（钢铁冶金专业论文）五流小方坯中间包的结构优化研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y s t u d y o no p t i m i z a t i o no ff l o wc o n t r o l l i n gd e v i c e si n f i v e s t r a n db i l l e tt u n d i s h b yz h a n gt i g u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nm i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 一l _ 、 | v 一 独创性l 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：知饼了 日期：矽矽牟7 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东- i k 大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 - 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 i 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： - i - - ， 0 东北大学硕士学位论文 摘要 五流小方坯中间包的结构优化研究 摘要 随着连铸技术的不断发展，对连铸钢的清洁度和铸坯质量的要求也越来越高。中 间包内钢液的流动状态，对延长钢液在中间包内的停留时间，均匀钢液温度及夹杂物 的上浮去除有重要的作用，并直接影响着连铸坯的质量。因此，对中间包内钢液的流 场进行研究和分析，保证钢液流动状态的合理性具有相当重要的理论和实际意义。 本文以某钢厂五流梯形中间包为研究对象，运用数学模拟和物理模拟的方法，对 中间包内控流装置进行了研究，并优化了梯形中间包的控流装置。根据相似理论，结 合原型中间包的几何形状和尺寸，在实验室中以1 ：4 的几何相似比建立了中间包的模 型，测定中间包流体流动停留时间分布曲线，得到不同结构的中间包的流体流动特性。 实验结果表明，原型中间包结构不合理，中间包内钢液速度分布不均匀，冲击区 流动速度较大，存在湍流，容易发生卷渣和钢液的二次氧化，而两端区域流动速度相 对较小，存在较大的死区；3 流、4 流和5 流之间的r t d 曲线很不一致，流体流动特 性存在很大差异。各流间的响应时间及平均停留时间等差别加较大，3 流和4 流响应 时间及平均停留时间短，活塞体积分率小，死区体积分率高，并且存在短路流。 采用方案后，能够使钢液在各流间分配趋于合理，流体的流动特性比较一致， 钢水停留时间增加，死区体积减小。拉速为2 2 m m i n 时，3 流和4 流的响应时间，分 别提高了4 5 倍和2 3 倍，峰值时间分别提高了3 6 倍和1 4 倍，活塞流体积分别增加 了6 4 倍和3 4 倍，死区体积分别降低了3 8 和3 8 3 。 关键字：小方坯；连铸；中间包；结构优化；数值模拟；水模 - ， _lr00以j- - lijd 飞 s t u d yo no p t i m i z a t i o no ff l o wc o n t r o l l i n gd e v i c e si n f i v e s t r a n db i l l e tt u n d i s h a bs t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs t e e l m a k i n gt e c h n o l o g y , i t b e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ec l e a n l i n e s sa n dq u a l i t yo fc a s t i n gs t e e l t h ef l o w i n gc o n d i t i o no f m o l t e ns t e e li nt u n d i s hi sc o n s i d e r e dv e r yi m p o r t a n tt ol e n g t h e nt h er e s i d e n c et i m eo f m o l t e ns t e e li nt u n d i s h ，r e d u c et h ew r a p p e ds l a ga n di m p r o v et h ef l o a t i n ga n de x c l u d i n go f i n