连铸中间包内钢液流动及其控制

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1991.s1.013 北京科技大学学报 第13卷第4(【)期 Vol.13No.4(I) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1991 连铸中间包内钢液流动及其控制 包燕平·徐保美·曲英·张洪· 摘要：对连，中间包内钢液流动现象进行了水模拟研究和速度分布测量。研究表明，注 入的钢流下降时吸收周围液体，形成扩张角10°~12°的射流，是中间包内流动的动量源。挡墙 设置能改变钢液流动方向，是控制钢液泼动的有效手段。对不同类型的挡墙设置方案，用示踪 剂分布方法测量了流动特点及夹杂物的去除率，探讨了合理的挡墙设置位置。 关键词：流体流动，中间包，LDA,停留时间分布 Fluid Flow Phenomena in the Tundishes and Their Controlt Bao Yanping'Xu Baomei Qu Ying'Zhang Hong ABSTRACT:The fluid flow phenomena in the bath of a rectangular tundish are studied in a water model,based on the dimensionless Fr and Re similarity cri- teria.The velocity vectors distribution diagrams are measured with LDA under two work conditions,which one is a bath with dam and weir and another is dam-free.The momentum source of flow motion in the bath of tundish is the downward stream.The velocity of liquid stream is recorded by a high speed camera.The stream injects the surrounding liquid and forms a liquid-liquid jet with spread angle 10~12.The jet strikes the bottom of the tundish and then becomes the spread out flow.The dam can cut off the bottom flow and conve- rts the flow route.The residence time distribution curves of the flow in two 1991-05-06收稿 ·治金系(Department of Metallurgy) +国家自然科学基金资助项目 (The Project Supported by National Nature Science Foundation of China) 83

第 卷第 期 北 京 科 年 月 技 大 学 学 报 。 。 连铸 中间包内钢液流动及其控制 包燕平 ’ 徐保美 ’ 曲 英 ’ 张 洪 ’ 肠‘ 摘 要 对连铸 中间包 内钢液流动现象进行 了水模拟研究和速 度分布测量 。 研究表明 ，注 入 的钢流下降时吸收周围液体 ，形成扩张 角 “ 一 。 的射流 ， 是中间包 内统动 的动量 源 。 挡墙 设置能改变钢液流动 方 向 ， 是控制钢液流动 的有效手段 。 对不 同 类型 的挡墙 设置 方案 ， 用示踪 剂 分布方法测量 了流 动特点及夹 杂 物 的去除率 ，探 讨了合理 的挡墙设置位 置 。 关健 词 流体流 动 ， 中间包 ， ，停留时间分布 目 ￡ 拄 夕 月 夕 ， 。 住 ， 一 。 扭 一 “ 一 。 。 ， 又 一 一 收稿 ‘ 甸 冶金 系 国家 自然 科学基金资助项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．s1．013

tundishes with different work conditions are measured.The flow distances are changed,so the separation efficiency of particles from liquid is also changed owing to arrangement of different dams and weirs.A higher dam or two dams are more effective for delay the bottom flow.The optimum arrangement of dam and weir is discussed, KEY WORDS:fluid flow,tundish,LDA,residence time distribution 中间包内钢液流动是中间包治金的基础问题，钢液成分和温度的均匀性、非金属夹杂物 的排除都和钢液流动有关。用数值模拟法对中间包流场的研究已有多篇论文：1~7]发表，但 其结果有较大分歧。而实际测量的流场数据很少，例如，还没有发表完整的实测速度矢量分 布图。因而对不同的计算流场也难以判断。 利用挡墙来改进中间包内钢水的流动，现在已成为国内外连铸机操作中的常用方法。我 们过去的研究(1中表明；下挡墙(dam)可以阻碍包底的股流，促使夹杂物上浮；上挡墙 (wei)可阻止顶部渣被注流卷吸。然而对于上下挡墙的设置位置和高度，还缺乏必要的研 究。为此，对两种中间包的水模型作了不同类型的挡墙设置方案的试验，以探讨挡墙设置的 合理位置和对去除夹杂物的影响。 1实验方法 水模型所模拟的对象有二个中间包：A为1250mm×210m世板坯连铸机所用，拉速0.4~ 1.2m/mn;B为1000mm×180mm板坯连铸机所用，拉速0.7~1.0m/min。相似谁则为原型 和模型的Froude数相等，因此： 速度比u'/u=K12 流量比Q'1Q=Ks2 A包选用1：3模型，K=1/3;B包选用1：2模型，K=1/2。表1为两种中间包模型和原型的 主要参数。 表1中间包主要参数 Table 1 Parameters of the tundishes 中间包 A 中间包B 模，型 原 型 枝型 原型 中间包长度（底部），mm 700 2100 1714 3428 中间包宽度（底部），mm 200 600 289 578 培池深度，mm 250 750 300 600 出入钢流间距，mm 500 1500 1188 2376 水口直径，mm 30 60 20 40 注入流速度，cm/小 ① 77.2 133.7 108.0 152.8 回 99.2 171.9 一 液体流率，m3/h ① 0.810 12.62 2.13 12.03 (拉速0.7m/min) (拉速1m/min) ② 0.992 15.46 一 一 (拉点0.9m/min) 84

