试验结果与讨论 试验 了不 同因素对平均停留时间的影响 。 这些 因素是 流量 模型流量选择 ， ， ， ， ， 分别模拟相当的拉速 为 。 ， 。 ， 。 ， 。 ， 。 中间包液面 高度 ， ， ， ， 。 实际高度是 乘 中间包挡墙形状和安放位置 。 图 大包钢水注入方式 敝开浇注和保护套管浇注两种 。 试验结果如下 流 和液面 高度对 百的影响 由实验测 定的 曲线计算的 如 图 。 由图可知 ， 流量增加 相 当于 拉 速 增 加