（钢铁冶金专业论文）八流中间包控流装置的优化研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 中间包冶金是连铸工艺过程中的重要环节，其主要的冶金作用是通过设置控流装置， 调整钢液流动状态，以达到均匀温度和促进非金属央杂物上浮的效果。为此，许多研究者 采用了数值计算和水模型实验的方法，对中间包内钢液的流动及其控制进行了研究。 本文以某钢厂八流连铸中问包为研究对象，运用物理模拟和数值仿真的方法，对中问 包内控流装置进行了系统、定量地分析与研究、优化了中间包的控流装置。 物理模拟采用“刺激响应”的实验技术，运用标准差作为评价指标，对流体在不同控流 装置下中间包内的平均停留时问进行了分析，运用冶金反应器模型，对两种控流装置条件 下中间包内的活塞流区( v p ) 、全混流区( v m ) 和死区( v d ) 进行了研究；数值模拟采用 k s 双方程模型，应用p h o e n i c s 商业软件计算中间包内钢液的三维流场。分析了冲击 板、导流墙等不同控流元件对流场的影响。讨论了控流装置优化前后钢液流动特征、温度 分布及流线分布。 结果表明，在无控流装置的情况下，中间包为狭长形，自注入水口处开始，钢液流经 1 、2 群水口后再流向3 撑、销水口。必然会导致各水口间的停留时间、浇注温度出现较大的 差别，直接影响了铸坯的质量。为了优化中间包内的流场，中间包需要设计合理的控流装 置。 优化控流装置条件下，中间包内增加了一个冲击区，改善了中间包内的流体流动特性， 延长了钢液进入1 样流和2 j i | 流的时间，使中间包内各流的停留时间趋于一致。注流经过多 个回流区，有利于成分和温度的均匀化，也有利于夹杂物的上浮去除。计算显示优化后中 问包各出水口的钢液温度在1 4 9 5 1 4 9 8 左右，各流出口温差很小。四个水口的流体流动 特征相似，响应时间、停留时间和峰值相差不大，中间包的死区体积仅为5 6 。由卷渣实 验表明，优化控流装置条件下的流动不会造成卷渣现象，有利于提高中间包连浇率，改善铸 坯的质量。 关键词：中间包；控流装置；物理模拟；数值模拟；优化 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sav i t a ll i n ki nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ，t u n d i s hm e t a l l u r g y sp r i n c i p a lf u n c t i o ni s t oa d j u s tt h ec o n d i t i o no ft h ef l u i df l o wb ys e t t i n g so ff l o wc o n t r o ld e v i c e s ，w i t hp u r p o s e so ft h e t e m p e r a t u r eo ft h em o l t e ns t e e lm o r eu n i f o r ma n dt h er e m o v a le f f e c to fn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s b e t t e r t h e r e f o r e 1 0 t so fr e s e a r c h e r se x p l o r e dt h ef l o wa n dc o n t r o lo ft h em o l t e ns t e e li n t u n d i s h e s ，a d o p t i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d ss u c ha sm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o na n dw a t e rm o d e l i n g n i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho na ne i g h t s t r a n dt u n d i s hi nas t e e lp l a n t t h em e t h o d so f p h y s i c a lm o d e l i n ga n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o na r ea d o p t e dt oa n a l y z ea n ds t u d yt h ef l o w c o n t r o ld e v i c e si nt u n d i s h e ss y s t e m a t i c a l l ya n dq u a n t i t a t i v e l y , t h e nt oo p t i m i z et h e s ed e v i c e s “s t i m u l a t e - r e s p o n s e e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ei sa p p l