c l u s i o n si n c l u d e di nm o l t e ns t e e l i th a sd i r e c te f f e c to nq u a l i t yo fc a s t i n gp r o d u c t s t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nt os t u d ya n da n a l y z et h e f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do fm o l t e ns t e e li nt u n d i s ha n dt r yb e s tt om a k et h e mp r o p e r t h i sp a p e rs t u d i e daf i v e - s t r a n dt r a p e z i u mt u n d i s hi nas p e c i f i cs t e e lp l a n t t h ef l o w c o n t r o ld e v i c e so ft r a p e z i u mt u n d i s hw a so p t i m i z e db yt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fn u m e r i c a l a n dp h y s i c a ls i m u l a t i o n sm e t h o d s u s i n gl a wo fs i m i l a r i t y 嬲t h ea c a d e m i cb a s e ，a c c o r d i n g t o g e o m e t r i cd i m e n s i o n so ft h eo r i g i n a lt u n i d i s h ，a 1 ：4s c a l em o d e lw a sm a d ei nt h e l a b o r a t o r y f r o mt h ee x p e r i m e n t s ，d i f f e r e n tf l o wp a r a m e t e r sc o u l db eo b t a i n e di nt u n d i s h w i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o nb ym e a s u r i n gt h el i q u i df l o wr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc u r v e s e x p e r i m e n t a l r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es t r u c t u r eo ft h ep r e s e n tt u n d i s h w a s u n r e a s o n a b l e ，a n dt h ev e l o c i t yo fs t e e li nt h et u n d i s hw a su n e v e n ，s u c h 弱，t h ev e l o c i t yo f t h ei m p a c ta r e aw a sv e r yl a r g e ，w h i c hp r o d u c e dt u r b u l e n c e ，e n t r a p m e n to fs l a ga n d r e o x i d a t i o no ft h em o l t e ns t e e l ，b u tt h ev e l o c i t yo ft h es t e e li nt h et w oe n d sa r e aw a s r e l a t i v e l ys m a l l ，w h i c hc a u s e dd e a dz o n e ；t h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc u r v ea m o n g s t r a n d so f3 ，4a n d5w a sd i f f e r e n t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l u i df l o wi nt h et u n d i s hw a s d i f f e r e n t ，t h er e s p o n s et