八钢十机十流小方坯中间包流场优化与实践

张怀忠，穆保安，黄正华，张建春，刘旭峰，范正洁

（1.新疆八一钢铁股份有限公司；2.宝山钢铁股份有限公司）

八钢十机十流小方坯中间包流场优化与实践

张怀忠1，穆保安1，黄正华1，张建春2，刘旭峰2，范正洁2

（1.新疆八一钢铁股份有限公司；2.宝山钢铁股份有限公司）

文章介绍了应用三维湍流流动的数学模型及计算机模拟技术，对八钢十机十流小方坯连铸中间包流场和温度场进行的数值模拟研究。通过研究找出最优的中间包内部控流结构，提高钢液在中间包内的平均停留时间，减少各流间出口钢水温差。优化后的方案在42CrMoA钢的生产实践中取得了良好效果。

数学模拟；连铸；中间包；流场

中间包冶金最重要的两个功能是去除夹杂和调整温度，中间包内流体流动特性对其内非金属夹杂物的上浮及均匀钢水温度起着至关重要的作用，合理的控流装置是得到理想流动特性的关键保证[1]。

八钢第一炼钢厂十机十流小方坯连铸机在42CrMoA等优钢的生产过程中存在夹杂物超标的问题，其中小方坯夹杂物总和多为2级。

工艺流程：转炉→LF炉外精炼→5流中间包（2个中间包左右对称）→10流塞棒自动浇注连铸。通过中间包内部结构的优化，应用数值模拟手段，模拟不同中间包内部控流结构下流场的分布，找到最优方案，优化中间包内流场，降低连铸坯夹杂物水平。

1　中间包结构研究方法及模型设定条件

现阶段的连铸生产中，中间包是钢包与结晶器之间重要的连接设备，在连铸生产过程中起着十分重要的作用[2]。中间包流场的优化仅靠经验与实验进行研发，研发周期长、成本高，而且不易找到原因[3]。计算机数值模拟的方法得到了快速的发展。文章介绍应用数学模拟手段建立八钢五流中间包的三维数值模型，计算各种情况下中间包内钢液的流动、传热、平均停留时间等，从而找出最优的中间包内部结构，提高钢液在中间包内停留时间，促使大颗粒夹杂上浮排除，改善连铸钢水、铸坯及最终产品的质量。

中间包主体框架不变，从左到右依次为1、2、3、4、5流。在此基础上提出两种控流优化方案（图1）。

图1　中间包结构示意图

计算边界条件设定：中间包内流体流动模型的基本假设和边界条件，根据文献和实际情况确定。鉴于模型的对称性，取模型的二分之一进行计算：（1）在上表面的自由液面上，把该边界处理为自由滑移壁面；（2）设流体在出口处充分发展，采用质量边界条件，即出口处与入口处质量守恒；（3）固体壁面上的边界条件的处理。在壁面附近的流体计算，一般可以采用低雷诺数的模型或壁面函数法。研究中采用壁面函数法；（4）中间包内钢水流动为稳定态；（5）忽略表面渣层的影响；（6）入口边界条件。入口定义在长水口入口处,入口钢水速度根据连铸机拉速和质量守恒计算确定，方向垂直于入口。

2　不同中间包内流场数值模拟方案对比

2.1原中间包内流场

原中间包内流场数值模拟结果如图2所示。

从原中包的流动来看，钢水进入中间包后，大部分钢流沿底部铺散，小部分的钢水在中间包中段浮起，很快又落回包底，这使得钢水不能有效上浮，整个中间包液面不够活跃，钢水与中间包渣的有效交换不多。

图2　原中间包内流场数值模拟示意图

从原中包的温度场来看，与中包内流动是对应的，在中间包的远端存在较大的冷区，包底极端温度只有1468℃。因此，中间包需要通过优化控流装置来增加钢水和渣面的接触，同时也要疏导过热钢水到中间包远端侧，减少包内的冷区，提高最低温度。

2.2方案1中间包内流场

方案1中间包内流场数值模拟结果见图3。

图3　方案1中间包内流场数值模拟示意图

从方案1的图3看出，钢水进入中间包后，首先在冲击区混匀，再通过控流挡墙上的开孔导出。钢水在前2/3段得到强制上浮，与原中包相比，钢水与液面的渣接触机率增加，有效交换增多，但之后钢水又快速下沉。从方案1图3中的温度场来看，与流动对应，钢水通过挡墙上的导流孔强制上浮，过热钢水被推送到钢包的远端侧，但钢水在2/3段后快速下沉，远端侧依然不是很活跃。但在远端侧的包底极端温度提高到了1484℃。

另外，此方案存在从导流孔出来的钢水直接冲向包壁，对耐火材料冲刷，降低中包寿命。

2.3方案2中间包内流场

方案2中间包内流场数值模拟结果见图4。

图4　方案2中间包内流场数值模拟示意图

从优化方案2的流动来看，钢水进入中间包后，首先在冲击区混匀，再通过控流挡墙上的开孔导出。钢水在前2/3段得到强制上浮，与原中包相比，钢水与液面的渣接触机率增加，有效交换增多。与优化方案1相比，在中间包的后段加设了一个挡坝，强制钢水在末端再次上浮，增加与渣面的接触几率。