i e di nt h ep h y s i c a lm o d e l i n gw i t ha s t a n d a r dd e v i a t i o na sa ne v a l u a t i o ni n d e x ，t oa n a l y z et h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo ft h em o l t e n s t e e li nt u n d i s h e sw i t hd i f f e r e n tk i n d so ff l o wc o n t r o ld e v i c e s t h ed e a dz o n ev o l u m e ( 圪) ， m i x e dv o l u m e ( ) a n dp l u gf l o wv o l u m e ( 巧) i nt u n d i s h e sa r ea l s oc a r d e do u tb yu s i n gt h e m o d e lo fm e t a l l u r g i c a lr e a c t o r t h ek - t w o e q u a t i o nm o d e li si n t r o d u c e di nt h em a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o na n dt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ep h o e n i c si su s e dt oc a l c u l a t et h et h r e e - d i m e n s i o n a l f l o wf i e l di nt u n d i s h e s a n dw ea n a l y z et h ee f f e c to nt h ef i e l d sc a u s e db yd i f f e r e n tf l o wc o n t r o l d e v i c e ss u c ha sd a m s ，i m p a c tp l a t e s ，b a f f l e sa n dg u i d eh o l e s ，a n dd i s c u s st h ef e a t u r eo ft h e m o l t e ns t e e lf l o w , t h ed i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r ea n ds t r e a m l i n eb e t w e e np r e - a n dp o s tt h e s e s e t t i n g s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s 。t h ec o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s 。晒e nt h en a r r o wa n dl o n g r e c t a n g u l a rt u n d i s hi sw i t h o u tf l o wc o n t r o ld e v i c e s ，t h em o l t e ns t e e ls t a r t i n gf r o mt h ee n t r y n o z z l er u n sf o r w a r d3 i f j n o z z l e t h e n4 撑n o z z l ef r o m1 撑a n d2 撑n o z z l e s a ni n e v i t a b l er e s u l ti s t h a tag r e a t e rd i f f e r e n c ei nr e s i d e n c et i m ea n dc a s t i n gt e m p e r a t u r em a yo c c u r , i n f l u e n c i n gt h e q u a l i t y o fs l a b sd i r e c t l y f o rt h eb e t t e rp r o d u c t i o n ，t h ef l o wc o n t r o ld e v i c e so ft h et u n d i s hn e e dt o b ed e s i g n e dr e a s o n a b l y i nt h ec o n d i t i o no ft h eo p t i m i z a t i o no ff l o wc o n t r o ld e v i c e sw i t ha ni m p a c tz o n ea d d e di n t o t h et u n d i s h i ti m p r o v e st h ef l o wp r o p r i e t i e sa n de x t e n d st h et i m ei nw h i c ht h