CN112517897A - 一种分体式中间包湍流控制器 - Google Patents

Abstract

一种分体式中间包湍流控制器，包括中间包本体和外置控流区两部分。外置控流区包括控制器上部、控制器下部以及腔室。本发明通过在外置控流区加入湍流控制器，使钢液从长水口进入湍流控制器，冲击底部控制器下部产生强烈向上回流，而后由控制器上部挡住向上冲击的钢液流，使之向下沿外置控流区底部流动，而后从湍流控制器与外置控流区壁面之间向上流出外置控流区，最后流向中间包本体。本湍流控制器一方面削弱钢液的湍流强度降低湍动能，降低了钢液对渣金界面的冲击；另一方面能削弱钢液进入中间包主体的速度，增大活塞流体积，减少死区体积，提高钢液的停留时间，为夹杂物去除创造良好的流场，更有利于夹杂物的上浮去除。

Description

一种分体式中间包湍流控制器

技术领域

本发明属于连续铸造技术领域，具体涉及一种分体式中间包湍流控制器。

背景技术

现代钢铁企业为了提高生产效率通常采用连续浇注技术。在连铸过程中，中间包内钢液经滑动水口、浸入式水口进入结晶器内，利用塞棒和滑动水口配合实现对中间包至结晶器的钢液注入量和结晶器内钢液的流动行为的控制，对于稳定操作及保证铸坯质量有着非常重要的意义。在中间包众多冶金功能中夹杂物的去除程度一直是冶金工作者着重关注的部分。对钢水连铸来说，中间包内控流装置的优化设计，对钢液的流动模式、停留时间及夹杂物去除等有重要作用。

钢液的流动状态对夹杂物的去除影响很大，钢包中钢液的流动主要分为活塞流、全混流和死区。死区的体积越大，钢包的有效容积越小，钢液的停留时间越小，不利于夹杂物上浮去除；活塞流的体积越大，钢液在钢包中流动越稳定，有利于夹杂物的上浮去除。中间包通常采用湍流控制器、挡墙挡坝、气幕挡墙等措施优化钢液流场，这些方法在一定程度上能够改善钢液的流动，减少钢液死区提高钢液的停留时间。但这些方法对注流区的流场的改善有限，并且将湍流控制器放置在中间包内对钢包渣金界面影响较大。

近年来一种分体式中间包的设计理念被提了出来，即在中间包外设置控流区，控流区通过沟槽与中间包主体相连接，将钢液的湍流控制在外置控流区，减弱了钢液通过长水口注流对中间包整个流场的影响。钢液通过长水口进入外置控流区，通过一系列的方法使钢液的流速降低下来，增大活塞流区体积，减少死区体积，增大钢液的停留时间，更有利于夹杂物的上浮去除。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状问题，旨在提供一种结构简单，加工和操作简便，能够将钢液的湍动能耗散在外置控流区内，降低钢液进入中间包的流速，避免钢水飞溅和钢液裸露，提高中间包活塞流体积，提高钢液的停留时间，为夹杂物的上浮去除创造良好的条件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分体式中间包湍流控制器，包括控制器上部、腔室、控制器下部及外置控流区，所述外置控流区和中间包本体通过沟槽连接，外置控流区为一端开口的圆筒结构，外流控制区底板上表面设置有控制器下部，控制器下部上方设置有控制器上部，控制器上部与控制器下部之间形成腔室，控制器上部顶部设置有与控制器上部连通的长水口，且控制器上部与长水口一体成型，长水口与钢水包出口连接。

所述中间包本体为敞开式方体结构，且中间包本体底板两端开设有中间包出口，底板中间向内突出形成凸台，凸台位于两个中间包出口之间，沿凸台宽边设置有挡坝，两个挡坝之间对称设置有挡墙，挡墙端部与中间包本体的长板内侧面连接。

所述长水口、控制器上部与控制器下部三者位于同一中心线上。控制器上部内表面为圆台面，控制器上部内表面与长水口轴线之间的夹角θ₁为0～30°，控制器下部内表面为圆台面，控制器下部内表面与长水口轴线之间的夹角θ₂为0～30°。

