浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩去夹杂行为数值模拟
刘宏强，郑淑国，朱苗勇
(东北大学冶金学院， 辽宁 沈阳 110819)
针对浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩去夹杂工艺，以国内某钢厂130 t钢包为研究对象，建立VOF-DPM耦合数学模型，考察了浇注吹氩条件下钢液流场的发展过程以及余钢高度、吹氩流量、透气塞堵塞个数对钢包浇注过程夹杂物去除的影响规律。结果表明，浇注初期，随吹氩时间增加，气液两相区逐渐增大，钢包水口上方的2个循环流逐渐变大，当吹氩时间为12 s时，钢包内形成稳定的气液两相流；随余钢高度的降低，夹杂物的去除率逐渐增加，但当余钢高度从500 mm降至250 mm范围内时，夹杂物去除率增幅变缓；随吹氩流量的增加，夹杂物去除率存在2个局部最优点(30 L/min和60 L/min)，在这2个局部最优吹氩流量前后，夹杂物的去除率均呈先增大后减小的趋势；与未堵塞相比，堵塞1个透气塞时，夹杂物的去除率相差不大，而堵塞2、3个透气塞时，夹杂物去除率下降明显。研究结果可为该工艺实际应用提供理论指导。
浇注钢包； 夹杂物； 吹氩流量； 余钢高度； 透气塞堵塞个数
连铸钢包浇注末期的下渣控制一直是困扰生产的难题之一，钢包浇注过程也是去夹杂物的关键环节。如何采取有效的措施控制下渣及促进夹杂物在该过程的进一步去除是洁净钢生产亟待解决的问题。为此，笔者提出了浇注钢包环出钢口吹氩新工艺，该新工艺通过在钢包浇注过程吹氩，达到浇注前期去除夹杂物及浇注末期控制下渣的效果；首先通过物理模拟或数值模拟研究了环形吹氩元件控制下渣的吹氩工艺参数，之后研究了浇注钢包环出钢口吹氩新工艺采用环形吹氩元件的去夹杂行为。然而，在工业应用中发现，该新工艺环形吹氩元件加工难度较大，且成本较高。为此，笔者将环形吹氩元件改为了多孔吹氩透气塞，并对浇注钢包多孔透气塞吹氩工艺的控制下渣效果开展了大生产工业试验，结果表明浇注末期钢包的残余钢量减少了40%，可见该新工艺有很好的控制下渣效果。
目前一些研究者研究了钢包浇注过程通过钢包底吹透气砖吹氩去夹杂行为。QU T P等通过数理模拟研究方法考察了浇注钢包吹氩过程中的去夹杂行为，结果表明随着吹氩时间的增加，夹杂物的去除率增加，但当钢液浇注量达到50%时应停止吹氩。程普红等通过物理模拟研究，发现钢包底吹氩前后夹杂物进入中间包的比例减小，钢水的洁净度提高。赵晨光研究了吹氩位置对浇注过程去夹杂的影响规律，认为不同的底吹透气砖位置因改变了钢液的流动状态，导致其对夹杂物的去除有影响。目前，关于浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩工艺的去夹杂行为鲜有研究报道，该工艺过程的去夹杂行为规律尚不明确。
本文针对浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩工艺，以某钢厂130 t钢包为研究对象，通过建立VOF-DPM耦合数学模型，研究了浇注吹氩条件下钢液流场的发展过程以及吹氩流量、余钢高度和透气塞堵塞个数对该新工艺过程夹杂物去除的影响规律，可为该工艺的实际应用提供理论指导。
1)浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩下，浇注初期刚开始吹氩时，在钢包水口上方形成2个小循环流，且2个循环流涡心位置较低；随吹氩时间的增加，气液两相区逐渐增大，2个循环流变大，循环流涡心位置不断升高；当吹氩时间为12 s时，钢包内形成稳定的气液两相流。
2)随余钢高度的降低，气液两相区逐渐变小，当余钢高度降至500 mm时，气液两相区两侧的循环流变得不充分；夹杂物去除率随余钢高度降低而逐渐增大，但当余钢高度从500 mm降至250 mm范围内时，夹杂物去除率增加幅度变缓。
3)随吹氩流量的增加，夹杂物去除率存在2个局部最优点，分别为30 L/min和60 L/min；在2个局部最优吹氩流量前后，夹杂物的去除率均呈先增大后减小的趋势。
4)随吹氩透气塞堵塞个数的增加，夹杂物的去除率呈减小趋势；与未堵塞相比，堵塞1个透气塞时夹杂物去除率相差不大；而堵塞2、3个透气塞时，夹杂物去除率下降明显。
刘宏强, 郑淑国, 朱苗勇. 浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩去夹杂行为数值模拟[J]. 中国冶金, 2023, 33(9): 43-51. LIU Hongqiang, ZHENG Shuguo, ZHU Miaoyong. Numerical simulation of inclusion removal behavior by argon blowing with multiple plugs around tapping hole in teeming ladle[J]. China Metallurgy, 2023, 33(9): 43-51.
http://www.zgyj.ac.cn/CN/Y2023/V33/I9/43
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