且 ， 五 扭 切 。 ， ， ， 中间包 内钢液流 动是中间包冶金 的基础问题 ， 钢液成分和温度的 均匀性 、 非金属夹杂 物 的排除都和钢液流动有关 。 用 数值模拟法 对 中间包流场的研究已有多篇 论 文 〔 ‘ 一 ’ 发表 ， 但 其结果有较大分歧 。 而 实际测量的流场数据很少 ， 例如 ， 还没 有发表完整 的实测速 度矢 量分 布图 。 因而对不 同的计算流场也难以判断 。 利用挡墙来 改进中间包内钢水的流动 ， 现在已成为 国内外连铸机操作 中的常用 方法 。 我 们过去 的研究 〔 ‘ ’ 表明 下挡墙 可以阻碍 包底的股流 ， 促 使 夹 杂 物 上 浮 上挡墙 可阻 止顶部渣被注流卷吸 。 然而对于上下挡墙的设置位置和高度 ， 还缺乏必要的研 究 。 为此 ， 对两种中间包的 水模型 作 了不 同类型的 挡墙设 置方案的试验 ， 以探讨挡墙设置的 合理位置和对去除夹杂物的影 响 。 实 验 方 法 水模型所模拟的对象有二个 中间包蓄 为 川板坯连铸机所用 ， 拉速 一 。 为 。 。 。 。 。 。 板坯连铸机 所用 ， 拉速 。 一 。 。 。 相 似准则为原型 和模型的 数相等 ， 因此 速度 比 “ ‘ “ 二 ‘ 流量比 声 ‘ 包选用 模型 ， 二 包选用 模型 ， 二 。 表 为 两种 中间包模 型 和原型的 主要参数 。 表 中 间 包 主 要 参 教 中 间 包 中 间 包 模 型 原 型 模 型 原 型 一一 一 一 － 一－ －－ － 一 一 － 一 中间包长度 底部 ， 。 － － 中间包宽度 ‘底部 ， 二 熔池深度 ， 出 人钢沈间距 ， 水 口直径 ， 注入流速度 ， 液体流率 ， 勺 。 一 。 ② 。 。 。 。 一 。 。 拉速 。 。 一 拉速 。 。 。 拉速 ①②

用聚氯乙烯粒子模拟夹杂物，为了使粒子的运动轨迹与原型中相似，应该保证液体作用 于粒子的力（浮力F:和摩擦阻力F)相似。浮力Fg=4πr8(p,-P,)g/3:摩阻力F。= C。Apw2/2。在模型与原型中相似时： F/FB=F/Fp 可得： ()/(）-ě0 在流动相似时C6/Cp=1;设粒子均为球形，则A'/A=(r'/r)2;为保证粒子相对于液体运 动速度相等，可得： (1-p5/p)/(1-ps/p)=r/r'=K, 已知钢液密度为7080kg/m3，水密度1000kg/m3,A12○3密度3400kg/m8,SiO,密度2500 kg/m3,代入上式可得： pg=1-0.58K, 对于不同的K,可选适当的P的粒子来模拟夹杂物。本试验利用粒子发泡程度以获得所需 要的密度。塑料粒子用阶跃加入方法，每次随钢流加入粒子数量W。,然后在中间包水口下 收集粒子的捕集量W,夹杂上浮率)。可定义为： 7p=(1-W,/W,)×100% 中间包内钢水的停留时间分布用电导法测定。将4mo1/LKC1溶液以脉冲方式加入中间包的 注入流，在水口处用DDS-11型电导仪测量KC1浓度随时间的变化，用X-Y记录仪画出停留 时间分布函数曲线。 流速测量用DANTEC产三光束二维激光测速仪(LDA-I0),前透镜焦距选600mm,每 个测点采集二组数，每组数采150个样。对于注入钢流，在染色后用NAC产的E-10高速摄影 机拍摄了照片，拍摄速度500幅/s。 2 实验结果和讨论 图1为无挡墙的中间包内流场测量结果。测量时模型流量Q'=8101/h,测量平面为沿中 间包长度方向的中心面，取为x-2面、与之垂直方向取为y。由图可见，中间包内流速分布极 不均匀，注入流区速度很高，达100cm/s以上。高速注流抽引周围液体形成射流，射流中心 以很高速度冲击包底，呈放射状向四周散开。在距离侧墙较近的三个方向形成回流，而左侧 则形成沿包底扩张的流动流向水口。水口上方相当大的体积内，流速很小且方向不稳定。 图2为设置两个挡墙的中间包内流场。上挡墙可阻止顶面回流，减少渣的卷入。下挡墙 能有效阻断包底流动，使流向转为上方，有利于夹杂物排除。这和我们过去二维流场计算的 结论相符合1？。但在上挡墙下方，由于侧墙和下挡墙形成的回流，有强烈的被下降钢流抽引 的作用。 图3为中间包注入钢液形成的液-液射流。和气体射流相似，初始阶段也有一个锥形等速 85

