湍流控制器及大板坯连铸中间包结构优化

摘要

连铸技术是现代化炼钢的一个很重要的标志，中间包冶金在连铸技术中有着极其重要的地位。本课题针对大型两流板坯连铸中间包，通过采用新型控流装置—湍流控制器，进行了湍流控制器结构和中间包结构优化的物理模拟、实际中间包钢液流场数值模拟和现场实际应用研究。 通过对采用湍流控制器的两流板坯连铸中间包进行物理模拟研究，实验测定了不同结构形状和尺寸的湍流控制器对双挡墙结构的中间包和三挡墙结构的中间包流体流动的停留时间分布曲线，得到了采用不同结构和尺寸的湍流控制器的中间包的流体流动特性。大量的实验研究结果表明，湍流控制器的结构对中间包的流体流动特性有重要的影响，无檐的方形和无檐的圆形湍流控制器不利于改善中间包的流动特性，而有檐方形的湍流控制器在改善中间包的流动特性方面效果好，长宽比为1.44的湍流控制器，无论有檐或无檐，在改善中间包流动特性方面效果均不好。中间包采用合理的湍流控制器，最小停留时间增加56％，峰值时间增加70％，活塞流体积分率扩大65％，死区体积分率减小46％。湍流控制器的高度对中间包流体流动特性的影响很大，若湍流控制器的高度过大，会使中间包的流体流动特性恶化，造成峰值时间小，平均停留时间短，死区体积大。将原双挡墙结构的中间包的两块挡渣堰中心距适当减小和降低导流坝底孔高度，可避免中间包的短路流现象，进一步提高活塞流体积分率。但两块挡渣堰中心距过小时，也会使中间包的流动特性恶化。在坝-堰-坝结构的中间包中采用湍流控制器，靠近湍流控制器的坝失去了控制流体流动的作用，可以撤消这一块导流坝。在采用湍流控制器的二重堰中间包中，最佳的挡渣堰位置为两块挡渣堰的中心距为800mm(实型为2400mm)，挡渣堰与导流坝间距为83mm(实型为250mm)，导流坝底孔尺寸为20×30mm2(实型为60×90mm2)。中间包采用湍流控制器后，可以提高中间包的去除夹杂物的能力。湍流控制器的采用，改变了钢包注流冲击区的流体流动形式，从湍流控制器流出的流体，产生一个与钢包注流流动方向相反的指向液面的流动。这种流动形式的变化，使得两块挡渣堰之间的液面流动平稳，无小而急的旋涡流动产生，可以避免因此造成的卷渣。 中间包钢液流动计算机模拟结果表明，无湍流控制器的中间包，在钢包注流冲击区，钢液的流动速度较大，对包底和包壁的耐火材料产生严重的机械冲刷，易产生大颗粒外来夹杂。中间包采用湍流控制器后，降低了中间包包底和包壁附近钢液的流动速度，钢流对耐火材料的机械冲刷作用下降。在两块挡渣堰之间的钢液面，无湍流控制器时，钢液从两侧壁向内流动，在交汇处容易产生旋涡;而采用湍流控制器后，钢液从长水口向四周流动，无相互干扰，不易产生表面旋涡流动。 将优化的湍流控制器和中间包结构应用于浇注普通钢种，在金相显微镜下观察钢包钢水试样、中间包冲击区钢水试样和铸坯中的非金属夹杂物形状、尺寸及数量，结果表明，钢中夹杂物主要为不规则形状的高熔点非金属夹杂物和球状的硅酸盐夹杂物组成。在钢包钢水试样中，观察到大尺寸的不规则形状非金属夹杂物和球状硅酸盐夹杂物，最大尺寸达到300μm×300μm和直径达到190μm。在中间包冲击区钢水试样中，大颗粒不规则形状的非金属夹杂物尺寸在80μm×80μm到220μm×140μm的范围，球状硅酸盐夹杂物直径达到100μm。中间包未安装湍流控制器时，铸坯中存在有尺寸为30μm～100μm的不规则形状的非金属夹杂物和直径达到60μm～190μm的大尺寸的球状硅酸盐夹杂物。当中间包采用湍流控制器进行浇铸时，铸坯中主要观察到10μm～25μm左右的不规则形状非金属夹杂物，铸坯中的球状夹杂物直径主要在10μm～20μm范围，未观察到大于30μm直径的球状硅酸盐夹杂物。这表明中间包采用湍流控制器后，有利于中间包钢水中的大尺寸不规则形状的非金属夹杂物和球状夹杂物上浮排除。对铸坯试样进行大样电解，结果表明，中间包无湍流控制器时，铸坯试样的夹杂物指数为8.8mg/10kg～31.88mg/10kg，平均夹杂物指数为18.58mg/10kg;而中间包采用湍流控制器后，铸坯试样的夹杂物指数为3.96mg/10kg～15.20mg/10kg，平均夹杂物指数为10.28mg/10kg，铸坯试样平均夹杂物指数降低了45％。 将优化的湍流控制器和中间包结构应用于浇注品种钢，测定了钢包钢水、中间包钢水和铸坯中的氮、氧含量以及考察了非金属夹杂物形态、尺寸大小、种类和数量。中间包中采用湍流控制器，防止了钢水的飞溅和高速注流对钢水液面的冲击搅动，可以防止开浇时钢水从大气中吸氮和吸氧。中间包无湍流控制器时，开浇时，中间包钢水[N]含量比钢包钢水[N]含量增加9ppm，表明在开浇过程，发生了严重的钢水吸氮和吸氧现象。而中间包有湍流控制器时，中间包钢水[N]含量与钢包钢水[N]含量相差不大，表明湍流控制器的采用，避免了开浇时钢水的吸氮吸氧。在连铸中间包采用湍流控制器进行浇注，可以显著降低铸坯非金属夹杂物的数量，促进大颗粒夹杂物上浮排除，提高铸坯质量。中间包有湍流控制器时，在观察的铸坯中，非金属夹杂物颗粒总数仅为1158个，夹杂物面积占视场总面积的比例为0.1897％,与中间包无湍流控制器的情况比，夹杂物颗粒数下降了49％，夹杂物面积比降低了73％，而且铸坯中未观察到了40μm和50μm的夹杂物。采用湍流控制器进行浇注，对不同的浇次的铸坯夹杂物总数和夹杂物面积比均有较大的降低，特别是对第一浇次的铸坯夹杂物总数和夹杂物面积比降低最大。对于品种钢浇注，当中间包无湍流控制器时，铸坯中的夹杂物指数为6.09mg/10kg。中间包采用湍流控制器后，铸坯夹杂物指数下降为3.99mg/10kg。品种钢铸坯的平均夹杂物指数降低了34％。中间包采用湍流控制器进行浇注，可以避免卷渣和防止钢包高速注流对中间包包衬的冲刷，提高铸坯质量。中间包无湍流控制器时，铸坯中的夹杂物以三氧化二铝、氮化钛和氧化铁为主，还发现有CaO、MgO夹杂物，说明在浇注过程发生了卷渣或包衬被冲刷现象。当中间包有湍流控制器时，铸坯中的夹杂物以三氧化二铝和氧化铁为主，有少量的氮化钛和硫化铁夹杂物，未发现有CaO、MgO夹杂物。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪言

