异型不锈钢连铸中间包的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种异型不锈钢连铸中间包，其包壳内部从左到右依次设置挡坝、下挡墙、上挡墙、湍流抑制器，所述挡坝内设置塞棒，所述湍流抑制器上方设置长水口，所述上挡墙底面距离包底的距离为180?240mm，所述下挡墙顶面距离包底的高度为200?300mm，所述上挡墙中心距长水口中心的距离为550?640mm，所述下挡墙距塞棒中心的距离为550?650mm。本发明的有益效果是：通过优化挡坝和上下挡墙的尺寸和相对位置以及改变中间包包壁的倾角，减少钢水运动过程中存在的死区，使钢水浇铸过程中温度场更均匀，有利于夹杂物的上浮，形成稳定的表面水平流动，同时避免钢水对中包渣扰动过大而造成卷渣等问题。
【专利说明】
异型不锈钢连铸中间包
技术领域
[0001]本发明涉及一种异型不锈钢连铸中间包，属于不锈钢生产技术领域。
【背景技术】
[0002]不锈钢多用于装饰面板、压力容器、制品等行业，对冷热乳板卷表面质量要求非常严格。由于非金属夹杂物(如氧化物夹杂、氮化物、硫化物夹杂等)的存在，不仅降低了钢材的加工性能和力学性能，而且，严重影响了不锈钢卷的表面等级及材料的耐蚀性能。
[0003]在连续铸钢生产过程中，中间包作为连铸钢包与结晶器间的耐火材料容器，具有净化、调温、精炼等冶金功能，其内部钢水的流动状态、停留时间、温度场分布等，对钢水中非金属夹杂物的上浮具有重要影响，是影响钢坯纯净度的重要因素。
[0004]本
【申请人】于2009年建设了1250不锈钢板坯连铸机，在不改变原有厂房的条件下进行改扩建，由于受到场地限制及建厂初期技术能力不足，中间包形状设计受到制约。本
【申请人】的中间包与国内外同行的中间包相比，具有中间包长度短、容量小、熔池前等不足之处，再加上控制装置也不是很合理，从而导致钢水在中间包内不能形成稳定的表面水平流流动，容易卷渣，影响钢水纯净度及钢坯表面质量。
[0005]为解决中间包的上述问题，就应当对中间包流场和结构进行优化。
【发明内容】
[0006]本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题，提供一种新型的异型不锈钢连铸中间包，其流场和结构都比原中间包更加优化，能够有效提高提升钢水纯净度及钢坯表面质量。
[0007]本发明的改进思路为:以原有中间包为研究对象和建模依据，建立三维流动和质量传输的耦合数学模型。在此基础上，对比研究挡墙和挡坝组合单参数及其多参数优化工况，以及挡墙、挡坝和湍流抑制器配合使用工况下中间包内钢水流动的分布情况，然后选取适合该单流板坯中间包的控流装置结构和位置参数。
[0008]由于受厂房场地制约，本次优化改进是在不改变大包水口与结晶器水口中心线距离的前提条件下，对中间包的内腔容量、控流装置进行优化，以期达到减少中包死区、增加钢水停留时间、形成稳定的表面水平流动，改善浇铸温度的均匀性，以解决如下问题:
I中间包熔池深度较低，由于钢水扰动的影响，中间包内钢水难以形成稳定的表面水平流流动，钢水与中间包覆盖剂接触易发生卷渣的问题。
[0009]2中间包长度太短，宽度大，钢水在中间包内易形成死区，中间包温度均匀性差，浇铸温度波动大。
[0010]3中间包装入量小，钢水在中间包停留时间短，夹杂物上浮不够充分。
[0011]在进行优化时，首先是要建立两个数学模型，即立体动力学模型和中间包内钢水停留时间计算模型，其次是建立物理模型，最后是进行两个数学模型和物理模型的评价。
[0012]在流体动力学模型中，中间包内钢水流动行为可用连续性方程、N-S方程及标准k-ε双方程来描述。中间包内钢水停留时间计算模型中，为计算中间包内实际钢水停留时间(RTD),根据刺激-响应原理，从某时刻起Is内向中间包内注入示踪剂，并在出口实时监控示踪剂的浓度变化规律。
[0013]在建立物理模型时，常用水来模拟钢液，其原因为水容易获得且水的运动粘度与1500°C的钢水的运动粘度相当。
[0014]在评价两个数学模型和物理模型时，基于数学模拟中间包内钢水流动情况，有以下五条中间包内钢水流场优化指标:
1、死区体积比例Gd小为优；
