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多炉连浇大钢锭中间包内流体流动行为研究

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摘要

大型钢锭一般指其重量大于400吨的钢锭。百万千瓦级核电常规岛整锻低压转子的重量约为170～180吨，是目前世界上所需钢锭体积最大、锻件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技术要求最高的实心锻件，需浇注约580～650吨大型钢锭。为解决低压转子在工作温度条件下的回火脆性问题，要求该类钢需进行超纯净控制。目前，国内外转子钢的生产多采用EAF-LF-VD-VCD多炉连浇工艺，通过上注法真空浇注而成。
　　 大型钢锭的浇注受冶炼炉容量的限制，须采用多炉连浇技术，但由于浇注速度大(通钢量是连铸的1.5-2.5倍)，故既同于常规连铸又有别于常规连铸。在多炉连浇大型钢锭过程中，中间包是连接钢包与钢锭模之间的中间容器，其主要功能为贮存一定量的钢水，以保证在更换钢包时实现多炉连续浇注。随着中间包冶金技术的发展，常规连铸中间包的去夹杂功能成为了冶金工业洁净钢生产的一个关键技术。即，采用大容量、深熔池、设置挡墙挡坝中间包来提高钢水在中间包内的平均停留时间，从而促使夹杂物在中间包内聚合上浮、排除。目前国内重型机械行业大型钢锭生产为满足浇注速度的要求，使用的圆形中间包虽然具有大容量、深熔池的特点，但由于其大包注点到注流出口的距离短，浇注流量大，导致钢液在包内的停留时间较短，夹杂物来不及上浮就直接进入钢锭模，没能发挥中间包去夹杂的冶金功能，降低了大型铸锻件的质量。因此，正确设计满足模铸过程多炉连浇、保证大通钢量和高去除夹杂物能力的中间包几何尺寸，对提高低压转子锻件及大型钢锭洁净度具有重要意义。
　　 本文以第一重型机械厂多炉连浇大钢锭中间包为研究对象，通过物理模拟和数理模拟实验，对不同熔池深度(H)的圆形中间包和不同中间包长度(L)的槽型中间包内钢水流动模式和夹杂物上浮状况进行了研究。针对大流量、深熔池的特点，结合现场的安装、砌墙和吊浇等因素，首次提出了有效提高多炉连浇大钢锭质量的中间包的合理几何尺寸(即L/H)，设计了新型椭圆形中间包及控流装置。现场应用证明，采用本研究结果设计的多炉连浇大钢锭新型椭圆形中间包能有效地去除钢水中非金属夹杂物，较大提高钢水洁净度，确保了低压转子锻件的成品质量。本文还通过不同湍流模型对多炉连浇大钢锭中间包内钢液流动行为和状况的预测能力的讨论和研究，建立了大钢锭圆形和椭圆形中间包的三维稳态计算模型，提出了最优湍流模型流场数值模拟方案，提高了预测能力和效果。
　　 主要的研究内容和成果如下：
　　 1、现用圆形多炉连浇大钢锭中间包的评估
　　 采用数理模拟对某重型机械厂多炉连浇大钢锭圆形中间包内钢液流动状况和夹杂物去除情况进行了评估比较，结果表明：
　　 ①圆形中间包无任何控流装置时，中间包内钢液的平均停留时间较短，死区大，夹杂物上浮率较低。
　　 ②安装控流装置后，中间包内钢液的平均停留时间虽然有所增加，但是由于大包注点至中间包出口距离过近，夹杂物来不及上浮，仍然不能达到提高钢水洁净度的要求。因此，需要对圆形中间包进行优化。
　　 2、多炉连浇大钢锭中间包结构尺寸研究
　　 首次进行了多炉连浇大钢锭中间包不同熔池深度和长高比对中间包内钢液流动行为和夹杂物上浮率的影响研究，并提出了针对大流量多炉连浇大钢锭的中间包合理的几何尺寸(论文的第一个创新点)。
