多爐連澆大鋼錠中間包內(nèi)流體流動行為研究.pdf

1、大型鋼錠一般指其重量大于400噸的鋼錠。百萬千瓦級核電常規(guī)島整鍛低壓轉(zhuǎn)子的重量約為170～180噸，是目前世界上所需鋼錠體積最大、鍛件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技術(shù)要求最高的實心鍛件，需澆注約580～650噸大型鋼錠。為解決低壓轉(zhuǎn)子在工作溫度條件下的回火脆性問題，要求該類鋼需進行超純凈控制。目前，國內(nèi)外轉(zhuǎn)子鋼的生產(chǎn)多采用EAF-LF-VD-VCD多爐連澆工藝，通過上注法真空澆注而成。
　　 大型鋼錠的澆注受冶煉爐容量的限制，須

2、采用多爐連澆技術(shù)，但由于澆注速度大(通鋼量是連鑄的1.5-2.5倍)，故既同于常規(guī)連鑄又有別于常規(guī)連鑄。在多爐連澆大型鋼錠過程中，中間包是連接鋼包與鋼錠模之間的中間容器，其主要功能為貯存一定量的鋼水，以保證在更換鋼包時實現(xiàn)多爐連續(xù)澆注。隨著中間包冶金技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)連鑄中間包的去夾雜功能成為了冶金工業(yè)潔凈鋼生產(chǎn)的一個關(guān)鍵技術(shù)。即，采用大容量、深熔池、設(shè)置擋墻擋壩中間包來提高鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時間，從而促使夾雜物在中間包內(nèi)聚合上浮、

3、排除。目前國內(nèi)重型機械行業(yè)大型鋼錠生產(chǎn)為滿足澆注速度的要求，使用的圓形中間包雖然具有大容量、深熔池的特點，但由于其大包注點到注流出口的距離短，澆注流量大，導致鋼液在包內(nèi)的停留時間較短，夾雜物來不及上浮就直接進入鋼錠模，沒能發(fā)揮中間包去夾雜的冶金功能，降低了大型鑄鍛件的質(zhì)量。因此，正確設(shè)計滿足模鑄過程多爐連澆、保證大通鋼量和高去除夾雜物能力的中間包幾何尺寸，對提高低壓轉(zhuǎn)子鍛件及大型鋼錠潔凈度具有重要意義。
　　 本文以第一重型機械

4、廠多爐連澆大鋼錠中間包為研究對象，通過物理模擬和數(shù)理模擬實驗，對不同熔池深度(H)的圓形中間包和不同中間包長度(L)的槽型中間包內(nèi)鋼水流動模式和夾雜物上浮狀況進行了研究。針對大流量、深熔池的特點，結(jié)合現(xiàn)場的安裝、砌墻和吊澆等因素，首次提出了有效提高多爐連澆大鋼錠質(zhì)量的中間包的合理幾何尺寸(即L/H)，設(shè)計了新型橢圓形中間包及控流裝置?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，采用本研究結(jié)果設(shè)計的多爐連澆大鋼錠新型橢圓形中間包能有效地去除鋼水中非金屬夾雜物，較大提高

5、鋼水潔凈度，確保了低壓轉(zhuǎn)子鍛件的成品質(zhì)量。本文還通過不同湍流模型對多爐連澆大鋼錠中間包內(nèi)鋼液流動行為和狀況的預測能力的討論和研究，建立了大鋼錠圓形和橢圓形中間包的三維穩(wěn)態(tài)計算模型，提出了最優(yōu)湍流模型流場數(shù)值模擬方案，提高了預測能力和效果。
　　 主要的研究內(nèi)容和成果如下：
　　 1、現(xiàn)用圓形多爐連澆大鋼錠中間包的評估
　　 采用數(shù)理模擬對某重型機械廠多爐連澆大鋼錠圓形中間包內(nèi)鋼液流動狀況和夾雜物去除情況進行了評估

6、比較，結(jié)果表明：
　　 ①圓形中間包無任何控流裝置時，中間包內(nèi)鋼液的平均停留時間較短，死區(qū)大，夾雜物上浮率較低。
　　 ②安裝控流裝置后，中間包內(nèi)鋼液的平均停留時間雖然有所增加，但是由于大包注點至中間包出口距離過近，夾雜物來不及上浮，仍然不能達到提高鋼水潔凈度的要求。因此，需要對圓形中間包進行優(yōu)化。
　　 2、多爐連澆大鋼錠中間包結(jié)構(gòu)尺寸研究
　　 首次進行了多爐連澆大鋼錠中間包不同熔池深度和長高比對中間

