五流大方坯中间包流场优化及换包非稳态流体行为的模拟研究

摘要

某厂5流大方坯连铸机生产过程中,铸坯因夹杂原因的探伤不合格率偏高,并且第3流探伤不合格率明显高于其它4流,同时非稳态浇注时发现铸坯质量缺陷明显高于稳定浇注等问题。本文以该厂5流大方坯中间包为研究对象,建立数学模型研究稳态浇注时控流装置结构对中间包流场、温度场以及夹杂物去除的影响,并采用水力学实验对数值模拟的流场结果进行验证,优化中间包控流装置;此外采用VOF多相流模型对钢包更换非稳态浇注过程中间包内钢-渣-气三相流动行为进行数值模拟研究,重点考察充包过程钢-渣-气三相界面行为的变化。研究结果表明:
　　 (1)原型中间包流场不合理,流动一致性差,各流响应时间、平均停留时间差别大,并且第3流附近有短路流形成,第5流上方有较大死区存在。
　　 (2)中间包挡墙优化后,中间包流场明显改善,第3流钢液响应时间和平均停留时间显著延长,短路流消除,钢液分配较为合理,各流流动特性的一致性明显提高;圆形加檐的湍流控制器可以显著降低中间包冲击区的湍流程度和液面流动速度。
　　 (3)确定方案B4为中间包流场优化的最佳方案。优化后中间包的总体停留时间达到595.0s,活塞区体积增加4.8％、死区体积下降0.2%,第3流响应时间、平均停留时间分别增加了42.5s、264.6s,同时各流浓度的总体平均标准差-SN仅为0.0057,下降了近75%,各流一致性显著提高;同时温度场明显改善,中间包最大温降22.8K,减小了20.3%,各流之间最大温差从原型3.7K缩至1.4K:中间包内夹杂物去除率也明显提高,粒径为10～100μm的夹杂物去除率相应的提高了0.9%～8.3%,其中粒径100μm时去除率高达94.4%。
　　 (4)钢包更换过程空包结束时中间包液面下降至最低位置,除出水口附近外其他区域钢液流动较弱,中间包中钢-渣-气三相界面清晰平稳,未出现相互卷混现象;充包过程冲击区内钢液搅动强劲、钢液面波动明显,并在长水口前后形成两个波峰,同时出现钢/气卷混、钢/渣卷混以及钢液裸露现象,其中充包4.0s时裸露面积最大值252cm2,随后逐渐减小。
　　 (5)充包过程中,冲击区钢液裸露面积随水口注入流量增加而增大,而注入流量为1.5Qsteady则可完全避免钢液裸露出现;长水口插入深度增加冲击区液面波动幅度缓慢减小,插入深度310mm时钢液裸露面积相对最小;采用方案B2控流装置优化后,冲击区中钢液面的两个波峰消失,波动幅度明显减弱,同时未出现钢液裸露;随换包时间增加冲击区内裸露面积逐渐增加,其中2min增加到3min时增加不明显,而当换包时间增加到4min时稳定期裸露面积维持在500cm2以上,远大于换包时间2min、3min时的150～170cm2,另外空包液面下降过低造成充包过程部分覆盖渣穿过导流孔加剧钢渣卷混;换包时长水口采用破渣器保护,可以避免中间包覆盖渣的大量渣滴卷入中间包熔池中。