ef l o we n t e r si n t o t h el 撑a n d2 撑n o z z l e s m a k i n gt h er e s i d e n c et i m eo fe a c hn o z z l et e n dt ob eu n i f o r m t h ef l o w t h r o u g han u m b e ro fr e c i r c u l a t i o nz o n e si s i nf a v o ro ft h eu n i f o r mo fc o m p o s i t i o n sa n d t e m p e r a t u r ea n da l s oi sb e n e f i c i a lt ot h er e m o v a lo fi n c l u s i o n s c a l c u l a t i o n ss h o w st h a te a c h o u t l e t st e m p e r a t u r eo ft h em o l t e ns t e e lk e e p sf r o m14 9 5 t o14 9 8 w i t hab i to ft e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ee x c 印tt h ei m p a c tz o n e t h ef l o wp r o p r i e t i e so ft h ef o u rn o z z l e sa r es i m i l a ra n dt h e r e s p o n s et i m e ，t h er e s i d e n c et i m ea n dt h ep e a kv a l u ea r ea l m o s tt h es a m e t h ed e a dz o n ev o l u m e i nt h et u n d i s ha c c o u n t sf o ro n l y5 6 t h eo p t i m i z a t i o no ff l o wc o n t r o ld e v i c e sc a nn o tr e s u l ti n t h es l a ge n t r a p m e n t ，i n c r e a s et h es e q u e n c er a t eo ft h et u n d i s ha n di m p r o v et h eq u a l i t yo fs l a b s k e y w o r d ：t u n d i s h ；f l o wc o n t r o ld e v i c e s ；p h y s i c a lm o d e l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：三阻日期。严 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 1 1 我国连铸技术的发展 连续浇铸是浇注工艺的一个重要革命，它与传统的模铸相比有如下的优点：基建投资 和操作费用可节省4 0 ；占地面积可减少5 0 ；设备费用可降低7 0 ；耐材消耗可降低 1 5 ；成材率可提高6 - - - 1 0 ：产量可提高1 0 ；可实现高度的自动化和质量控制等。 我国在连铸技术开发研究方面也是起步较早和应用连铸技术较早的国家之一。2 0 世纪 5 0 年代中期，当连铸技术在前苏联、英国、意大利、加拿大等国进入工业性实验阶段时， 我国即着手进行实验研究工作。1 9 5 6 年我国在当时的重工业部钢铁综合研究所建成了直径 8 0 m m 的圆坯半连铸实验装置；1 9 5 7 年在上海钢铁公司中心实验室建成一台高架立式方坯 连铸机：1 9 5 8 年在唐山钢铁厂建成了第一台工业生产的立式连铸机，同年在重庆第三钢铁 厂建成投产一台两机两流，配合3 0t 转炉，浇铸1 7 5 m m x 2 5 0 m m 矩形坯的立式连铸机；1 9 6 0 年在唐山钢铁厂建成一机一流，配合5 t 转炉浇铸1 5 0 m m x l 5 0 m m 小方坯的立式连铸机。 虽然我国是连铸生产起步较早的国家，但由于2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代我国的炼钢 厂以平炉炼钢为主，平炉炼钢生产节奏慢，不适应连铸生产；另外，我国发展的连铸机型 大多为立式连铸机，生产效率低。因此，我国连铸生产的发展极其缓慢，到1 9 7 8 年我国 的钢产量为3 1 7 8 力t ，其中平炉钢1 1 2 7 万t ，占总钢产量的3 5 4 6 ，连铸比仅为3 5 。 为了改变我国连铸生产发展的落后状况，1 9 7 4 年，我国从原西德施罗德一西马克和德 马克公司引进了3 套弧形板坯连铸机；1 9 8 0 年，我国又与原西德曼内斯曼一德马克公司签 定了引进小方坯连铸设备及技术转让与合作制造合同，在国内增建一批旨在浇铸9 0 m m x 9 0 m m ，1 2 0 m m x l 2 0 m m 及1 5 0 m m x l 5 0 m m 的小方坯连铸机。 