1.1连铸工艺的优越性

1.2连铸技术的历史发展

1.3我国的连铸技术发展

1.4本课题研究的目的和意义

1.5本课题的研究内容

第二章中间包应用各种控流装置的技术

2.1大容量中间包

2.2中间包采用堰和坝

2.2中间包采用导流隔墙及过滤器

2.3中间包采用湍流控制器

2.4中间包吹氩

第三章中间包结构优化模拟方法

3.1中间包流动过程模拟实验的相似准数及理论基础

3.2模型中间包和原型中间包参数间的关系

3.2.1速度关系

3.2.2流量关系

3.2.3时间关系

3.3中间包物理模拟实验设备

3.3.1原型中间包几何尺寸

3.3.2模型中间包几何尺寸

3.3.3模拟实验设备

3.4中间包物理模拟实验方法

3.4.1停留时间分布曲线测定

3.4.2实验数据处理方法

3.4.3中间包流体流动状态显示方法

3.5中间包物理模拟实验方案

3.5.1方形湍流控制器编号及内型尺寸

3.5.2矩形湍流控制器编号及内型尺寸

3.5.3圆形湍流控制器编号及内型尺寸

3.5.4圆弧侧壁湍流控制器编号及内型尺寸

3.5.5波纹底编号及尺寸

3.6中间包钢液流动数学模拟方法及方案

3.7小结

第四章湍流控制器结构及中间包结构优化物理模拟

4.1双挡墙中间包

4.2三挡墙中间包

4.3湍流控制器与双挡墙组合优化

4.4有檐方形湍流控制器边长优化

4.5湍流控制器波纹底优化

4.6脱除夹杂物模拟实验

4.7中间包流体流动状态

4.8中间包水口产生旋涡的临界液位

4.9小结

第五章有湍流控制器的中间包钢液流动的数学模拟

5.1控制方程

5.1.1连续方程

5.1.2动量方程

5.1.3 k-ε双方程模型

5.1.4壁面函数

5.2边界条件

5.2.1自由表面

5.2.2固体壁面

5.2.3对称面

5.2.4近壁区

5.2.5入口和出口

5.3数值求解

5.4数学模拟结果与讨论

5.4.1无流动控制时的中间包流动特征

5.4.2双挡墙结构的中间包流动特征

5.4.3采用湍流控制器的中间包流动特征

5.5小结

第六章中间包应用湍流控制器的工业实验研究

6.1取样方法及实验方案

6.2第一批实验结果及讨论

6.2.1钢包钢水中的非金属夹杂物

6.2.2中间包冲击区钢水中的夹杂物

6.2.3铸坯中的夹杂物

6.2.4铸坯大样电解结果

6.3第二批实验结果及讨论

6.3.1 RH-TB和中间包钢水[N]含量

6.3.2铸坯中[N]和T[O]含量

6.3.3铸坯中的夹杂物数量

6.3.4铸坯中的夹杂物组成

6.3.5铸坯大样电解检验结果

6.4小结

第七章结论

7.1中间包应用湍流控制器物理模拟及数学模拟

7.2中间包应用湍流控制器工业实验

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的学术论文