i m e ，t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m e ，e t ca m o n gt h es t r a n d sw a sd i f f e r e n t ， t h e3 ，4s t r a n d sh a ds h o r tt h er e s p o n s et i m ea n dt h ea v e r a g er e s i d e n c et i m e ，s m a l lp l u g v o l u m e ，l a r g ed e a dz o n ev o l u m ea n de x i s t e ds h o r tc i r c u i tf l o w b yu s i n gt h es c h e m e n ，t h ed i s t r i b u t i o no fl i q u i ds t e a la n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e f l u i df l o wa m o n gt h es t r a n d st e n d e dt or e a s o n a b l e ，i n c r e a s i n gt h er e s i d e n c et i m ea n d r e d u c i n gt h ed e a dz o n ev o l u m e w h e nt h ec a s t i n gs p e e da t2 2 r n m i n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c si n i i i -，_i，iv 囊_ s t r a n d so f3 ，4h a di m p r o v e d ，t h er e s p o n s et i m eo fe a c hh a di m p r o v e d4 5a n d2 3t i m e s ，t h e p e a kt i m ei m p r o v i n g3 6a n d1 4t i m e s ，t h ep l u gv o l u m ei n c r e a s i n g6 4a n d3 4t i m e s ，t h e 、deadz o n er e d u c i n g3 8 a n d3 8 3 k e yw o r d s ：b i l l e t ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，t u n d i s h ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， w a t e rm o d e l i n g i v - 0 r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t ”i i i 目录”v 第一章绪论1 1 1 连续铸钢技术的发展概况1 1 1 1 国外连铸技术的发展l 1 1 2 国内连铸技术的发展2 1 2 本研究的目的、内容及意义2 第二章文献综述5 2 1 中间包冶金技术5 2 1 1 中间包冶金的发展5 2 1 2 中间包冶金技术6 2 2 中间包冶金过程的研究方法8 2 2 1 钢水流动的数学模拟8 2 2 2 钢水流动的物理模拟1 0 第三章中间包内结构优化的数学模拟1 5 3 1f l u e n t 软件的介绍”1 5 3 1 1f l u e n t 软件的基本组成1 5 v 一 i j ， 、- f 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 2f l u e n t 程序的用途1 6 3 1 3 用f l u e n t 程序求解问题的步骤1 7 3 1 4f l u e n t 程序边界条件介绍1 7 3 2 流场计算的基本理论2 0 3 2 1 有限体积法2 0 3 2 2 数学模拟的基本方程2 1 3 3 中间包内结构优化的数学模拟2 2 3 3 1 边界条件的确定2 2 3 3 2 计算区域及网格划分2 3 3 4 计算结果与分析”2 4 3 4 1 中间包内无控流装置的计算结果2 4 3 4 2 中间包内有湍流控制器、导流墙及坝组合的计算结果“2 6 3 5d 、结2 8 第四章中间包内结构优化的物理模拟2 9 4 1 实验装置2 9 4 2 实验方法2 9 4 2 1 平均停留时间的测定2 9 4 2 2 中间包内三种流动体积的计算3 l 4 4 3 中间包内流体流动各体积分率的计算3 l 4 3 实验方案3 3 4 4 实验结果与讨论3 3 4 4 1 原型中间包实验结果与讨论3 3 4 4 2 其它方案实验结果与讨论3 6 ， l ， 查!