这些引进的具有国际先进水平的连铸机，装备水平高，为我国引进和消化连铸技术， 提高连铸技术水平，开辟了新的途径，大大促进了我国连铸生产的发展。同时为了加快连 铸生产的发展，我国从2 0 世纪8 0 年代起，加快了淘汰平炉炼钢的步伐。 我国台湾省的连铸技术水平也相当高。1 9 9 9 年台湾全省连铸坯产量为1 5 3 6 万t ，连 铸比达9 9 8 0 。我国连铸经历了起步、艰难发展、引进移植、自创体系、快速发展、高效 化改造等阶段。近十几年来，我国连铸发展的速度己达到世界主要产钢国连铸增长的水平。 近1 0 多年来，经过广大工程技术人员和冶金工作者的不懈努力，我国的连铸技术发 展取得了令世人瞩目的成纠。要想整体赶上西方工业发达国家连铸水平，我们仍然有许 多工作要做。我们应积极采用连铸新工艺、新技术成果，追赶世界先进水平。 综上所述，我国要实现“不仅是钢铁大国，还要是钢铁强国”的目标，提高连铸冶金技 术水平也是重要的一环，这是由连铸的地位及作用决定的。 1 2 中间包的作用及中间包冶金的产生、发展 1 2 1中间包的作用 如图1 1 所示，在连铸工艺流程中，中间包是连接钢包和连铸机结晶器的一个中间设 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 备。熔融态钢水首先从钢包注入中间包，再通过中间包水1 3 分配到下面的结晶器，在那里 熔融的钢水冷却成为固体，拉出切割成成品的连铸坯。除了更换钢包的很短的时问外，中 间包的液面保持不变，钢水的静压力恒定，因此中间包能够连续而均匀地向结晶器供给钢 水。 器 图1 1 连铸工艺流程图 在连铸发展初期，中间包只是作为钢水的储存和分配器来使用。只要中间包水口不冻 结，能够顺利浇注，就已经满足要求。对钢水的成分和纯净度有什么要求，总是在上游的 熔炼和精炼中寻求解决办法，而在连铸工艺方面发生困难，就到下游的连铸机找原因。当 时在人们的心目中，中间包是一种简单的装备，没有什么特别的重要性。 现在人们认识到中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是间歇操作转向连续操作的 衔接点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环，通常认为起以下作用【2 1 ： ( 1 ) 分流作用：对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流； ( 2 )连浇作用：在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起衔接的作用； ( 3 )减压作用：盛钢桶内液面高度有5 6 m ，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度 也很大。中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此，可用来稳定钢液浇铸过 程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷； ( 4 )保护作用：通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包 中的钢液受外界的污染。 1 2 2 中间包冶金的概念 在八十年代初期，多伦多大学m c l e a n 教授等首先提出了“中间包冶金”的概念。在工业 生产中，为了保证连铸顺利进行，保证多炉连浇，钢水必须有足够的纯净度，钢水成分范 围要尽可能精确控制，钢水温度要均匀，尤其在多流中间包中，各流水口处钢液温度不能 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 相差太大。而钢水通过中间包的过程中，发生某些物理和化学变化是不可避免的，问题在 于是否作为冶金手段加以利用。所以不能仅仅把中间包作为一个简单的钢水分流器来对 待，应该将它作为一个与铸坯质量控制相关的多功能容器。 如果说分流的作用是为了确保铸机的生产效率和低的生产成本，那么开发中间包其它 功能就是为了得到更高质量的铸坯。 1 2 3 中间包冶金功能的研究和开发 分流钢液确保铸机生产率，降低生产成本依然是中间包的基本作用，为了生产更高质 量的钢种，应该对中问包提出更高要求，进行更大改进。尽管它在精确控制钢液温度及化 学成分上已取得了显著进步，但是提高钢液的纯净度无疑是它未来的主要任务。 为了获得较好的中问包冶金效果，最大限度地净化钢液，许多学者采用水模和数模的 方法，对如何改善中间包钢液流动特性做了大量的工作。综合国内外研究结果可以看出， 改善中间包内钢液流动的研究主要集中在中间包结构优化上，近年来发展了中间包加热技 术和中间包吹氩等技术。 常用的中间包流动控制装置和精炼方法f 2 】如图1 2 所示。 1 过滤器2 感应加热、电磁搅拌3 长水口4 等离子加热5 堰6 坝 7 保护渣8 浸入式水口9 底吹气 图1 2 中间包流动控制装置和精炼方法 ( 1 ) 中间包容量和设计 中包容量一般是钢水包的2 0 4 0 ，近年来有增大的趋势，在多炉连浇时，中间包贮 存的钢水应能保证正常浇注5 m i n 。增大中间包容量可以提高钢水在中间包内的停留时间有 利于夹杂物上浮去除。 中间包容量过小有以下不利之处： 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 中间包流场不合理。