Strömungsfeld in einem Strangguss-Tundish mit einem neuartigen Einzelinduktionserhitzer

¹ ABSTRAKT:Tundish mitInduktionsheizungGerät hat in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit in der Stahlerzeugung auf sich gezogen.Die doppelte Induktionsheizung wird eine große Tundish-Kapazität einnehmen, was folglich die Leistung des Stahlwerks verringert.In der vorliegenden Arbeit wurde eine Ein-Induktionsheiz-Tundish-Technologie vorgestellt.Seine Strömungscharakteristik wird durch Wassermodellierung untersucht, wobei sowohl nicht-isotherme als auch isotherme Betriebssituationen berücksichtigt und mit denen eines Doppelinduktionserhitzers verglichen werden.Die Ergebnisse zeigen, dass die Fließkonsistenz zwischen verschiedenen Strängen beim Einfach-Induktionserhitzer etwas schwächer ist als beim Doppel-Induktionserhitzer.Trotzdem kann das optimierte Gehäuse mit seinem Totvolumenanteil von 15 % und der Mindestbruchzeit von 92s die industrielle Anforderung vollumfänglich erfüllen.

SCHLÜSSELWÖRTER:Tundish mit Induktionserwärmung vom Kanaltyp;Single-Induktionsheizung;Strömungsfeld;

1.Einführung

Tundish ist ein wichtiges metallurgisches Gefäß im Stranggussprozess, um geschmolzenen Stahl zwischen Pfanne und Kokille zu verteilen, die Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse zu fördern und folglich die Oberfläche und die innere Qualität von Gussstücken zu verbessern [1-6].Während des Gießvorgangs sinkt die Temperatur des geschmolzenen Stahls jedoch aufgrund von Wärmeverlust sowohl in der Pfanne als auch in der Gießpfanne erheblich, was zu einer Änderung der Gießgeschwindigkeit für einen reibungslosen Betrieb und einer Instabilität des Flüssigkeitsflusses in der Gießpfanne und Kokille führt.Um das Gießen unter einer gegebenen konstanten Temperatur konstant zu halten, wurde in den letzten Jahren der Erwärmungstechnologie von geschmolzenem Stahl durch Plasmakanonen oder Induktionskanäle in Tundish mehr und mehr Aufmerksamkeit geschenkt.Unter dieser Situation kann erwartet werden, dass sowohl die Oberflächenqualität als auch eine gleichbleibende innere Qualität für Gussprodukte erreicht werden.Aufgrund der Installation des Induktionsheizgeräts wird jedoch das effektive Volumen einer Gießpfanne abgeleitet und die Fließeigenschaften des Fluids variieren im Vergleich zu einer herkömmlichen Gießpfanne.

In einem Stahlwerk in China ist ein 7-Strang-Tundish mit symmetrischem Induktionsheizkanal im Einsatz, in dem hochwertige Wälzlager- und Federstähle hergestellt werden.Die Industriepfade ergaben jedoch, dass die nichtmetallischen Einschlüsse in den Knüppeln von Strang2 und Strang6 mehr sind als in anderen Strängen, was vermutlich das Ergebnis einer irrationalen Tundish-Struktur bei der Übernahme des Induktionskanals ist.Daher wurde von uns eine Strukturoptimierung durchgeführt und ein optimiertes Gehäuse auf Basis des Doppelinduktionsheizers bereitgestellt.Im Vergleich zur Prototypstruktur wurde der Totzonenvolumenanteil des optimierten Gehäuses um 30.16 % verringert und die durchschnittliche Verweilzeit um 278 s verlängert.Um das effektive Volumen des Verteilers zu vergrößern und die Produktionseffizienz zu erhöhen, wird erwartet, dass in diesem Stahlwerk eine Einzelinduktionsheizung eingesetzt wird.Daher wird in der vorliegenden Arbeit die Struktur dieses 7-Strang-Tundishs mit Einzelinduktionserhitzer durch ein physikalisches Modell optimiert und die Strömungseigenschaften und das Verhalten der Flüssigkeit darin aufgezeigt, was für eine bessere Anwendung von Vorteil ist innovatives Schiff in der Industrie.