垄堂塑主堂垡垒查旦查- - - _ - _ _ _ - - l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - - i _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - 。o o o 。1 。一一 4 4 3 中间包内起旋高度4 3 4 4 小结4 4 第五章结论4 5 参考文献4 7 致谢5 1 v n - i ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 连续铸钢技术的发展概况 1 1 1 国外连铸技术的发展 近几十年来，连续浇铸工艺己经成为钢铁冶金过程中广泛采用的一种先进工艺， 是钢铁生产的一次重大变革。连续铸钢的最初设想是由英国转炉炼钢的发明者 h b e s s m e r 于1 8 4 6 年提出来的。但直到1 9 3 0 年才将连铸用于有色金属的生产。1 9 4 3 年，德国人j u n g h a r i s 建成第一台连铸机，并采用了结晶器水冷、结晶器振动、浸入式 水口和结晶器加保护渣等技术。到5 0 年代中期，连铸技术从实验室试验阶段进入了工 业性生产阶段。连续浇铸的普遍应用是在进入6 0 年代后，由于弧形连铸机的出现和发 展，才使连铸技术在世界范围内被大量采用【l 】。 连铸铸钢有如下优点：金属收得率提高1 0 - 一1 5 ；能源消耗降低7 0 8 0 ；成本降 低1 0 - 2 0 ：基建投资减少3 0 - - 4 0 ；占地面积减少3 0 左右；设备费用降低7 0 ；耐 火材料消耗降低1 5 ；产量可以提高1 0 以上；改善了劳动条件以及为生产连续化和 自动化创造了条件。 由于连铸技术越来越显示了它的优越性，世界各国纷纷采用此技术，使得连铸比 不断上升。上个世纪6 0 年代以后连铸进入了稳步发展时期，出现了立弯式连铸机，连 铸速度显著提高。7 0 年代，连铸进入了迅猛发展时期。各类连铸机由7 0 年代初的3 0 0 余台增加到1 4 0 0 余台。连铸生产技术围绕提高连铸生产率、改善连铸坯质量、降低连 铸坯能耗这几个中心课题已有了很大的进展。先后出现了结晶器在线调宽、带升降装 置的钢包回转台、多点矫直、压缩浇注、气雾冷却、电磁搅拌、保护浇注、中间包冶 金、上装引锭等一系列新技术、新设备。与此同时增大连铸坯断面，提高拉速，增加 流数，涌现出一批月产量2 5 万吨以上的大型板坯连铸机和一大批全连铸车间。8 0 年 代以来，连铸进入了完全成熟的全盛时期 2 1 。连铸比以每年4 的速度增长，以逐步实 现连铸坯热送和直接轧制，并且薄板坯连铸正在兴起。进入9 0 年代，连铸技术日臻完 善，1 9 9 8 年日本的连铸比超过9 0 ，特殊钢的连铸比达到9 1 2 。目前，在世界钢铁 工业范围内，连铸比逐年增高，连铸比的高低己成为钢铁工业的综合技术水平的标志。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 国内连铸技术的发展 我国是在炼钢生产中研究、应用连铸技术较早的国家之一。1 9 5 7 年在上海钢铁公 司中心试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第一台工业性生产的连铸机，这是世 界上最早出现的几台连铸机之一【2 】。1 9 6 0 年在唐山钢铁厂建成1 机l 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- 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 万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 供成品轧机成材使用的小方坯连铸机。这些引进的具有国际先进水平 的连铸机，装备水平高，为我国消化引进连铸技术，提高连铸技术开辟了新的途径， 大大促进了我国连铸生产的发展【3 】。 近年来，我国连铸发展很快。1 9 9 9 年底时，我国共有连铸机3 4 2 台1 0 8 8 流，生 产能力达到1 3 5 0 3 5 万吨，连铸坯产量达到9 3 6 7 万吨，居世界第一位，连铸坯产量 2 0 0 0 年超过1 亿吨，连铸坯产量2 0 0 3 年超过2 亿吨。而2 0 0 5 年末全国生产的连铸机 累计总数达6 7 3 台、2 1 7 1 流、年产能3 9 8 8 7 万吨。其中板坯连铸机和薄板坯连铸机的 年产能占总年产能的4 1 2 0 ，全国连铸比约为9 6 7 1 。 1 2 本研究的目的、内容及意义 连铸中间包是钢水进入结晶器之前的最后一个冶金容器，其作用己不仅仅是传统 意义上的钢水分配器。