钢包注流与中间包注流之间距离过近。浇注冲击区高度紊 流，使中间包出流为麻花状，不利于结晶器内液面的稳定； ( 2 ) 中间包液面低，更换钢包时，中间包液面很快降至临界液面下，产生旋涡，把 中间包渣卷入结晶器，使铸坯表面央渣严重； ( 3 ) 随着拉速的提高，钢水在中间包内的平均停留时间变短，直径小的央杂物上浮 困难，铸坯央杂指数较大； ( 4 ) 中间包包龄低。钢包注流对底部的冲击较大，耐材消耗高。 因此，人们用增大中问包容量来优化中间包流场；加大熔池深度；减轻表面波动：杜 绝旋涡；增加钢水平均停留时间；最终提高铸坯的纯净度、降低生产事故。 冲间包的设计和外形有很多种，& 一形，v 二形，t 一形，c - 一形，h 一形。许多局部条 件决定中问包结构的最终选择， 钢液的洁净度要求就是其中之一【4 。7 】。通过对中间包内钢 液流动和夹杂物行为大量的模拟和模型研究，稳态浇注下的中间包内大颗粒央杂物是可以 得到上浮去除的，但小颗粒夹杂物却不行。钢包液流和浇注i ：1 之间距离较远的中间包( c 一 形，h - 一形) ，即使钢液深度较浅，但去除央杂物的效率较高。然而，对于要求超高洁净度 ( 央杂物尺寸小于5 0 9 m ) 的钢种来说，没有哪个类型的中间包对夹杂物的去除是足够有 效的，必须采用其它的优化手段。 对从钢包进入中间包的钢液进行完全保护是非常必要的，特别是非稳态浇注时。此时 夹杂物的来源，主要是由于敞开浇注空气氧化钢液、钢包下渣、中间包旋涡和卷渣形成的 夹杂物。 ( 2 ) 防止钢液氧化和渣、耐火材料的污染 对连铸过程中央杂物的可能来源，图1 3 给出了较全面分析。i 这些来源为：( 1 ) 钢包 水口出流旋涡卷渣；( 2 ) 由盛钢桶到中间包注流被空气氧化；( 3 ) 注流冲击中间包液面引 起卷渣；( 4 ) 中间包耐火材料被侵蚀；( 5 ) 中间包水口吸入空气；( 6 ) 浸入式水口结瘤脱 落形成大颗粒夹杂：( 7 ) 结晶器保护渣卷入钢中。 l 一下渣 2 空气再氧化 孓一卷渣 * - - h i 火材料腐蚀 ，吸入空气 垂s e n 堵塞 ( 大型夹杂来酒) 7 - - - 卷入保护渣 图1 3 连铸过程中产生夹杂物的来源 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 为了避免由钢包进入中间包的钢液流暴露在大气中，最常用的方法是采用一个耐火材 料制成的水口连接到钢包底部，并用氩气密封保护，钢液通过水口进入中间包。为了减少 钢流对中问包底的冲刷，可以在包底安装冲击槽和冲击鼙。 在非稳态浇注( 如开浇、换钢包、快换水口和浇注最后一包钢水) 情况下，中包液面不 稳定，易出现卷渣，钢液面裸露，从而严重影响钢液洁净度。 中间包耐火材料内衬和钢液直接接触也可能导致钢液的污染，除了要考虑延长中包连 浇的时间外，还要考虑有利于提高钢液洁净度。很多中间包采用氧化镁和硅酸镁耐火材料 ( 喷涂料、喷补料、浇铸料) ，必须注意优化这些耐火材料的操作使用( 烘干、预热、修 补) ，以确保钢中低的氧化物含量。 ( 3 ) 促进夹杂物的去除 保证钢液的洁净度的途径一是避免钢液的二次氧化及受渣、耐火材料的污染，二是优 化中包内的流场。夹杂物在中包内的行为与中包流场密切相关，中包主体内钢液流动越平 缓，钢液停留时间越长，夹杂物上浮到钢渣界面进而被渣吸收的几率就越大。 对中间包内钢水流动进行大量研究后，人们发明了采用坝、堰、挡墙和其它装置促进 央杂物的去除。对于板坯铸机和大容量的中间包来说，在中间包中央，靠近冲击区域的地 方采用坝和堰是有争议的。在稳态浇注时，通过配置坝和堰来促进夹杂物上浮的成本很高， 且在多数情况下效率很低；非稳态浇注时，配有坝和堰的中间包不利于夹杂物的上浮去除。 对于两流的大中间包来说内部结构的优化设计更经济实用。 对于小型或多流中间包情况就不同了，这些控流装置的采用对钢液洁净度有很大的提高。 与板坯铸机相比，大方坯、小方坯铸机更多采用这些优化中间包内钢水流动的措施。 通过中间包底部吹氩能进一步促进央杂物上浮。许多研究者对中间包中吹气的作用进 行了研究。研究表明，向中间包中通入惰性气体可以减少死区的体积，增加夹杂物的去除 效果。吹气的效果与通入气体的位置、气泡数量和流量有关，中间包的几何尺寸和挡板结 构不同，吹气的参数就不同，应该由试验来确定。 覆盖剂也是中间包冶会的一部分。中间包覆盖剂是由含c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 和m g o 等 组分的矿物类原料再添加适量的助熔剂，经破碎、磨粉、混合、制粒和包装等工序加工而 成，覆盖剂加到中间包钢水表面具有隔热保温，减少钢液面热损失：隔绝空气，防止钢水 二次氧化；溶解上浮至钢液面上的非金属央杂物，净化钢水等功能。 按照碱度分类，中间包覆盖剂主要有酸性、中性和碱性三类。传统的酸性类粉剂( 如 稻壳) 有很好的绝热作用，但已经不再适用于洁净钢生产。碱性材料替代了酸性稻壳，高 碱度的中问包覆盖剂对内衬及相关耐材制品的影响很小，可减少因内衬或相关耐材制品的 熔损对钢液造成的污染。其保温效果较好，可有效防止钢水的二次氧化，减少覆盖剂本身 污染钢液，对提高钢水的清洁度大有好处，也可抑制中间包内钢水的回硫。 ( 4 ) 中间包内电磁搅拌 虽然很多文章和专利报道了采用电磁力来促进中间包钢水中夹杂物的去除，但并没在 工业上进行应用。