Sein Schema ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Gießkammer und die Austragskammer sind durch die Heizkanäle verbunden, und zwei Heizer sind um die Kanäle herum angeordnet.Der geschmolzene Stahl fließt nur durch die Kanäle von der Gießkammer in die Austragskammer.

Abbildung 1.Schema des Tundishs [8]

3. Ergebnisse und Diskussionen

3.1Für neinon-isothermes Experiment

Im industriellen Betrieb wird die Stahlschmelze beim Durchströmen des Induktionskanals erhitzt.Unterschiedliche elektrische Leistungen erzeugen unterschiedliche Heizeffekte.Um die Auswirkungen der Induktionserwärmung auf die Flüssigkeitsströmung zu beobachten, wurden nicht-isotherme Experimente mit verschiedenen Temperaturunterschieden ( = 0, 5, 10, 20, 30 °C) Flüssigkeit wurden zunächst für den Prototyp-Tundish mit Einzelinduktionsheizung (5º Kanalneigung nach oben, 300 mm vom Kanalausgang bis zur Tundish-Bodenoberfläche) durchgeführt.Das strukturelle Schema ist in Abbildung 2 gezeigt. Unter Annahme der Umgebungstemperatur von Wasser, um den geschmolzenen Stahl zu modellieren, ohne außerhalb des Kanals erhitzt zu werden, wurden verschiedene Temperaturen von heißem Wasser aus dem Kanaleinlass injiziert.Das Versuchsschema ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 2 Strukturschemata des Verteilers mit Einzelinduktionserhitzer

Table 1. Schema des nicht-isothermen Experiments.

Die charakteristischen Fluidparameter für verschiedene Fälle sind in Tabelle 2 dargestellt und die RTD-Kurven sind in Abbildung 3 dargestellt.

Tisch2.Charakteristische Parameter nicht-isothermer Versuchsfälle.

Figur 3.RTD-Kurven des nicht-isothermen Experiments bei verschiedenenT: (a)Fall P0,T= 0°C;(b)P1, 5 °C;(c)P2, 10 °C;(d)P3, 20 °C;(e)P4, 30 °C.

Aus Tabelle 2 für den Fall P0 ( = 0 °C), nur 35 s beträgt, erreicht der Totvolumenanteil 54,58 %, was bedeutet, dass eine halbe Flüssigkeit des Tundishs langsam fließt.Der Grund kann durch die RTD-Kurven von Abbildung 3(a) wie folgt erklärt werden: die SpitzenkonzentrationenC/C₀der Stränge 2 und 6 für den Fall, dass P0 beide 5,0 überschreitet und scharfe Formen zeigt, was darauf hindeutet, dass die meisten Tracer direkt zu Auslass2 und Auslass6 fließen und einen \"Kurzschlussstrom\" bilden.Vergleich von Fall P0 mit dem Prototyp-Doppelinduktionsheizgerät Fall A0 aus der Referenz [8], der Totzone der ersteren und die Standardabweichungen und sind alle größer als die letzteren, was darauf hinweist, dass unabhängig vom Prototyp des Doppelinduktionsheizgeräts oder des Einfachinduktionsheizgeräts, ihre Strömungsfelder sind unter der Bedingung ohne Temperaturunterschied beide irrational.

Für Fall P1 ( = 5 °C), die Summe ist 45 s und die der 2^ndStrang ist 44 s lang.Außerdem gibt es einen großen Unterschied zwischen den RTD-Kurven verschiedener Stränge.Der Totzonenanteil des gesamten Tundishs beträgt jedoch nur 3,66 %, viel kleiner als im Fall P0.Mit der Zunahme der Temperaturdifferenz verlängern sich offensichtlich die minimale Pausenzeit und Spitzenzeit der Fälle P2 bis P4 und die Totzone verschwindet.