2、中间包出口处开始显示示踪剂的时间，即滞止时间tP，较长为优；
3、大的活塞流体积比例θρ与死区体积比例0(1之比，且无短路流现象为优；
4、大的活塞流体积比例θρ与混合流体积比例之比，此为优；
5、中间包内表面活塞流稳定为优。
[0015]研究原型以本公司已经公开使用多年的不锈钢单流板坯连铸中间包作为原型中间包，其浇注断面范围为180X (1020?1260)mm2，拉速范围为1.05?1.1 m/min。由于不同断面和拉速基本不影响模拟结果，本优化研究选用浇注断面为180 X 1100 mm2，拉速选用Im/min0
[0016]本次研究首先对原型中间包进行模拟，在此基础上围绕中间包内三种不同的控流装置组合方式进行优化实验研究，其中包括:
挡坝高度和位置优化研究；
挡墙和挡坝的组合优化研究；
挡坝、挡墙以及湍流器的组合优化研究。
[0017]另外，本次研究也对中间包侧壁的倾角大小和湍流器的形状位置进行了优化研究。
[0018]对于挡墙、挡坝的位置和结构等参数变化对中间包内的钢水流动状态以及死区体积比例的影响主要考虑以下四个参数:
1、上挡墙底面距包底的距离；
2、下挡墙的高度，即下挡墙顶面距包底的高度；
3、上挡墙的位置，即上挡墙中心距长水口中心的距离；
4、下挡墙的位置，即下挡墙中心距塞棒中心的距离。
[0019]这四个参数分别对应图1中的A、B、C、D。在图1中，I为挡坝，2为塞棒，3为下挡墙，4为上挡墙，5为长水口，6为湍流抑制器。
[0020]通过对模拟结果进行分析，得出如下结论:
1、在浇注区存在一个很大的回旋区。此回旋区极大地影响了中间包的有效容积。由于存在较大的回旋区导致钢液从挡墙与挡坝之间流出后热量散失很大，使得浇注区的温度分布非常不均匀。
[0021 ] 2、上、下挡墙和挡坝之间的距离过窄。上、下挡墙到挡坝之间的距离与挡渣墙到包底的距离之比太小，这也导致钢液以较大的速度竖直向上“冲”向钢渣界面，钢液遇到渣层后速度方向来不及改变，进而导致钢液面扰动过大甚至发生卷渣。
[0022]3、中间包两侧倾角太大。由于中间包两侧倾角太大，导致从注流区流到浇铸区的钢液来不及充分均匀舒展形成活塞流就很快被中间包的侧壁“挡回”，导致温度分布的不均匀性。
[0023]4、湍流抑制器的内腔形状不合理，钢液以0.86m/s的速度由长水口垂直注入中间包后，在湍流抑制器内强烈搅拌作用及其内壁的约束作用下，形成与注流方向相反的流股流向注流区自由表面。但是由于湍流抑制器出口较小，使得经湍流抑制器后竖直向上的钢液速度太大，极有可能对渣层形成较大的扰动甚至出现“渣眼”。
[0024]因此，由数模结果可知，原型中间包的控流装置不太合理，如果对其进行合理优化，将会有效提升其冶金性能。
[0025]本发明采用的技术方案是这样的:
一种异型不锈钢连铸中间包，其包壳内部从左到右依次设置挡坝、下挡墙、上挡墙、湍流抑制器，所述挡坝内设置塞棒，所述湍流抑制器上方设置长水口，所述上挡墙底面距离包底的距离为180-240mm，所述下挡墙顶面距离包底的高度为200-300mm，所述上挡墙中心距长水口中心的距离为550_640mm，所述下挡墙距塞棒中心的距离为550_650mm。
[0026]对上述技术方案中的数据进行优选，所述上挡墙底面距离包底的距离为210mm。
[0027]对上述技术方案中的数据进行优选，所述下挡墙顶面距离包底的高度为250mm。
[0028]对上述技术方案中的数据进行优选，所述上挡墙中心距长水口中心的距离为595mm0
[0029 ]对上述技术方案中的数据进行优选，所述下挡墙距塞棒中心的距离为600mm。
[0030]对上述技术方案中的数据进行优选，所述包壳左右两侧壁的倾角为6-10°。对上述技术方案中的数据进行进一步优选，所述包壳左右两侧壁的倾角为6_10°。
[0031]对上述技术方案中的数据进行优选，所述包壳底部长度为2600-2700mm。
[0032]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
1、通过优化挡坝和上下挡墙的尺寸和相对位置以及改变中间包包壁的倾角，减少钢水从大包长水口—挡渣墙—挡渣坝—中包水口的运动过程中存在的死区，使钢水饶铸过程中温度场更均匀，有利于夹杂物的上浮，形成稳定的表面水平流动，同时避免钢水对中包渣扰动过大而造成卷渣等问题；