研究表明，对钢包流出的钢液采用电磁搅拌可以改善铸坯质量【9 _ 2 1 。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 中间包钢水加热 钢液温度波动，主要是在换包时，会引起钢液的污染。其原因为当钢包正好快放空时， 由钢包进入中间包的钢水温度低，由于其缺少热浮力，从而在中问包形成“倒置流”最终将 渣卷入结晶器。钢包快速更换能够减少这种危害l i 引。 中间包内钢水加热是这个问题的解决方案，但它的工业化仅限于在亚洲实现 1 4 - i s j 。在 世界的其它地区，在钢包精炼阶段广泛采用加热设备，并采用在线温度跟踪模型来控制进 入铸机钢液的温度【j9 j 。 1 3 中间包冶金过程模拟研究 1 3 1中间包冶金过程数值模拟研究 国外在7 0 年代丌始用数值模拟的方法研究中间包内的流动过程和现象。普遍采用三 维湍流模型( 稳态和非稳态) 来模拟连铸中间包内的流动及相应的传输过程。中间包内流 动过程和现象的控制方程由连续方程和三个方向的动量方程组成，动量方程中包含了有效 粘度( 标) ，有效粘度又可以由适当的湍流模型计算得到，如普遍采用的k 一占双方程模型。 许多数值模拟研究中，中间包壁是倾斜的或者有流动控制装置( 坝、堰和带孔的挡板等) ， 需要采用一些数值手段来修j 下模型的控制方程。这些研究中，尽管采用相同的假设，在固 体壁、对称面和自由表面用标准的边界条件，但中间包的入口和出口使用了不同的边界条 件。如计算稳态的速度场可以指定一个出口速度或出口压力，同样，入口的湍动能和湍动 能耗散率也给一个定值。模拟结果表明，流动方式对边界条件的细微差别不太敏感，上述 模型加上能量方程、示踪剂对流扩散和夹杂物颗粒运动的控制方程，就可以模拟中间包中 的各种传输过程。求解瞬态的三维对流扩散方程，可得到示踪剂质量百分比或浓度随时问 变化的关系，由计算出的示踪剂浓度场可以得到出口处示踪剂的浓度随时间变化的函数， 画出浓度c 变化曲线。把模拟预报的c 曲线与相应的模型实验测定的结果进行比较，可以 评价数值模型模拟的可靠程度。因此，许多研究者通过数值求解组分扩散方程和湍流模型， 预测中间包的r t d 曲线，分析流动控制装置、中间包倾斜墙和电磁搅拌等的影响。流动、 湍流及相应传递过程的控制方程可以用有限差分法来求解，这些三维、耦合和非线性的偏 微分方程的求解需要大量的计算工作，因此常常采用商业软件包，如f l u e n t 、c f x 和 p h o e n i c s 等，而不是自己编制程序来完成这项工作。需要指出的是，商业软件虽然被广 泛用来从事这方面的工作，并且以后这方面的应用可能还会不断增加，但是，由于没有源 程序提供给用户，如果想进行更深入的模拟工作，便会遇到许多困难。除采用的假设条件 外，数值模型的预报结果还与网格的划分、时间步长( 瞬态) 和收敛准则等有关。研究显 示，网格对预报的流场影响很大，c h a k r a b o r t y 和s a h a i t 2 0 】也得出相似的结论，他们注意到 靠近壁面的节点，尤其是垂直方向上靠近底部的节点间的距离对预报的r t d 影响很大，因 此建议在详细求解和分析以f j ，要确保网格与结果的独立性，由于三维湍流的计算需要很 长的时问，必须寻求c p u 计算时间与计算精度间的平衡。 从整体来看，国内对中问包的数值模拟研究起步比国外晚，也明显地落后于国外，研 究和应用的范围较窄，应用的手段也相对落后和简单( 大多是自己编制程序，近年才开始 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 应用商业软件包) 。 迄今发表的有关钢水流动数值模拟的文章中，涉及各种各样几何形状的中间包( 如长 方形带两个出口、槽形、浅薄形和t 形等) 不同的中间包结构，如倾斜壁、控流装置( 坝、 堰和带孔的挡板等) 、电磁搅拌、辅助加热等1 2 ”。这些研究表明，中时包的操作条件对流 动状态影响很大，不同条件下的流动差别很大。因为中间包内各种传输过程与流体的流动 有关，挡板的类型与组合、操作条件( 电磁搅拌等) 都可以影响中间包的冶金效果( 夹杂 物排除等) 。 ( 1 ) 流场的模拟及优化 流场的求解是中削包冶金过程数值模拟的基础，应用得最成熟的、最常见的湍流模型 是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 提出的k f 双方程模型，它能较好地用于中间包内的流动和湍流 特性的计算计算时白j 也较短。但它的经验成分比较多，故对中蚓包内复杂流动的描述产 生一些局部误差是难免的。利用f l u e n t 和c f x 等计算流体力学软件能很方便地对报多流 动问题进行计算分析。众多的研究表明，当中间包内没有控流装置时，大包注入的钢水咀 较高的速度冲到中间包底都，并向四周散开，一部分钢液沿着包底向出水口流去，造成短 路流现象：另一部分钢液在中自j 包内有回流现象。这种流动方式使钢液在中日j 包内的停留 时间短，不利于夹杂物的上浮。为了消除中间包内的短路流，应改变中间包内铜液的流动 情况研究者在中间包内设簧坝、堰、导流隔墙、过滤器和湍流控制器等。它们单独或组 合使用，都会给中间包流场带来不同的影响。研究表明，正确安置的控流装焉! 