Vergleicht man die Fälle P1 bis P4, werden die RTD-Kurven von sieben Strängen konsistenter mit der Zunahme von , und die Standardabweichungen (S) in Tabelle 2 sind im Allgemeinen rückläufig.

Um das obige Phänomen zu erklären, wurde die Tintenbahn der Fälle P0 und P3 in den Fig. 4 bzw. 5 dargestellt.

Figur 4.Flugbahn der Tintenverteilung im Fall P0

Abbildung 5.Flugbahn der Tintenverteilung im Fall P3

Im Fall P0 fließt die schwarze Tinte zuerst entlang des geneigten Kanals (Abbildungen 4a).Bei 78 s verteilt sich ein Teil der Tinte auf die Badoberfläche, während der andere direkt zum Auslass2 fließt und einen \"Kurzschlussstrom\" bildet.In dieser Situation haben die nichtmetallischen Einschlüsse in diesem Strang nicht genug Zeit zum Aufschwimmen und Entfernen.Aus den Fig. 4(c) und (d) konnte die Tinte fast nicht in die Nähe des Auslasses4 fließen, während sie sich am stärksten auf beiden Seiten des Tundishs konzentrierte, was darauf hindeutet, dass der Bereich nahe dem Auslass4 die Hauptquelle der Totzone ist.Aus Tabelle 2 ist die erreicht 54,58 % und macht damit mehr als die Hälfte des Tundish-Volumens aus.zusätzlich und weisen jeweils 122,40 und 101,94 auf, was auf einen großen Unterschied in der Fließeigenschaft zwischen verschiedenen Strängen hindeutet.Optimierung der inneren Struktur des Prototypen-Tundishs mit Einzelinduktionsheizung unter der Bedingung von = 0 ist dringend erforderlich.

Aus Abbildung 5 ist die Flugbahn der Tinte im Fall P3 sehr verschieden von Fall P0, sie fließt aufgrund des thermischen Auftriebs zuerst mit dem heißen Wasser aus dem Kanal (Abbildung 5 (a)) zur Badoberfläche und sammelt sich dann im gesamten Tundish an Oberfläche (Bild 5 (b)) entsteht in diesem Fall keine Kurzschlussströmung.Danach sinkt der heiße Strom allmählich zu jedem Auslass.Da eine lange Zeit von der Oberfläche bis zum Boden des Tundishs zurückgelegt wird, wird die Verweilzeit der Flüssigkeit stark erhöht.Außerdem sinkt die heiße Strömung vollständig ab, wodurch das Totvolumen dieses Gehäuses verschwindet.

3.2ZumIsothermes Experiment

Wie in der Referenz [8] beschrieben, verringert sich der Temperaturunterschied des geschmolzenen Stahls innerhalb und außerhalb des Induktionskanals, wenn die Induktionserwärmung von Tundish für eine gewisse Zeit läuft, bis sie verschwindet.Zu diesem Zeitpunkt wird der geschmolzene Stahl im Tundish zu einem isothermen Fluss.Darüber hinaus wird für einige Sonderstahlsorten wie Lager- und Federstähle aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel das Induktionserwärmungsverfahren eingesetzt.Bei normalen Stahlsorten wird die Heizfunktion der Kanäle nicht ausgeführt.In dieser Situation ist der Fluss von geschmolzenem Stahl durch den Kanal ebenfalls isotherm.Daher ist für die strukturelle Optimierung eines Tundishs mit Einzelinduktionsheizung das isotherme Experiment des Wassermodells notwendig.

Basierend auf den Ergebnissen des Doppel-Induktionsheizers [8] ist das Gehäuse des Einfach-Induktionsheizers wie folgt ausgelegt: Der Induktionskanal ist horizontal angeordnet und wird auf 340 mm von der Bodenfläche des Tundishs entfernt, die beiden Dämme bei Jede Seite des Tundishs ist symmetrisch zwischen den Auslässen verteilt, Damm1 befindet sich an der Position 375mm zum Auslass2, Damm2 ist bei 240mm zum Auslass3.Die Höhen der Dämme sind jeweils mit 0, 340, 420 und 500 mm angeordnet, und das Versuchsschema ist in Tabelle 3 aufgeführt. Die Parameter der Strömungscharakteristik sind in Tabelle 4 dargestellt und ihre RTD-Kurven sind in Abbildung 6 dargestellt.