　　 ①增大熔池深度和延长中间包长度都有利于夹杂物的上浮，但中间包体积相同时，延长中间包长度更有利于夹杂物上浮。
　　 ②结合钢液在中间包内的流动模式和夹杂物上浮率的结构分析认为，多炉连浇大钢锭中间包液位熔池深度应在1500mm～2000mm，长度与熔池深度之比应控制在2.0～2.7之间。
　　 3、多炉连浇大钢锭椭圆形中间包内控流装置研究
　　 结合现场实际生产情况和中间包吊运、砌砖、安放等因素设了一种新型的深熔池、大容量的椭圆形中间包，并对其控流装置进行了优化，提出了最优挡墙挡坝的安装距离和挡墙的开口位置(论文的第二个创新点)。
　　 ①通过对18组控流装置设计方案的研究，从钢液流动停留时间、流动模式和夹杂物上浮率分析研究，挡墙距离中间包底部为300mm、挡坝高度为400mm，大包注点与挡墙距离为1500mm、挡墙与挡坝距离为490mm为最优控流装置安装位置方案。
　　 ②根据前文研究结果和现场实际情况，在设计的中间包长度与熔池深度比为2.0的椭圆形中间包中对挡墙开孔位置进行了优化分析，研究结果表明，开孔位于中间包对称轴上的方案为最优方案。
　　 ③相同容量的椭圆形中间包与圆形中间包模拟结果相比可知，安装控流装置后，椭圆形中间包的开始响应时间是圆形中间包的2.5倍，钢水平均停留时间和活塞流停留时间分别延长了6％和24％，其混合流体积增大了30％；死区体积减小了28％，Vp/Vd之比增大了68％，并且没有短路流存在，夹杂物上浮率增加了17％，有效提高了钢水洁净度。
　　 4、湍流模型在大钢锭中间包内流场数值模拟中的适应性研究
　　 本文采用标准k-ε模型和Realizable k-ε模型模拟的圆形多炉连浇中间包内空况和加挡墙挡坝后的钢液流动状况，并结合物理模拟结果进行了验证，提出Realizable k-ε模型更适合深熔池、大流量的多炉连浇大钢锭中间包流场的模拟(论文的第三个创新点)：
　　 ①两种湍流模型都能用于圆形和椭圆形中间包内钢液流动状况模拟。但标准k-ε模型中粘度系数为常数，对中间包内漩涡模拟效果差；模拟圆形中间包时与物理模拟结果最大误差达50％，模拟椭圆形中间包时最大误差为56.3％。而在Realizable k-ε模型中粘度系数是一个变化量，能更准确地模拟中间包内钢液流动行为，模拟圆形中间包时与物理模拟结果最大误差减小到了9.6％，模拟椭圆形中间包时最大误差减小为16.5％。
　　 ②对比Realizable k-ε模型与物理模拟结果的比较可知，与空况相比Realizablek-ε模型对加控流装置的模拟结果与物理模拟结果更接近，其中模拟圆形中间包空况时最大误差为50％，安装控流装置后的最大误差为9.6％；模拟椭圆形中间包空况时最大误差为56.3％，安装控流装置后的最大误差为16.5％。
　　 5、椭圆形中间包现场应用
　　 根据前文研究结果，将椭圆形中间包应用到实际生产过程中。现场试验结果表明，与圆形中间包生产的钢锭相比，采用椭圆形中间包后相同材质和体积的钢锭内氧含量得到了明显减少；还对两种形状中间包生产的钢锭所制造的百万千低压转子锻件进行了无损检测和氧含量分析，结果表明：
　　 ①使用椭圆形中间包浇注后，中间包内全氧量减小了25％～33％。
　　 ②锻件单个缺陷的当量直径从2.5mm减小到了1.6mm，并不存在密集性缺。
　　 ③百万千瓦低压转子全氧量减小了30％。
　　 这说明采用椭圆形中间包大大提高了锻件的质量，更适合用于浇注超纯低压转子锻件。

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