浇注末期堵流操作对中间包内钢液特性的影响分析
吴正义1，武豪1，江雪婷1，孙陶安1，夏云进1，操瑞宏1，2，邓爱军1，2
（1.安徽工业大学冶金工程学院， 安徽马鞍山 243032； 2.新余钢铁集团厚板特钢事业部， 江西新余 338001）
以某钢厂八流方坯中间包为研究对象，通过数值模拟和物理模拟互相结合及相互验证的方式对浇注末期中间包堵流操作后的温度场、流场、液面波动、死区分布以及夹杂物去除率情况进行了研究分析，综合确定了最佳堵流方案，为现场生产提供理论指导。结果表明，堵流操作会使死区体积分数达到原来的2.0～2.5倍，液面波高变化增强。其中Outlet1被堵时4号位波动最强，数值、物理模拟以及死区可视化结果下死区体积分数分别为24.9%、31.7%以及26.2%，Outlet3和Outlet4被堵时5号位波动最强，数值、物理模拟以及死区可视化结果下死区体积分数分别为23.5%、29.6%以及24.3%左右。相较于正常浇注时的死区分布情况及夹杂物去除率情况，Outlet1被堵时远流区域死区扩大、夹杂物去除率平均提高4.87 %，Outlet3被堵时中间区域死区扩大、夹杂物去除率平均提高5.29%，Outlet4被堵时近流区域死区扩大、夹杂物去除率平均提高7.61%。另外，Outlet1被堵时，数值和物理模拟下出口最大响应时间差分别为14 s和9 s，最大平均停留时间差分别为27 s和18 s，停留时间分布曲线（RTD）重合度较高，温度场也较为均匀。因此，基于多角度表征结果来看，实际生产过程中若出现必要堵流操作时，为保持中间包内钢液原有流动特性，以减少堵流操作的无序性和盲目性，堵Outlet1流为最佳方案。此外， 流体死区临界速率0.008 8 m/s可用于流体死区速率标定，其准确性通过数值模拟和物理模拟得到了相互验证。
中间包不仅是连铸生产流程中尤为重要的一环，具有分流、连浇、减压、保护等冶金作用，其更是一种间歇式的冶金反应器。为达到延长钢液停留时间、夹杂物充分上浮、换包时不减拉速、防止液面低于临界值产生漩涡、降低操作费用等目的，目前国内大部分板坯连铸机中间包容量都逐步在向大型化发展。对于多流大容积中间包而言，其中85%～90%的浇注周期都是在稳态常规浇注条件下进行的。因此，严格把控稳态常规浇注期间钢液的流动行为是重中之重。目前，对于稳态常规浇注下钢液的流动行为，许多学者在流场优化、温降控制、夹杂物去除及停留时间分布曲线（RTD）响应一致性等方面做出了较为深入的研究，提出了一系列关于挡墙、挡坝、稳流器等结构的优化方案，发展并推广了中间包底吹氩、通道式感应加热、真空中间包等技术，在钢液流动行为方面取得了良好的应用效果。但在实际生产过程中，对稳态常规浇注过程出现的间隙性非稳定状态，如浇注末期收尾坯、换包浇注、钢水供应不足、出坯困难或设备故障，若仍保持原先的生产节奏，将对中间包钢液流动特性和行为产生不利影响。由于在多流大容量连铸中间包工作过程中，当出现异常浇注状态时很难通过调控某流或某几流拉速来达到调整生产节奏的作用，特别是在浇注末期为保证中间包液位不出现快速下降，降速生产是必然选择，但最终收尾坯时必然是通过堵流（或关闭注流）的方式来实现连铸机的关机功能。为实现注流的恒定拉速浇注，在出现钢水供应不足、出坯困难、设备故障、突发事故等非常规问题时，通常是通过堵流操作来调整生产节奏。在浇注末期或事故状态下堵流操作通常会对现有中间包内钢液流动特性产生不利影响。赵鹏等通过对非定常情况下六流中间包堵流浇注研究结果表明，堵流操作会使中间包内钢液整体平均停留时间延长、死区体积降低、各流流动的一致性得到了提高。WANG X等对中间包堵流浇注下钢液的流动行为进行了数值模拟研究，结果表明水口关闭后RTD曲线一致性变差，中间包死区体积增大，小颗粒夹杂物去除率增大，大颗粒夹杂物去除率减小。文献研究了堵流对各流RTD曲线的影响，试验结果表明堵流会导致各流RTD曲线响应特性恶化，且远离钢包入水口处的注流流场和温度场不对称性更为突出。上述针对堵流浇注状态下的研究结论能在一定程度上说明堵流操作对中间包内钢液流动特性产生的影响情况，但研究目标和表征手段均较为单一，仅采用RTD曲线响应来表征钢液的流动状态，且大多研究结论为定性描述，其余如液面波动状态、中间包内死区分布等能够深入描述和表征钢液在中间包内的流动特性指标并未作出量化分析与研究。本文以某钢铁厂八流中间包为研究对象，采用数值模拟和物理模拟互相结合、相互验证的研究方法，从温度场、流场、液面波动状态、死区区域分布以及夹杂物去除率等多个角度对浇注末期非稳态生产状况下采取堵流操作后的中间包内钢液流动特性进行研究。考虑到表征技术手段对研究目标的协同验证性，全面而深入地研究非稳态状况下堵流操作浇注对连铸尾坯或事故坯质量的危害影响程度，对于在浇注末期或事故状态下提高连铸坯质量和金属收得率，减少中间包钢液铸余，指导生产操作具有实际意义。
1）堵流操作会导致钢液原流动状态和路径发生改变，钢液平均停留时间加长，中间包温降加大，但出口总温差不超过1.5 K、标准差不超过0.5，且入、出口温差均不足12 K，温度场整体较为稳定。从RTD曲线来看，Outlet1被堵时RTD曲线最好，流场较为稳定。2）堵流操作会造成液面波高变化增强。Outlet1被堵时4号位波高差最大、Outlet3和Outlet4被堵时5号位波高差最大，钢液最有可能在波高差较大的位置产生振荡性卷渣或钢液裸露。3）当堵流出口从边流到内流，中间包边流区域、中间区域、近流区域死区分别显著增加。Outlet1被堵时死区体积分数最大，为26.2%，Outlet3、Outlet4被堵时两者死区体积分数接近，均为24.2%左右，堵流下死区体积分数为未堵流时的2.0～2.5倍，这些与数值和物理模拟研究结果基本一致，故本研究所定义的流体死区临界速度0.008 8 m/s可用于流体死区速度的标定。4）堵流操作时有利于钢中夹杂物的上浮去除。各堵流试验方案下夹杂物去除率较正常浇注状态分别提高4.87%、5.29%和7.61%，其中进入到铸坯内的大型夹杂物和显微夹杂物数量均依次减少，这与工业生产验证数据较为一致。5）综合考虑，Outlet1被堵时温度场较为均匀，RTD曲线重合度较高，流场较为均匀，避免了钢液远距离流出、出口介质流动响应时间长的问题，故实际生产中为尽可能保持中间包内钢液原有流动特性，堵Outlet1流为最佳方案。