Tisch3.Schema des isothermen Experiments

Tisch4.Strömungskennwerte im isothermen Experiment

Abbildung 6RTD-Kurven des isothermen Experiments in verschiedenen Fällen: (a)G1;(b)G2;(c)G3;(d)G4

Aus Tabelle 4 wird die durchschnittliche Verweilzeit von Fall G1 um 292 s erhöht und der Totzonenanteil um die Hälfte im Vergleich zu Fall P0 verringert, was darauf hinweist, dass die Höhe des Induktionskanals für die Verbesserung des Strömungsfeldes günstig ist.Der Induktionskanal darf jedoch aufgrund der Grenzen der Flüssigkeitsoberfläche des Tundishs und des Verweilstahls nicht zu hoch sein.

Vergleicht man die Fälle G2 bis G4, verlängert sich die durchschnittliche Verweilzeit und der Totzonenanteil und die Spitzenkonzentration nehmen mit der Zunahme der Dammhöhe ab, was darauf hindeutet, dass der hohe Damm für die Optimierung des Strömungsfeldes dieses Tundishs von Vorteil ist.Dies liegt daran, dass die Flüssigkeit aufgrund der Führung des Hochdamms nach oben und nicht direkt zu Auslass2 und Auslass6 fließt.In dieser Situation wird das kurz zirkulierende Fließen eliminiert.Die Fließparameter von Fall G3 sind denen von Fall G4 nahe, daher wird angenommen, dass Fall G3 unter Berücksichtigung der tatsächlichen Produktion und der Menge an Reststahl optimal ist.

Aus den RTD-Kurven in Abbildung 6 ist der Unterschied zwischen verschiedenen Strängen relativ groß, da der Satz von Einzelinduktionsheizgeräten das Strömungsfeld an beiden Seiten der Entladungskammer des Tundishs asymmetrisch macht.

4. Schlussfolgerung

Die Fließeigenschaften für einen innovativen Gießtundish mit kanalartiger Einzelinduktionsheizung werden durch die Wassermodellmethode auf der Grundlage isothermer und nicht-isothermer Arbeitsbedingungen des Tundishs aufgedeckt und das optimale Strömungssteuerungsdesign wird vorgeschlagen.Folgende Schlussfolgerungen werden gezogen:

In der nicht-isothermen Situation strömt die Flüssigkeit aus dem Heizkanal nach oben direkt zur Flüssigkeitsoberfläche, was für die Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse in Stahl potenziell günstig ist.Je größer der Temperaturunterschied innerhalb und außerhalb des Heizkanals ist, desto deutlicher steigt der Durchfluss.Wenn die Temperaturdifferenz 10 °C erreicht, wird die Totzone des Tundishs vollständig eliminiert, und die minimale Verweilzeit der Flüssigkeit und die durchschnittliche Verweilzeit erreichen 353 s bzw. 1067 s, viel länger als ohne Temperaturunterschied .

Unter der isothermen Situation können die Höhe des Induktionskanals und die Reihe von Doppeldämmen im Verteiler den Anteil der Totzone reduzieren, und der hohe Damm hat einen Vorteil gegenüber dem niedrigen Damm.Der Totzonenanteil der Fälle G3 und G4 wird von 45,57 % im Prototyp-Tundish und 54,58 % im Fall P0 auf unter 16 % gesenkt.Unter Berücksichtigung der Höhe der Flüssigkeitsoberfläche und der Reststahlmenge im Tundish kann der Fall G3 (Höhe Induktionskanal 340 mm, Höhe zwei Dämme 420 mm) als optimale Wahl für eine tatsächliche Produktion angesehen werden.

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