所述控制器下部高度H₃≤腔室高度H₄的二分之一，控制器上部高度H₂>腔室高度H₄的二分之一，控制器下部高度H₃与控制器上部高度H₂之和是腔室高度H₄的0.9～1.3倍。腔室高度H₄≤外置控流区圆筒部分高度H₁的二分之一，外置控流区的高度根据实际需要调整。

所述控制器下部直径d₃大于长水口直径d₁的二倍，控制器上部直径d₂大于控制器下部直径d₃的二分之三倍，并且外置控流区内径的平方d₆ ²大于控制器上部直径平方d₂ ²的二倍。外置控流区内径d₆和外置空流区圆筒部分高度H₁的根据中间包大小需要调整。

所述沟槽侧壁与中间包本体之间的夹角θ₃为75～90°；沟槽的中心面与中间包本体和外置控流区的中心面重合，沟槽的竖直截面为矩形，截面积大小根据水口钢液流速以及水口截面积大小调节。

所述控制器上部、长水口由耐侵蚀性和使用寿命高的耐火材料制成。

所述控制器上部与控制器下部形状为圆柱体或立方体。

与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

1、相比于传统的旋流中间包，本发明将中间包旋流室安装于中间包外侧，将中间包分为湍流区和稳流区，钢液的湍动能耗散集中在外置控流区，夹杂物在钢液湍动能的作用下促进夹杂物碰撞聚合长大；在中间包本体，钢液的流动稳定，停留时间更长，有利于夹杂物的上浮去除。

2、对本发明所述的一种分体式中间包湍流控制器进行数值模拟来验证钢液的流动状态，结果表明：对比于传统的中间包，该湍流控制器对钢液流场的改变明显，活塞流区体积增大，死区减小。

3、对本发明所述的一种分体式中间包湍流控制器进行数值模拟来验证夹杂物的去除效率，结果表明：对比于传统的中间包，该气动旋流中间包对夹杂物的去除效率明显提高。

4、本发明所述的一种分体式中间包湍流控制器结构简单，可以直接在原有中间包结构的基础上对其进行改造，无需改变原有中间包的结构，配合挡墙挡坝、气幕挡墙、长水口吹氩等更好的优化中间包流场。

5、钢液从水口进入冲击控制器底部，在底部设置控制器底部装置使钢液的流动更加均匀稳定，能使钢液的湍动能耗散率大大增加并且主要在控制器内耗散。上部控制装置能够抑制从下部控制装置向上流动的钢液，从速度矢量图可以看出，钢液从控制器流出的速度大大降低，大大减弱了钢液对渣金液面的冲击，减少卷渣。

附图说明

图1本发明分体式中间包湍流控制器结构示意图；

图2本发明分体式中间包湍流控制器的外置控流区结构示意图；

图3本发明分体式中间包湍流控制器的俯视图；

图4本发明分体式中间包湍流控制器的外置控流区剖视图；

图5本发明分体式中间包湍流控制器整体剖视图；

1-长水口；201-控制器上部；202-控制器下部；203-腔室；3-外置控流区；4-沟槽；5-中间包出口；6-挡坝；7-挡墙；8-中间包本体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，一种分体式中间包湍流控制器，包括控制器上部201、腔室203、控制器下部202及外置控流区3，所述外置控流区3和中间包本体8通过沟槽4连接，外置控流区3为一端开口的圆筒结构，外流控制区底板上表面设置有控制器下部202，控制器下部202上方设置有控制器上部201，控制器上部201与控制器下部202之间形成腔室203，控制器上部201顶部设置有与控制器上部201连通的长水口1，且控制器上部201与长水口1一体成型，长水口1与钢水包出口连接。

所述中间包本体8为敞开式方体结构，且中间包本体8底板两端开设有中间包出口5，底板中间向内突出形成凸台，凸台位于两个中间包出口5之间，沿凸台宽边设置有挡坝6，两个挡坝6之间对称设置有挡墙7，挡墙7端部与中间包本体8的长板内侧面连接。