随着科学技术的不断发展，对钢水的质量要求越来越高。为此 除了在冶炼及炉外处理中严格控制钢中夹杂物外，对钢水在中间包内的流动特性也应 该非常重视。因此，中间包正朝着促使夹杂物上浮、分离、对夹杂物进行变性处理及 对钢水进行微合金化的精炼器方向发展、应用。随着连铸的发展，拉速不断提高，钢 水在中间包内的停留时间相应减少，不利于夹条杂物上浮去除，铸坯质量将会受到影 响。另外，中间包的湍流对于中间包的夹杂去除是十分不利的，它的形成是由于钢包 的高速注流而造成的。在稳态下是可控的，然而当中间包的液位不够，换钢包以及其 - 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 它非稳态操作时，湍流变得不可控制。湍流可以造成卷渣并会加重耐火材料的侵蚀， 并且妨碍夹杂物上浮。因此，合理的布置中间包内控流装置，调节钢水温度，净化钢 水，使钢水中的夹杂物上浮分离，是非常有必要的。 为了配合某公司发展需要，增加品种钢产量，计划采用现有方坯铸机生产品种钢， 但目前的中间包内未设任何控流装置，难以满足品种钢生产的需要。因此，本文通过对 目前中间包内钢水的流动行为进行优化研究，开发中间包的合理控流装置，以实现中间 包内钢水合理分配，延长中间包内钢水停留时间，减小死区体积分率，促进夹杂物上浮， 提高铸坯质量的目的。其中，具体研究内容包括： ( 1 ) 中间包控流装置组合设置方式。 ( 2 ) 中间包控流装置结构参数。 ( 3 ) 中间包临界液面高度。 ( 4 ) 设计开发中间包控流装置。 本文的研究，对中间包内钢液的流场进行研究和分析，保证钢液流动状态的合理 性，提高铸坯质量具有相当重要的理论和实际意义。 ， ， 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义i 硕综怂 2 1 中间包冶金技术 、 2 1 1 中间包冶金的发展 中间包是连铸机的一个很重要的设备，在连铸发展初期，中间包只是被当作一个 过渡容器，用以减压，分配钢水和稳定注速。为了生产高质量钢，要求钢水从一个反 应器到另一个的过程中必须连续改善质量，从而使中间包和结晶器成为连续精练装置。 利用中间包的冶金作用调节钢水温度，净化钢水，使钢水中的夹杂物上浮分离，甚至 尝试将钢包精炼技术移植到中间包内，以实现钢水在凝固之前进行最后处理的设想。 随着连铸高拉速的发展以及对连铸坯质量的要求提高，对中间包冶金效果要求也随之 提高。为了达到上述的中间包冶金作用，中间包的结构也随着复杂化，具有了一些精 炼功能。图1 1 是钢的精炼及连铸工艺流程简图。 图1 1 钢的精炼及连铸工艺流程简图 f i g 1 1d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fs t e e l m a k i n gr e f i n ea n dc cp r o c e s s “中间包冶金”的概念是在2 0 世纪8 0 年代初期被提出来的，多伦多大学教授麦克 莱恩( a m c l e 锄) 是首倡者【3 4 1 。中间包冶金有其独特的理论和研究方法，冶金工作者在 中间包上采取一系列的技术措施，不断扩大和强化中间包的冶金功能。钢水经过炉外 精炼后已经比较洁净，但如果钢包至中间包到结晶器之间的保护浇注处理不好，钢水 又重新污染，则炉外精炼的效果会前功尽弃。因此对连铸来说，保护浇注和中间包冶 _ ， 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 金是提高铸坯洁净度的有效措施，必须予以足够重视。作为连铸过程的中间容器，中 间包不仅是钢水的存储和分配器，而且日益显示出其它重要的作用，主要包括：在多 炉连浇期间，可保留足够的钢水，供交换钢包时使用，以便能连续进行浇铸而不显著 降低拉速；在相当长的浇铸时间内保持良好的保温作用，从而使钢水温度基本不变； 通过对夹杂物的捕集分离来减少钢中微观和宏观夹杂物，即提高钢水洁净度。 中间包冶金包含两层意思【5 】：一是当钢包向中间包注入钢液时，防止钢水再污染； 二是对中间包进行精练处理，净化钢液，从而提高产品质量。过去，为了防止钢水二 次氧化，主要的技术主要有：钢包到中间包的浇注采用长水口，换包时尽量减少钢包 渣的卷入，防止钢液与包衬中耐火材料的反应等。对净化钢液措施而言，除中间包尺 寸外，中间包中钢液的流动方向也极为关键。通过添加一些装置，例如堰和坝、过滤 器、湍流控制器、清洗条形砖等可以改变钢液的流动方向，提高夹杂物的去除率。在 湍流和层流的多变区域安置坝和堰，可以有效改变钢液流向、延长钢水停留时间、有 利于夹杂物的上浮；使用过滤器可滤去夹杂物，但需将浇铸量限在一定的数量内，以 避免堵塞失效；湍流控制器会使注流的动能减小，控制湍流的范围；清洗条形砖提供 了一个促使夹杂物上浮的简单而安全的办法，条形砖覆盖中间包整个宽度，当使用极 少量氨气时，气幕就可覆盖住整个宽度，由气泡吸住夹杂物并托着夹杂一起上浮；用 整体塞棒、三层滑动水口或两者的组合可以调节钢水流量，达到稳定浇铸。 