7、包內(nèi)鋼液流動行為和夾雜物上浮率的影響研究，并提出了針對大流量多爐連澆大鋼錠的中間包合理的幾何尺寸(論文的第一個創(chuàng)新點)。
　　 ①增大熔池深度和延長中間包長度都有利于夾雜物的上浮，但中間包體積相同時，延長中間包長度更有利于夾雜物上浮。
　　 ②結(jié)合鋼液在中間包內(nèi)的流動模式和夾雜物上浮率的結(jié)構(gòu)分析認為，多爐連澆大鋼錠中間包液位熔池深度應(yīng)在1500mm～2000mm，長度與熔池深度之比應(yīng)控制在2.0～2.7之間。
　　

8、 3、多爐連澆大鋼錠橢圓形中間包內(nèi)控流裝置研究
　　 結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況和中間包吊運、砌磚、安放等因素設(shè)了一種新型的深熔池、大容量的橢圓形中間包，并對其控流裝置進行了優(yōu)化，提出了最優(yōu)擋墻擋壩的安裝距離和擋墻的開口位置(論文的第二個創(chuàng)新點)。
　　 ①通過對18組控流裝置設(shè)計方案的研究，從鋼液流動停留時間、流動模式和夾雜物上浮率分析研究，擋墻距離中間包底部為300mm、擋壩高度為400mm，大包注點與擋墻距離為1500

9、mm、擋墻與擋壩距離為490mm為最優(yōu)控流裝置安裝位置方案。
　　 ②根據(jù)前文研究結(jié)果和現(xiàn)場實際情況，在設(shè)計的中間包長度與熔池深度比為2.0的橢圓形中間包中對擋墻開孔位置進行了優(yōu)化分析，研究結(jié)果表明，開孔位于中間包對稱軸上的方案為最優(yōu)方案。
　　 ③相同容量的橢圓形中間包與圓形中間包模擬結(jié)果相比可知，安裝控流裝置后，橢圓形中間包的開始響應(yīng)時間是圓形中間包的2.5倍，鋼水平均停留時間和活塞流停留時間分別延長了6％和24％，

10、其混合流體積增大了30％；死區(qū)體積減小了28％，Vp/Vd之比增大了68％，并且沒有短路流存在，夾雜物上浮率增加了17％，有效提高了鋼水潔凈度。
　　 4、湍流模型在大鋼錠中間包內(nèi)流場數(shù)值模擬中的適應(yīng)性研究
　　 本文采用標準k-ε模型和Realizable k-ε模型模擬的圓形多爐連澆中間包內(nèi)空況和加擋墻擋壩后的鋼液流動狀況，并結(jié)合物理模擬結(jié)果進行了驗證，提出Realizable k-ε模型更適合深熔池、大流量的多爐連

11、澆大鋼錠中間包流場的模擬(論文的第三個創(chuàng)新點)：
　　 ①兩種湍流模型都能用于圓形和橢圓形中間包內(nèi)鋼液流動狀況模擬。但標準k-ε模型中粘度系數(shù)為常數(shù)，對中間包內(nèi)漩渦模擬效果差；模擬圓形中間包時與物理模擬結(jié)果最大誤差達50％，模擬橢圓形中間包時最大誤差為56.3％。而在Realizable k-ε模型中粘度系數(shù)是一個變化量，能更準確地模擬中間包內(nèi)鋼液流動行為，模擬圓形中間包時與物理模擬結(jié)果最大誤差減小到了9.6％，模擬橢圓形中間包

12、時最大誤差減小為16.5％。
　　 ②對比Realizable k-ε模型與物理模擬結(jié)果的比較可知，與空況相比Realizablek-ε模型對加控流裝置的模擬結(jié)果與物理模擬結(jié)果更接近，其中模擬圓形中間包空況時最大誤差為50％，安裝控流裝置后的最大誤差為9.6％；模擬橢圓形中間包空況時最大誤差為56.3％，安裝控流裝置后的最大誤差為16.5％。
　　 5、橢圓形中間包現(xiàn)場應(yīng)用
　　 根據(jù)前文研究結(jié)果，將橢圓形中間包

13、應(yīng)用到實際生產(chǎn)過程中?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，與圓形中間包生產(chǎn)的鋼錠相比，采用橢圓形中間包后相同材質(zhì)和體積的鋼錠內(nèi)氧含量得到了明顯減少；還對兩種形狀中間包生產(chǎn)的鋼錠所制造的百萬千低壓轉(zhuǎn)子鍛件進行了無損檢測和氧含量分析，結(jié)果表明：
　　 ①使用橢圓形中間包澆注后，中間包內(nèi)全氧量減小了25％～33％。
　　 ②鍛件單個缺陷的當量直徑從2.5mm減小到了1.6mm，并不存在密集性缺。
　　 ③百萬千瓦低壓轉(zhuǎn)子全氧量減小了30