从优化方案2的温度场来看，与流动对应，钢水通过挡墙上的导流孔强制上浮，过热钢水被推送到钢包的远端侧，与优化方案1相比，钢水在2/3段被矮坝托举，在远端侧钢水温度提升，极端温度提高到了1496℃。方案2避免了方案1可能存在着从导流孔出来的高温过热钢水对包壁的冲击隐患。

2.4不同方案下平均停留时间与温度场计算结果对比

通过计算，得到稳定的流场和温度场后，加入一定浓度的示踪剂，开始计算瞬态的中间包流场和温度场，同时计算示踪剂在中间包中的扩散方程，并分别监测1流和5流处出口示踪剂浓度变化（RTD），将图中数据整理分析，得出不同方案下平均停留时间与温度场数据（见表1、表2）。

表1　不同方案下死区、活塞流区、混合流区的计算结果

表2　不同方案下中间包内的温度场计算结果

对比现场使用的中间包，其冲击区容积很小，不到整包的5%，流股的回流速度大，不利于夹杂物的上浮。且容易在冲击区湍动过分，诱发二次吸气。从RTD数据来看，原包近端的5流和远端的1流差异比较大，近端过热钢水还没有得到充分停留就进入了浇注口，远端钢水的活跃性差，使得整个中间包的死区较大，达到25.9%。从优化方案1的平均停留时间来看，缩小了5流和1流的停留时间差异，远端侧的钢水不活跃也有所改善，死区比例减小。从优化方案2的平均停留时间来看，是更进一步的缩小了5流和1流的停留时间差异，整个包内的死区比例降到了一个新的水平。

原中包方案中间包各流出口钢水温度最大差为3K，整个中间包内的最低温度在远端的后角部，最低温度为1741K；方案1在冲击区内钢水的温度较高，最低温度1757K，各流出口钢水温度最大温差为2 K；方案2进一步得到优化，最低温度1769K，各流之间的温度也基本相同，最大温差为1 K，温度场更加均匀。

通过对3种不同中间包内部结构工艺数值模拟的比较，方案2中间包内部结构效果最优。

3　方案2在生产42CrMoA钢中的实践

通过对3种不同中间包内部结构的数值模拟，确定采用方案2进行42CrMoA钢的生产试验。

在八钢十机十流小方坯连铸机中间包内部结构优化前后，跟踪了42CrMoA钢中的夹杂物水平，在原有中间包结构时夹杂物水平多为2级，甚至达到2.5级。改用方案2中间包内部结构后，测得的低倍组织结构，钢中夹杂物水平有效的控制在1级以内（见表3），同时中间包的增[N]量控制在5×10-6以内，连铸坯的洁净度得到了有效提高。

表3　方案2中包42CrMoA钢低倍与夹杂物情况

4　结论

（1）采用方案2中间包内部结构，钢水流场分布更加合理，增加了钢水在中间包内的平均停留时间，同时缩短了近端5流与远端1流间的停留时间差异，减小了死区比例，有利于夹杂物的去除，确保了中间包的冶金效果。

（2）采用方案2中间包内部结构，中间包内钢水温度稳定，各流间最大温差1K，满足了连铸生产对钢水成分及温度的稳定、均匀要求。

生产实践表明：采用方案2中间包内部结构，钢水夹杂物水平控制在了1级以内，中间包增[N]量控制在5×10-6以下，相应提高了铸坯质量，实现了优化改进的目的，达到了预期效果。

[1]刘大方，施哲，詹树华，等.五流非对称结构中间包流动及传热特征数值模拟[J].钢铁钒钛，2006，27(2)：38～42.

[2]谢健,朱苗勇.五流T型中间包内控流装置优化的水模型实验[J].材料与冶金学报，2002，4：285～289.

[2]刘中兴，贺友多.五流中间包结构研究.包头钢铁学院学报[J]，1999，18（2）：130～133.

Practice and Optimization of Flow Field in Tundish of 10-strand Billet Continuous Casting in Bayi Steel

ZHANGHuai-zhong1，MUBao-an1，HUANGZheng-hua1，ZHANGJian-chun2，Liu Xu-feng2，FANZheng-jie2
（1.XinjiangBayi Iron&Steel Co.,Ltd.；2.Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.）

In the research,the flow fields and temperature distribution of molten steel 10-strand tundish in Bayi Steel were investigated bymathematical simulation.The condition offlowofsteel in the tundish with different baffles perform a vital role in lengthening the residence time ofsteel and decreasing temperature difference between all tundish outlets.On this basis,presenting some optimization programs for the tundish's construction.The best optimization program in production practice ofthe 42CrMoAsteel has achieved good results.

mathematical simulation；continuous casting；tundish;flowfields

TF777.3

B

1672—4224（2016）02—0034—04

联系人：张怀忠，男，37岁，本科，工程师，乌鲁木齐（830022）新疆八一钢铁股份有限公司炼钢厂

E-mail:zhanghz1@bygt.com.cn