2、在原有中间包的基础上增加中间包长度，扩大中间包装入量，保证钢水在中间包足够的停留时间。
【附图说明】
[0033]图1是本发明的结构示意图；
图2是D值采用600mm时，钢水纵截面和横截面的速度场分布图；
图3是D值采用400mm时，钢水纵截面和横截面的速度场分布图；
图4是D值采用200mm时，钢水纵截面和横截面的速度场分布图；
图5是C值采用615mm时，钢水的速度场分布图；
图6是C值采用595_时，钢水的速度场分布图；
图7是C值采用545_时，钢水的速度场分布图；
图8是C值采用595_时，钢水的温度场分布图；
图9是中间包两侧倾角为12°时，钢水的速度场分布图； 图10是中间包两侧倾角为8°时，钢水的速度场分布图。
[0034]图中标记:
I为挡坝，2为塞棒，3为下挡墙，4为上挡墙，5为长水口，6为湍流器；
A为上挡墙底面距包底的距离；
B为下挡墙的高度，即下挡墙顶面距包底的高度；
C为上挡墙的位置，即上挡墙中心距长水口中心的距离；
D为下挡墙的位置，即下挡墙中心距塞棒中心的距离。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0036]最佳实施例:
如图1所示，一种异型不锈钢连铸中间包，其包壳内部从左到右依次设置挡坝1、下挡墙
3、上挡墙4和湍流抑制器6，所述挡坝I内设置塞棒2，所述湍流抑制器6上方设置长水口 5，所述上挡墙4底面距离包底的距离A为210mm，所述下挡墙3顶面距离包底的高度B为250mm，所述上挡墙4中心距长水口 5中心的距离C为595mm，所述下挡墙3距塞棒2中心的距离D为600mmo
[0037]所述下挡墙3距塞棒2中心的距离D是首先确定的。在确定之前，D值分别采用600mm、400mm、200mm进行了三组模拟试验，获得的钢水纵截面和横截面的速度场分布图分别如2、3、4所示。
[0038]通过上述三个速度场分布图可以看出，当挡坝I向塞棒2方向移动200mm时，明显改善了原型中间包由于挡坝I和上挡墙3、下挡墙4之间的距离过窄导致的从上挡墙3底部出来的钢水以较大速度竖直向上冲向渣钢界面的现象。从图2中可以看出，浇注区的钢液“回旋区”面积明显减少，当然对钢渣界面的扰动也有所减缓。从图3中可以看出，随着挡坝I继续向塞棒2方向移动200mm，浇注区钢液“回旋区”的面积进一步减少几乎消失，但是同时可以看出钢液从下挡墙4下部流到浇注区时大部分钢液虽然没有以较大的速度竖直的冲向钢渣界面，但是大股的钢液以一个倾斜向上的角度冲向塞棒2与钢渣界面交界处，由于现场中间包两侧倾角过大，导致塞棒2所在的横截面到包壳侧壁的空间狭小，所以大股的钢液很快碰到包壳侧壁，部分钢液不能很好地伸张为活塞流，这也导致浇注口附近的钢液不稳定。从图4中可以看出，当挡坝I继续向塞棒2方向移动200mm时，D值缩减为200mm，可以看出浇注区钢液发生严重的短路流并且死区体积变大。因此，D值以600mm为佳，这样既能减少浇注区较大的钢液“回旋区”以及缓解从上挡墙3底部流出的钢液对钢渣界面的过分扰动，同时也不至于由于挡坝I距离浇注口太近导致钢液没有足够空间发展为活塞流或者出现短路流的情况。
[0039]由于通过数模的结果进行分析发现，改变上挡墙4底面距离包底的距离A值对改善浇注区钢液“回旋区”意义不是很大，所以A值仍然采用原型中间包的210_。
[0040]综合考虑减小浇注区钢液“回旋区”的上下长度以及浇注区钢液不出现大量的短路流，所以下挡墙3顶面距离包底的高度B值采用250_为宜。
[0041]在确定上挡墙4中心距长水口 5中心的距离C值时，进行了四组试验，C分别采用615mm、595mm、545mm这三个值进行模拟。为了获得较长的平均停留时间，以及浇注区钢液较大的活塞流体积，设计了八132)3 34四组方案进行对比研究，结果如图5(六1组，(:值为615mm时钢水的速度场分布图)、图6(A2组，C值为595mm时钢水的速度场分布图)、图7(A3组，C值为545mm时钢水的速度场分布图)、图8(A4组，C值为595mm时钢水的温度场分布图)所示。从几个图所示的数模结果可以明显看出，当上挡墙4与长水口 5之间的距离C值由原型的645mm逐渐缩减为615mm、595mm时，浇注区钢液的流动情况在好转，分别如图5、6所示。当C值为595_时浇注区的钢液死区体积较小，钢液对钢渣界面的扰动也较小，如图6所示，浇注区的温度场分布也十分均匀，如图8所示。但是当C值进一步缩减为545mm时，浇注区钢液流动情况开始变坏，从图7中可以看出此时浇注区钢液对钢渣界面的扰动相对有所增大。综合考虑浇注区钢液的流动性和温度场的均匀性，C值选择595_为佳。