近年来，国内外关于中间包冶金展开了大量的学术研究，很多研究成果己转化为 生产中实际应用的技术措施【6 】。如：中间包结构设计、流动控制技术、抑制二次氧化、 耐火材料和覆盖渣控制、更换钢包操作时温度和成分控制、吹氢清洗、过滤、加热钢 液等。这说明冶金界己经接受了中间包冶金概念，并且成为实际操作中的工艺技术f 7 ，8 】。 2 1 2 中间包冶金技术 中间包冶金是一项特殊的炉外冶金技术，是从钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯， 这个生产流程中保证获得优质钢的关键一环。随着连铸技术的发展，钢液质量对连铸 工艺的重要意义逐渐为人们所认识。为了保证连铸顺利进行和多炉连浇，钢液必须有 足够的洁净度，钢液成分要尽可能精确地控制，钢液温度要在够长的时间内保持稳定。 因此，中间包的冶金作用受到了越来越多的关注。 ( 1 ) 防止钢水再污染技术 ( a ) 钢包到中间包长水1 3 保护浇铸【9 1 0 i 二次氧化是中间包钢液的重要污染源之一，自从1 9 6 5 年e a r l i e r 建议使用熔融石 英质长水口以来，长水口形状、材质、氢封上有了很大的改善，有效地防止了钢包到 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 中间包的大气二次氧化的发生。 ( b ) 防止钢包到中间包卷渣技术【1 0 1 抬高钢包和长水口以直接观察钢液是否带渣；向水口吹氢气；当卷渣发生时，表 现为水口出口处钢液面气泡增多；使用电磁装置、传感装置、称重装置对下渣进行检 测。 ( 2 ) 夹杂物去除技术 ( a ) 中间包气体的吹洗一吹氨技术 中间包气体吹洗是将惰性气体吹入中间包，使其产生小气泡幕，气泡幕将夹杂物 从钢液深部带到表面被渣层吸附，进一步促进夹杂物的去除，并能使钢液温度和成分 均匀。其机理是：气泡与夹杂物碰撞吸附到一起，上浮速度增大，去除增多。气体净 化方式有多种，包括：埋设透气管、安装条形透气砖和使用喷枪喷吹气体。 ( ”使用堰一坝和多孔挡墙及湍流控制器 上个世纪7 0 年代开始出现了中间包安装堰和坝的方法，8 0 年代又出现了安装过 滤器的方法，目的是控制流动形态、使流动合理、液面保持平稳、尽量减轻湍流的干 扰、减少死区、流动均一、增大钢水平均停留时间、利于夹杂物去除、提高钢水清洁 度。中间包使用堰一坝及过滤器后，击穿流减少，钢水向上流动趋势增强，钢水平均 停留时间延长。另外，美国l 1 v 钢铁公司设计出一种防湍流垫，大大改善了钢液的流 动状态，减少水口堵塞次数，有效改善了铸坯表面质量，提高钢水收得率，减少中间 包结壳现象。 对中间包中钢液的流场分析可知，盛钢桶注流对中间包内钢液有强烈的冲击作用， 形成注流冲击区，在该区域由于注流的冲击，导致了部分中间包覆盖剂被卷入钢液中 而形成夹杂。同时容易卷入空气发生二次氧化，冲击包底造成包底该处耐火材料过分 侵蚀，再有对中间包出口处形成汇流漩涡也有影响。 在注流区设置湍流控制器【1 1 l ，湍流控制器结构简单，安装方便，容易在中间包上 应用。应用湍流控制器可以改善中间包钢液流场，起到以下作用：减弱盛钢桶注流的 冲击作用，减少卷渣、卷入气体；增大滞止时间，减少中间包死区体积；减少对中间 包注流区耐火材料的冲刷、侵蚀；减少汇流漩涡的生成。 ( c ) 合理使用中间包覆盖剂 中间包覆盖剂的最初功能是保温，防止浇注过程中钢水温降过大。但是，随着钢 质量的要求越来越高，中间包覆盖剂对钢水清洁度的影响越来越引起了人们的重视。 要求中间包覆盖剂的功能是：保温；防止大气对钢水的二次氧化；能够吸附钢中上浮 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 出来的夹杂物，并与其反应；不与钢水反应，不污染钢水。 近年来，随着现代连铸的应用和发展，中间包冶金显得越来越重要，其内涵在被 不断扩大。因此，中间包冶金出现了一些新的技术，如中间包喂丝技术，应用新型中 间包湍流控制器及旋转阀、离心流中间包( c e n t i g u g a lf l o wt u n d i s h ) 和中间包无氧化加 热技术及先进的钢流卷渣检测技术等等【1 3 】。 2 2 中间包冶金过程的研究方法 在中间包冶金技术的研究中，现场或原型的观测和研究是对大量工程或实际问题 的最直接的或更基础性的实验研究，因而现场实测的原始资料常常是研究人员手中的 第一手材料，它在工程问题的决策中往往是举足轻重的。但是中间包内钢液流动现象 的复杂性决定了中间包内流体的流动并非是均相流体的理想流动，而是钢和渣两相的 复杂流动，而且有数量巨大的弥散相颗粒的碰撞和运动，这就决定了中间包冶金过程 具有独特的研究方法。