会延长铜液 在中间包内的平均停留时间促进夹杂物上浮，但如果使用不当，就会使流动情况恶化。 堰，坝往往组合使用，堰在很大程度上起到控制湍流区的作用，它将冲击区和浇注区分开。 耀安装在中问包上部，钢液从它的下部流出。加入坝后促使钢液向上翻，从坝的上部流过， 可以消除短路流，所以堰一般都要和坝结合在一起使用。 湍流控制器的应用越来越广泛，它的形状多种多样其作用就是尽量减少钢渣的乳化， 避免空气的二次氧化，降低钢流的速度。中间包内吹入惰性气体，在中间包内形成一道道 气幕，改变中间包内的流场。气泡上升过程中捕获夹杂物颗粒，提高夹杂物去除效果，起 着净化钢水的作用。采用常用的几种湍流控制器的速度矢量图，见图1 0 。 图1 4 中问包内几种常用漓流控制嚣的速度矢量图 在实际浇注过程中，中间包内钢液温度很难保证恒定不变，特别是换包时会存在几十 。jjii曩咚一 u姒隧霉 ：j r 一 攀 搴攀耀攀 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 度的温差。2 0 世纪9 0 年代中期，萧泽强提出了非等温观点，并开始研究这一现象 2 2 - 2 4 1 。 非等温条件下，由于自然对流的影响，温度较高的钢液向上流动，温度较低的钢液向下流 动，在中间包的下部发展成一个扁而宽的回流，并不是像等温状态那样主要沿着侧壁流向 水口。彭士恒、程乃副2 4 】等建立了中间包内等温、非等温过程的数值模型，研究自然对 流的影响作用，提出了判断中间包内非等温流动的准数z b ( 中间包准数) ，并把z b 作为 中间内非等温敏感性的判据。 ( 2 ) 中包中央杂物行为的模拟 张邦文等把颗粒随机轨道模型和聚合动力学结合，在l a g r a n g e 框架下提出了连铸中间 包中央杂物去除的一个统计模型，对中间包的三维流场、夹杂物的运动和去除进行了数值 和m o n t e c a r l o 模拟，考察了s t o k e s 上浮、碰撞聚合、壁面吸附等各种因素对央杂物去除 的影响【2 5 1 。 s i n h a 和s a h a i 模拟计算后认为，大颗粒的央杂物( 1 2 0 l 上m 左右) 比较容易进入保护渣， 小颗粒夹杂物( 4 0 1 土m 左右) 通常不能上浮到渣钢界面【2 6 1 。k a u f m a n n 等也得出了类似的 结论，他的计算发现，2 0 1 上m 的央杂物颗粒只有1 0 上浮排除。因此，在中间包内营造有 利于夹杂物排除的条件，对大颗粒夹杂物( 大于4 0 1 比m ) 的排除非常有效。粒子聚结对熔 池中小颗粒央杂物的排除有重要作用，由于流体的湍动影响夹杂物聚结的动力学特性，中 间包中的湍动现象对小颗粒央杂物的排除有好处，所以诸如能抑制流体湍动的电磁搅拌之 类的措施，对小颗粒夹杂物从熔池中排除是不利的。 张炯明等，分析了中间包的内部结构、中间包钢水液面高度及夹杂物当量直径对夹杂 物排出率的影响。结果表明，双坝、堰“t 型 中间包对夹杂物上浮十分有利【27 1 。 综合前人的研究成果，可以了解到通过浮力上浮是中包中央杂物去除的主要方式，同 时壁面吸附、碰撞聚合增进了夹杂物的去除效果，大尺寸的夹杂物可以通过流场的优化而 显著提高其排除率，而小尺寸的夹杂物不易排除，因为较高的氧含量、较强的搅拌以及足 够的停留时间，是夹杂物碰撞长大的基本条件，中间包的特殊位置决定了这些条件并不优 越，因此夹杂物的碰撞长大并不明显【2 引。 用数值模拟的方法对中间包内夹杂物的运动和分离过程进行研究也比较多。由于将数 模预测与实验测定的结果对比受到限制，很难确定这些研究中采用模型的可靠性。在公开 发表的文献中，很少在工业中间包上测定央杂物排除情况的报道，在水模型上的测定也较 少。迄今很难确定各种夹杂物传输模型对实际过程模拟情况的好坏，需要作更多的工作来 评判央杂物的传输模型，尤其是在工厂的实际操作条件下。 ( 3 ) 中包温度场的模拟研究 许多研究者用数值模拟的方法研究了中间包的散热及对钢水流动、r t d 特性和温度分 布的影响。数值求解能量控制方程和湍流模型方程，可以预报中间包的温度场。这些研究 中，中间包壁和自由表面上采用了不同的边界条件，虽然都考虑了自由表面的散热，但使 用的值相差很大，c h a k r a b o r t y 等假设中间包侧壁和底部有一定的散热，而h e 曲u s i 和 s z e k e l y l 2 9 】则作为绝热来考虑。此外，求解过程中采用的初始温度场也有很大差别。因此不 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 同研究者的模拟结果有差别。需要指出的是，c h 蛐o n y 建议的热流值被后来的许多研究 采用。 这些研究表明，在稳定条件下，流动改善装置对中间包进出口的温降影响不大，而中 间包的几何参数对它却有一定的影响，h e n r i 和s z c k c l y 在另一项研究中建议在中问包中 采用辅助加热措施来补偿这种温降，作者指出，加热装置的类型和位置对热量传递给钢水 的速度很关键，尽管平静、湍动少的熔池有助于大颗粒夹杂物的排除，但这种条件对中间 包熔池吸收和传递热量并不理想。此时，需要优化操作参数，保证夹杂物的最大排除和熔 池温度的均匀。s a h a i 和c h 蛐o n y 等【3 0 】研究了钢水注流和更换钢包时的瞬态传热现象。 