所述长水口1、控制器上部201与控制器下部202三者位于同一中心线上。控制器上部201内表面为圆台面，控制器上部201内表面与长水口1轴线之间的夹角θ₁为0～30°，控制器下部202内表面为圆台面，控制器下部202内表面与长水口1轴线之间的夹角θ₂为0～30°。

所述控制器下部202高度H₃≤腔室203高度H₄的二分之一，控制器上部201高度H₂>腔室203高度H₄的二分之一，控制器下部202高度H₃与控制器上部201高度H₂之和是腔室203高度H₄的0.9～1.3倍，腔室203高度H₄≤外置控流区3圆筒部分高度H₁的二分之一。外置控流区3的高度根据实际需要调整。

所述控制器下部202直径d₃大于长水口1直径d₁的二倍，控制器上部201直径d₂大于控制器下部202直径d₃的二分之三倍，并且外置控流区3内径的平方d₆ ²大于控制器上部201直径平方d₂ ²的二倍。外置控流区3内径d₆和外置空流区圆筒部分高度H₁的根据中间包大小需要调整。

所述沟槽4侧壁与中间包本体8之间的夹角θ₃为75～90°；沟槽4的中心面与中间包本体8和外置控流区3的中心面重合，沟槽4的竖直截面为矩形，截面积大小根据水口钢液流速以及水口截面积大小调节。

所述控制器上部201、长水口1由耐侵蚀性和使用寿命高的耐火材料制成。

所述控制器上部201与控制器下部202形状为圆柱体或立方体。

实施例1

应用水模型实验和数值模拟对分体式中间包湍流控制器的冶金效果进行研究，中间包本体8顶部长度L₆＝5500mm，宽度L₄＝1400mm，中间包本体8底部长L₅＝5000mm，宽度L₃＝1200mm，中间包本体8高度H₅＝1300mm(所示尺寸仅为中间包的流体区域，不包含耐火材料部分)；外置控流装置的内径d₆＝700mm，高度H₁＝800mm；中间包本体8与外置控流区3之间的沟槽4的长度D＝550mm，沟槽4侧壁与中间包本体8夹角θ₃＝90°，高度H₆＝200mm；长水口1的内径d₁＝100mm，控制器上部201高度H₂＝110mm，其夹角θ₁＝20°，控制器下部202高度H₃＝90mm，其夹角θ₂＝20°；腔室203高度H₄＝200mm。模拟过程中钢液流速为1m/s。

钢液从长水口1进入外置控流区3，钢液冲击控制器下部202，而后向上回流冲击控制器上部201，在控制器上部201的阻挡下向下流动冲击钢包底部，而后沿着控制器上部201和外置控流区3包壁之间的通道向上流动，通过沟槽4进入中间包本体8，最后从中间包出口5流进结晶器。由数值模拟的过程和结果显示，该结构不仅降低了死区体积，提高了活塞流体积，而且经沟槽4进入中间包本体8的钢液流股速度小且均匀，最为关键的是中间包内夹物的去除效率明显提高。

使用ANSYS有限元分析软件Fluent模拟外置控流区3钢液流动特性，在水口上部加入示踪剂，在溜槽与中间包本体8连接处监测示踪剂浓度，可得外置控流区3的RTD曲线，通过RTD曲线可以计算流体流动情况，计算结果见表1。

理论平均停留时间：

t_a＝V/Q

活塞流停留时间：

t_p＝(t_min+t_peak)/2

平均停留时间：

t_1c＝∑tC(t)/∑C(t)

t∈[0,+∞)

两倍平均停留时间：

t_2c＝∑tC(t)/∑C(t)

t∈[0,2t_a]

活塞流体积分数：

V_p＝t_p/t_a

死区体积分数：

V_d＝1-t_1c/t_2c

混合流体积分数：

V_m＝1-V_p-V_d

式中：V-外置控制室钢液体积，m³；Q-钢液体积流量，m³/s；t_min-为出口示踪剂响应时间，s；t_peak-为示踪剂峰值时间，s；t-为出口监测时间，s；C(t)—t时刻示踪剂无量纲浓度。