为此，人们对其过程现象进行了大量模拟研究，模拟可分为物 理模拟和数学模拟两类。 2 2 1 钢水流动的数学模拟 冶金过程数学模拟( m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ) t 1 4 i 是基于计算流体力学、计算传热学 和冶金反应工程学的原理，用数值方法通过计算机直接求解非线性联立的质量、动量、 能量及组分守恒偏微分方程组，通过数学分析预报出流动、传热的细节，即给出整个 流场中各变量的时空分布，进而分析冶金过程的速率和效果。因此，这样的数学模拟 开始成为工程装置优化、仿真设计和实验过程最佳控制的有力工具，目前将得到进一 步的发展和完善。 为了研究和解决冶金工程技术领域中的大量高温流动和传热问题，传统上都采用 基于相似理论指导下的实验研究和模型理论计算。近二十年来，计算机技术和计算方 法的发展，大大地推动了用数值计算方法仿真研究冶金高温流体流动和传热问题的进 展【1 2 】。数值仿真技术的主要优点是：能以较少的费用和较短的时间预示出有实用意义 的研究结果。特别对高温冶金来说，很多实际过程无法用实验方法研究，这个优点就 更为突出。虽然数值仿真技术不可能完全替代所有的试验研究，但大量成功算例表明， 已确实是一种研究和解决复杂的实际问题的有力工具。 连铸的模拟技术主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 模拟中间包内钢水流动过程，分析和了解钢水流动的合理性。 辱 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 ( 2 ) 模拟中间包钢水传热过程，分析对钢水温度影响的因素。 ( 3 ) 模拟中间包内钢水的传质过程，分析钢水在中间包内的平均停留时间，短路 流，中间包的死区以及返混区等等。 ( 4 ) 模拟中间包内钢水中的夹杂物流动过程，分析去除夹杂物的能力。 ( 5 ) 模拟中间包的精炼过程，如等离子加热，电磁感应加热，吹气搅拌和电磁搅 拌。 ( 6 ) 在传统连铸技术进一步发展的同时，各种新型连铸技术的开发也不断出现。 如近终形连铸技术、电磁连铸技术、双流浇注连铸技术等。与此同时，相应的数值模 拟技术也成为研究的热点。 通过仿真研究，提高对现有的生产过程中间包冶金效果的认识，探索工艺过程各 参数的变化规律及它们之间的定量关系，优化工艺过程和实现对工艺过程的自动控制， 指导工厂和现场实物试验的设计和规划，以节省费用。也可以对新设计的中间包作优 化设计以及做出准确的估计，在一定条件下，可替代工厂或现场实物的开发性试验。 从上个世纪6 0 年代起，英国就开始利用计算流体力学( c f d ) 矢i 识对冶金过程进行 仿真软件的开发，为当代c f d 软件的发展奠定了重要基础。c f d 软件主要可以分成 三类。第一类是针对具体问题的专用程序，其优点是程序比较精炼，针对性强。缺点 在于专业性强，通用性差，使用有所限制【3 2 3 7 1 。第二类是针对某一类型问题编制的程 序，如研究二维抛物线问题的g e n m i x ，二维椭圆型问题的2 e f i x 程序等。通用性。 有所改善，使用也比较方便，但使用时需结合具体问题，汇编成仿真程序。第三类是 计算流体力学的软件包( 1 pc f d 通用程序) ，它备有相当完善的前处理和后处理系统， 可用于分析涉及流体力学的各类问题，包括一维、二维、三维、定常、非定常、均相、 多相、湍流、层流、牛顿流体、非牛顿流体、辐射和化学反应等，同时可以处理各种 不同的、简单或复杂的几何形体。采用这类功能强大的商业软件时，使用者需结合计 算课题，正确地处理源项和边界条件，必要时对软件求解器模型进行修改或补充。目 前以c f d 为基础的可以应用于冶金过程分析的商业软件主要有p h o e n i c s ， f l u e n t ，s t a r c d ，f i d a p ，c f d s c f x 等。 0j l i e g b u s i 等【l 副利用矢量分析和数值计算方法模拟了中间包安装不同流控装置 时，中间包钢液的流场、夹杂物示踪剂的停留时间和等浓度曲线的变化，优化了最佳 挡墙和坝的位置参数。 d o b s o n 和sj o o 纠1 6 l 在连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和质量守恒方 程的基础上建立中间包内传输的数学模型，用数学模拟的方法进行了中间包形状的设 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 计，模拟了一机两流板坯连铸机的t 型和长条矩形两种中间包内的传输过程，考察了 中间包内有无挡墙、坝时中间包钢液的流动、传热和夹杂物上浮等情况，并结合工业 实验认为，t 型中间包优于长条矩形中间包，在中间包内安装堰坝较没有安装时重要 得多。 