用聚氯乙 烯粒子 模拟夹 杂物 ， 为 了使粒子 的运动轨迹与原型 中相似 ， 应 该保证液体作 用 于 粒子 的 力 浮力 二 和摩擦阻 力尸户 相 似 。 浮 力 尸 ， 二 ” ， 一 列 ， 摩 阻 力 刀 二 。 ‘ 。 。 在模型与原型 中相似时 尸 孟 君二 。 可得 卫带群 “了 ’ ” 石 ， ， 产 ， 右 在流动相似时 到 。 二 设 粒子 均为球形 ， 则 产 二 ‘ ’ 为 保证 粒 子相对 于液 体运 动速度相等 ， 可得 一 里 一 了 已 知钢液密度为 “ ， 水密度 ， 密度 “ ， 密度 ， 代入上 式 可得 了 一 对于 不 同的 ， ， 可选适当的 的 粒子来模 拟夹 杂 物 。 本 试验利用 粒子发泡 程度以获得所需 要的密度 。 塑料 粒子用 阶跃加 入方法 ， 每次随钢流加 入粒子 数量矿 ， ， 然后在 中 间包 水 口下 收集粒子 的捕集量牙 ， ， 夹杂上浮率叭可定义为 刀， 一 牙 ， 牙 ， 中间包内钢水 的停留时 间分布用 电导法侧定 。 将 溶液 以脉冲方式 加 人 中间包的 注入流 ， 在水 口处用 一 型 电导仪测量 浓 度随 时 间的 变化 ， 用 一 记录仪画 出停留 时间分布函数曲线 。 流速侧量用 产 三光 束二 维激光测速仪 一 ， 前透镜焦距 选 ， 每 个测点采集二组数 ， 每组数采 个样 。 对 于 注人钢流 ， 在染色后用 产 的 一 高速摄影 机拍摄了照片 ， 拍摄速度 幅 。 实验结果和讨论 图 为 无挡墙的 中间包 内流场测量结果 。 测量时模型流量 ，测量平面为沿 中 间包长度 方向的 中心面 ， 取 为 一 二 面 与之垂直 方向取为 。 由图可见 ， 中间包 内流速分布极 不均 匀 ， 注入流区速度很高 ， 达 以上 。 高速 注流抽 引周 围液 体形成射流 ， 射流 中心 以很高速度冲击包底 ， 呈放射状向四周散开 。 在距离侧墙较 近的三个方 向形成回流 ， 而左 侧 则形成沿包底扩张的流动流向水 口 。 水 口上 方相 当大 的 体积 内 ， 流速 很 小且方向不稳 定 。 图 为设置两个档墙的 中间包 内流场 。 上 挡 墙可阻 止顶面回流 ， 减 少渣的 卷入 。 下挡 墙 能有效阻 断包底流 动 ， 使流向转为上 方 ， 有利于 夹杂物排除 。 这和我 们过去二 维流场计算的 结论相符 合 〔 ” 。 但在上 挡 墙下 方 ， 由于 侧墙和下挡 墙形成 的回流 ， 有强烈的被下降钢流抽 引 的作用 。 图 为中间包注入钢液形成的液 一 液射流 。 和气体射流相似 ， 初始阶段也有一个 锥形等速