表1外置控流区RTD曲线分析

项目	t<sub>a</sub>	t<sub>p</sub>	t<sub>1c</sub>	t<sub>2c</sub>	V<sub>p</sub>	V<sub>d</sub>	V<sub>m</sub>
								无控制器	43.47	5.85	42.20	35.8	0.13	0.15	0.72
传统控制器	42.59	13.87	48.36	38.3	0.32	0.21	0.47
								新型控制器	42.13	18.20	42.40	38.2	0.43	0.10	0.47

其中：t_a-理论平均停留时间；t_p-活塞流停留时间；t_1c-平均停留时间；t_2c-2倍平均停留时间；V_p-活塞流体积分数；V_d-死区体积分数；V_m-混合流体积分数；

通过表1数据可以看出，本专利活塞流体积大于传统控制器和无控制器并且死区体积也小于传统控制器和无控制器。

中间包中的夹杂物主要以Al₂O₃为主，其去除率由以下公式计算：

当采用水模型实验时，采用下式计算：

其中：η-中间包内夹杂物的去除率，％；W_Trap-钢液面捕获的夹杂物的重量，kg；W_In-钢液中加入的夹杂物的重量，kg；

当采用数值模拟时，采用下式计算：

其中：η-中间包内夹杂物的去除率，％；N_Trap-钢液面捕获的夹杂物的数量，个；N_In-钢液中加入的夹杂物的数量，个。

本实施例中利用ANSYS有限元分析软件Fluent流体分析模块进行数值模拟分析，得到的结果如表2所示：

表2夹杂物去除效率的对比(％)

通过表2数据可以看出，使用本专利的中间包粒径为40、50、60、70um的夹杂物去除率较传统控制器分别提高了26.7％、35％、25.5％、3.1％，其中70um粒径的夹杂物去除率高达98.8％。

Claims (8)

1.一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于，包括控制器上部、腔室、控制器下部及外置控流区，所述外置控流区和中间包本体通过沟槽连接，外置控流区为一端开口的圆筒结构，外流控制区底板上表面设置有控制器下部，控制器下部上方设置有控制器上部，控制器上部与控制器下部之间形成腔室，控制器上部顶部设置有与控制器上部连通的长水口，且控制器上部与长水口一体成型，长水口与钢水包出口连接。

2.根据权利要求1所述的一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于：所述中间包本体为敞开式方体结构，且中间包本体底板两端开设有中间包出口，底板中间向内突出形成凸台，凸台位于两个中间包出口之间，沿凸台宽边设置有挡坝，两个挡坝之间对称设置有挡墙，挡墙端部与中间包本体的长板内侧面连接。

3.根据权利要求1所述的一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于：所述长水口、控制器上部与控制器下部三者位于同一中心线上；控制器上部内表面为圆台面，控制器上部内表面与长水口轴线之间的夹角θ₁为0～30°，控制器下部内表面为圆台面，控制器下部内表面与长水口轴线之间的夹角θ₂为0～30°。

4.根据权利要求1所述的一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于：所述控制器下部高度H₃≤腔室高度H₄的二分之一，控制器上部高度H₂>腔室高度H₄的二分之一，控制器下部高度H₃与控制器上部高度H₂之和是腔室高度H₄的0.9～1.3倍，腔室高度H₄≤外置控流区圆筒部分高度H₁的二分之一。

5.根据权利要求1所述的一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于：所述控制器下部直径d₃大于长水口直径d₁的二倍，控制器上部直径d₂大于控制器下部直径d₃的二分之三倍，并且外置控流区内径的平方d₆ ²大于控制器上部直径平方d₂ ²的二倍。

6.根据权利要求2所述的一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于：所述沟槽侧壁与中间包本体之间的夹角θ₃为75～90°；沟槽的中心面与中间包本体和外置控流区的中心面重合，沟槽的竖直截面为矩形，截面积大小根据水口钢液流速以及水口截面积大小调节。

7.根据权利要求1所述的一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于：所述控制器上部、长水口由耐侵蚀性和使用寿命高的耐火材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种分体式中间包湍流控制器，其特征在于：所述控制器上部与控制器下部形状为圆柱体或立方体。

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