他们模拟发现，更换钢包期问虽然中间包熔池液面有一定的下降，但钢水的流动方式与稳 定条件下相似，在钢包中采取保温措施有好处，可以减小无保温措施中间包的热损失。 2 0 0 1 年上海宝钢集团梅山钢铁公司的程乃良等人【2 4 】用数值模拟的方法研究了非等温 双流连铸中间包内钢液的流动和传热行为，考察了包内无流动控制装置和设有上挡墙控流 装置的情况下，非等温中间包内钢液的流动与温度分布特征。实验指出，中间包内设置上 挡墙控流装置的首要作用是将有钢包注入流所引起的强湍流限制在入口附近，从而有助于 非金属夹杂物的碰撞、聚合而较快的上浮。同时使中包液面其它区域的紊流得以减弱，促 使钢液向液面运动和增加钢液在中间包内的运动路径，从而使夹杂物有更多的机会上浮。 控流装置也影响中间包钢液温度的均匀性，合理的设计不仅要使央杂物得到最大限度的去 除，而且要使钢液的温度均匀，在中间包优化时应考虑到这一点。 ( 4 ) 空包过程的研究 钢水在渣层保护下从一个容器进入另一个容器的过程中，会出现汇流旋涡、排流渣坑、 渣钢乳化三种下渣机制。在汇流旋涡形成并过渡成排流渣坑的同时，会强烈的促进渣钢乳 化，使熔渣随钢流进入下一个容器并更加弥散的分布在钢液内部，这无疑会引起严重的质 量问题。如果能了解排空过程中旋涡产生的条件，预测出临界液面高度，那么只要保证反 应器内钢液始终保持在临界高度上，就可以最大限度地降低钢液由于卷渣而受污染的可能 性。当然这种做法也必然降低了金属收得率。 旋涡形成的基本理论是角动量守恒，当自由液面上流体质点盘旋靠近旋涡中心时，为 了保持角动量的守恒，它的角速度相应增大。在旋涡中心轴上，理论上有无限大角速度， 这时质点就要下沉降。冶金容器内的旋涡形成要复杂得多。许多水模实验报道，钢包内液 面临界高度跟拉速及水口尺寸无关，偏心水口能降低旋涡产生的临界高度。而另一些报道 指出，拉速，初始液面高度，水口尺寸的增加导致临界高度的增加【3 。另外水口形式对其 也有影响。中包与钢包不同，由于钢液持续的进出，控流装置的设置，钢液的流动比较复 杂，在较高的液面，比如在正常浇注液面高度下，也可能出现旋涡。在稳态、非稳态浇铸 条件下都可能出现旋涡。由于流动的不稳定，雷诺剪切力( r c ”o l d ss h e a rs 廿e s s e s ) 在出口 上方分布不均匀，水口周围旋转的剪应力是旋涡发生的起始条件。在f l u i dd 舯i c so f v o n e xf o n n a t i o ni nt u n d i s h 响a t i o n s ：p h y s i c a lm o d e l l i n g 砣】一文中，作者研究了中包中旋 涡产生的机理，得出了中包旋涡的存在与其中强烈的湍流有很大关系，短时间内较大的速 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 度变化，坝与自由液面过大的距离都会加剧旋涡的产生，仅增加容量并不能保证钢液的洁 净度。曲英等用激光测速仪直接测定了有上、下挡墙和没有挡墙中间包水模型内的速度场， 配合高速摄影，研究了入射流的特性、挡墙的作用及旋涡形成的临界液面高度等。 在中间包浇注过程中出流口上方形成汇流旋涡造成的卷渣占总下渣量的8 0 9 0 ，从 而导致钢液二次氧化和产生大型央杂物，因此人们开展了防止在浇注过程中发生卷渣现象 的技术研究。 无渣或少渣出钢是进行有效的二次精炼的前提，而在浇注过程中实施良好的防下渣技 术，则是最大限度的维持二次精炼效果，提高钢水纯净度，稳定操作过程的重要保证。汇 流旋涡是容器在排流过程中，当液面下降到临界高度产生的。对于炼钢而言，这种汇流旋 涡造成的卷渣危害最大。原因在于：汇流旋涡在液位较高时即出现，一旦达到临界高度 即恶化；熔渣处于旋涡芯部，难以鉴别；它能强烈地促进渣钢乳化。在连铸过程中， 更换钢包或中间包时，钢包或中间包内的液位往往会下降到临界高度以下， 如不采取有 效措施，下渣就不可避免。因此防下渣技术开发的出发点，就是采取措施削弱以至消除汇 流旋涡形成的条件。 近几年来，浇注过程中防下渣技术的开发取得了引入注目的成就，相对而言，浇注过 程中的防下渣技术具有更为有利的条件，因为浇注过程中容器位置固定，水口形状变化小， 特别是中间包具有受钢条件优越、温度波动小、正常液位不深及液面稳定的特点；而且中 间包是钢液临近最终成型的重要关口，使得中间包防下渣技术的开发尤为重要。大体说来， 防下渣技术分为三类：上躲法、下藏法和抑制法。 这些方法都是通过临界高度的研究来解决问题，而这几种方法中当属抑制法最为积 极、有效。 ， 上躲法：此法是在撤走钢包或中间包之前，留下深度大于临界高度的钢液量情况下停 止浇注，从上部躲避旋涡的产生，但此法是以牺牲钢水收得率为代价的。通常采用的方法 有两种：一是人工目测法，通过人工观察，发现下渣即关闭水口，操作上显著滞后：二是 实施各种示渣技术的自动检测法，出流中带渣便反馈一定的信息，控制水口关闭，这同样 存在操作滞后的问题，且不能监测乳化下渣。 下藏法：此法是局部降低水口附近的包底位置，使临界高度部分全部藏入该降低位置 之内，从下部躲避旋涡，从而达到减少下渣和提高钢水收得率的双重目的，但此法需要对 设备进行相应的改动。 抑制法：所谓抑制，就是从根本上降低产生旋涡的临界高度，推迟旋涡的产生或阻止 贯通式漏斗状旋涡。生产过程中汇流旋涡产生于大包换包阶段和钢水浇注初期和末期的液 面下降过程和上升过程。 1 3 2 中间包冶金过程物理模拟研究 自