图1无挡墙中间包内流场的实测值（流量0.81皿3/h培池深0.25m) Fig.1 Expcrimentally observed velocity field in dam-free model (volumetric flow rate 0.81m3/h,tundish depth 0.25m) 图2有上，下挡墙的中间包内钢液茨场（流量0.992m3/h,熔池深0.25m) Fig.2 Experimentally observed velocity field with dam and weir (volumetric flow rate 0.992m3/h,tundish depth 0.25m) 核心区。射流扩张角10°~12°，比气体射流小。由图还可看出，射流右侧形成回流，使染色 剂迅速弥散开来；而射流左侧受抽引作用的影响，染色剂被压向前后侧。这和流速测量结果 (图1、2)也是一致的。 由于激光测速耗费时间过大，对于各种类型挡墙设置的比较，我们用停留时间分布函数 曲线来估计其流动特征。对每条分布曲线求出其数学期望即为：，直接记录的示踪剂开始在 水口出现的时间为t,。应用反应器理论的组合模型9)，可求得死区体积V:及话塞流区V的 大小： VR=V。+Ve+Ve i=VR/Q Va/VR=1-7:/1 V/VR=t,/7 实验选取若干种挡墙布置方法。图4为三挡墙布置的示意图；1：，12,13均除以L值表 示为无因次长度；h1,h2,hg均除以H值表示为无因次高度。对于二挡墙布置，则取 86

尹 、 二 剖划 咨 邻邓珊 ， 妞 于 、 睡 ‘ 丁 孚奋 图 无 挡墙 中间包 内流场的实测值 流量。 。 熔池深 。 了 一 ， 引川飞列下 到习门 ，肚””， 护 刀了了浮 洲 ，且丫，““ ，︸卜 夕 ﹄ 电、 、 ‘尹 ， 一 尹 尹 ， ‘ 夕 ， 、、 、 、 、 了‘ ‘‘才了了口矛 ，口万夕才 、‘ 、 、 、 、 了 知 护、 、 一 井即 匕 二 、 ， 叭 、 子几‘、、 、、 、 飞毛 有上 ， 下挡墙的 中间包 内钢液流场 流量 ， 熔池深 。 ， 核心 区 。 射流扩张 角 。 一 。 ， 比气体射流小 。 由图还 可看 出 ， 射流右侧形成回流 ， 使染色 迅速弥散 开来 而 射流左 侧受抽 引作用 的影响 ， 染色 剂被压向前后侧 。 这和流速测量结果 图 、 也是一 致的 。 由于激光测速耗费时间过大 ， 对于各 种类型档墙设置的 比较 ， 我们用停留时间分布 函数 曲线来 估计 其流动特征 。 对每条分 布 曲线求 出其数学期望 即为 。 ， 直 接记录的示踪剂开 始在 水 口 出现的 时 间为 ， 。 应用反应 器理论 的组合模型 〔 ” ’ ， 可求得死 区体积犷 ‘ 及 活 塞 流 区 犷 ，的 大 小 犷 ， 十 。 十 犷 二 犷 ‘ 犷 一 。 犷 ， 厂 ， 实验选取若干种档墙布置方法 。 图 为 三挡 墙布置的示意 图 ， ， 均除以 值表 示为无 因次长度 ， ， 均除以 值表示为无因次高度 。 对于二挡墙布置 ， 则取

90.108 0.32s 0.,60 0.91s 1.37s 1,69 1.95 2.64 图3中间包内液-液射流形成照片 Fig.3 Formation of liquid-liquid jet in the tundish 图4挡墙布置的示意图 Fig.4 Scheme of arrangement of dam and weit 表2中间包A的实验数据(t=166.67s) Table 2 Experimental data of tundish A 挡培位置和尺寸 实验号 tp (s) te (s) 刀p% Va/Va h1 11h212 13 0.60.3 0.52 0.5 19 130,3 86,90 之 0.G0.3 中 119.4 78.20 0.25 型 0,34 0.21 16 12,1 80,32 0,34 W 0.360.2 0,340.4 0.36 0.6 30 139.0 89.20 0.166 V-1 0.40.2 0.2280.5 17 132,4 80.30 0.206 V-2 0,40.3 0,3400.6 20 132.86 81.50 0.203 V-3 0.40.40.5200.8 19 134.53 83.30 0.193 V-4 0.60.2 0.3400.8 18 133,88 81.98 0.197 V-5 0.30.3 0.5200.5 18.5 139.92 86.96 0.161 V-6 0.6 0.4 0.228 0.6 23 131.07 83.80 0,213 V-7 0.8 0.2 0.520 0.6 19 137.25 83.10 0.176 V-8 0.80,3 0.2280.8 140,32 82.90 0.158 V-9 0,80.40.3400.5 23 126.81 85,98 0.239 87

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