[0042]所述包壳底部长度为2600-2700mm。
[0043]所述包壳左右两侧壁的倾角为8°。
[0044]由于中间包两侧倾角太大会导致从注流区流到浇铸区的钢液来不及充分均匀舒展形成活塞流就很快被中间包侧壁“挡回”，形成“回旋区”；并且，中间包两侧壁较大的倾角还会使得浇铸区钢液温度极不均匀，温降也较大。所以对于中间包两侧倾角的优化根据原型和经验值设计了 12°、8°两种不同角度进行对比研究，优化结果见图9(两侧倾角为12°钢水的速度场分布图)、图10(两侧倾角为8°钢水的速度场分布图)O通过图9、10可以很明显地看出，随着中间包两侧倾角的减小，增大了浇注口左侧区域空间，显著改善了浇注口左侧钢液的流动性，从而减缓了由于空间狭小导致的浇注口附近钢液的不稳定情况。同时从图10中可以看出，两侧倾角采用8°后也减缓了浇注区钢液对钢渣界面的扰动。因此，中间包两侧倾角采用8°为佳。
[0045]经过优化之后的本发明该方案与原型中间包相比，具有如下一些效果:
1、水模型中，水在中间包中的平均停留时间增加26.4%，死区体积减少44.8%；将优化后的中间包用于生产，则中间包内的钢水死区由原来的33.9%降低至18.7%，中间包内的钢水停留时间增加由原有的546s增加至690.1 s，同时，中间包内的温度波动< 5 °C。
[0046]2、中间包内的温度均匀性大大增加，温度波动<5°C。
[0047]3、中间包的浇铸铸坯氧含量较LF氧含量的增幅由原有的13ppm降低至3ppm，后期二次污染较优化前明显降低。
[0048]3、优化后中间包的乳材产品取样结果与优化前中间包的乳材产品相比，夹杂物数量明显减少，大部分为凝固过程中析出的尺寸小于2μπι的细小夹杂物，未发现优化之前在取样中观察到的尺寸大于5μηι的大颗粒夹杂物。
[0049 ] 4、中间包投入使用后，公司产品脱皮缺陷发生率由2?3%降为I %以下。
【主权项】
1.一种异型不锈钢连铸中间包，其包壳内部从左到右依次设置挡坝(I)、下挡墙(3)、上挡墙(4)、湍流抑制器(6)，所述挡坝(I)内设置塞棒(2)，所述湍流抑制器(6)上方设置长水口(5)，其特征在于:所述上挡墙(4)底面距离包底的距离(A)为180-240mm，所述下挡墙(3)顶面距离包底的高度(B)为200-300mm，所述上挡墙(4)中心距长水口(5)中心的距离(C)为550_640mm，所述下挡墙(3)距塞棒(2)中心的距离(D)为550_650mm。2.根据权利要求1所述的异型不锈钢连铸中间包，其特征在于:所述上挡墙(4)底面距离包底的距离(A)为210mm。3.根据权利要求1所述的异型不锈钢连铸中间包，其特征在于:所述下挡墙(3)顶面距离包底的高度(B)为250mm。4.根据权利要求1所述的异型不锈钢连铸中间包，其特征在于:所述上挡墙(4)中心距长水口(5)中心的距离(C)为595mm。5.根据权利要求1所述的异型不锈钢连铸中间包，其特征在于:所述下挡墙(3)距塞棒(2)中心的距离(D)为600mm。6.根据权利要求1所述的异型不锈钢连铸中间包，其特征在于:所述包壳左右两侧壁的倾角为6-10°。7.根据权利要求6所述的异型不锈钢连铸中间包，其特征在于:所述包壳左右两侧壁的倾角为8°。8.根据权利要求1、6或7所述的异型不锈钢连铸中间包，其特征在于:所述包壳底部长度为 2600-2700_。
【文档编号】B22D41/00GK106041042SQ201610680387
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月18日
【发明人】李六, 李六一, 向阳, 胡斌, 王科, 胡平
【申请人】四川西南不锈钢有限责任公司