朱苗勇等【l 刀分别用k e 湍流模型和大涡流模拟( l e s ) 研究中间包内的湍流流场并 将计算结果与实测流场比较，结果表明k e 湍流模型基本上能描述中间包内的流动状 况，但也存在局部偏差，而l e s 则能较好地描述k e 湍流模型所不能描述的现象。朱 苗勇还开发了连铸中间包内流动与传热的三维混合模型，研究了自然对流对中间包内 流场的影响。结果表明：在中间包内无任何控流装置时，因热损失引起的自然热对流 对中间包内流场的影响较大：但在有流控装置时，自然对流对流场的影响较小。同时 通过水力学模型对控流装置的功能进行了比较深入的研究。 贺友多和ys a h a i t 7 】开发了计算倾斜壁中间包内三维流动的数学模型，并用1 3 水 力学模型对计算结果进行验证，通过比较垂直和有倾斜壁中间包内的流场和r t d 曲 线，提出有倾斜壁中间包有利于夹杂物的上浮。他们开发了一套计算中间包内三维流 场的程序，模拟计算了更换钢包时的中间包流场，由此判断夹杂物在中间包内上浮条 件的变化，为从理论上来判定连铸生产过程中前后两炉混钢浇注时，何时混钢开始， 何时结束提供依据。 1 9 9 9 年rdm o r a l e s l l 8 】等人对安装了不同控流装置的中间包流场和温度场进行了 水模和数模研究。结果得出，装有导流隔墙和湍流控制器的中间包比装有下挡墙和导 流隔墙或无控流装置的中间包产生了更大体积的活塞流区，更能有效地消除钢液表面 的湍流和扰动现象，有利于降低n 2 吸入量，促进夹杂物的上浮，同时减缓了出口流速， 降低了注入流温度波动对中间包冶金效果的影响。 2 2 2 钢水流动的物理模拟 物理模拟就是通过建立物理模型并借助于必要的实验手段，对所研究体系的过程 进行显示和分析。物理模型建立在相似原理基础上，与原型保持相似的工作规律。模 型与原型的各物理量大小不同，而现象的物理本质相同。物理模拟中，由于可缩小装 置的比例，实验费用大大降低。 物理模拟主要有如下作用： ( 1 ) 物理模型中定量测定的结果可按一定关系，用于真实体系的描述，直接为优 化工艺过程或开发新流程提供依据。 ( 2 ) 帮助数学模拟研究人员正确了解所研究过程的物理特征，以正确处理数学模 k 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 拟中的简化以及源项和边界条件的设定。 ( 3 ) 验证数学模拟的结果，使数学模型不断完善，使之尽可能真实地描述真实体 系。 物理模拟是以相似原理为基础的一种模拟方法。把模拟系统转换为实际系统，就 必须保持两个系统能满足一定的相似准则。这些准则包括【1 9 】： ( 1 ) 几何相似：模型和原型中各对应长度之比为一定常数，该常数称为比例因子。 ( 2 ) 运动相似：模型和原型中运动状况相似，也就是两个几何相似的系统中各对 应点速度方向一致，大小成一定比例。 ( 3 ) 热相似：模型和原型中各对应处由各种传热方式引起的传热速率成一定比例， 如果再加上几何相似和运动相似，则模型和原型中的温度场就相似。 ( 4 ) 动力相似：模型和原型中各对应力相似。当两系统对应点上所受力之比为固 定值，则系统间动力相似。 在模拟流体流动问题时，如果要对所得结果作定量推论的话，则系统间必须同时 实现几何相似和动力相似【2 0 1 。流体运动时受到了惯性力、重力、粘性力和表面张力等 力的作用。根据这些力的比例关系，可获得一些重要的无因次组合或无因次数。如果 模型和原型内这些无因次数在数值上相等，则可以认为模型和原型动力相似。 j 大量的研究表明，用水模型来研究中间包等冶金容器内部的钢液流动不仅是可行 的，而且能够正确反映实际钢水流动的规律。2 0 水与1 6 0 0 钢水物理特性见表2 1 。 从表中可知，2 0 c 水与1 6 0 0 钢水具有几乎相同的运动粘度，所以水模型可以作为研 究炼钢过程反应器中的各种传输现象的工具。 表2 1 水和钢水的物理特性 t a b l e2 1p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e ns t e e la n dw a t e r 2 0 1 2 水9 9 87 3 x 1 0 21 0 1 9 x l o 。31 o x l 0 西 1 6 0 0 c 钢水 7 0 8 01 66 4 1 旷0 9 x 1 0 。6 相似比是模型与实型某一相同的物理量之间的比值。几何相似比可表示为： 旯= _ l m ( 2 1 ) 2 _u i j lp 式中朋一模型几何尺寸； p 一实物几何尺寸。 由上式可知，相似比越小，模型尺寸越小；相似比越大，则模型尺寸越大。在设计试 验模型时必须选取合适的相似比。如果相似比过小，即模型尺寸过小时，可信度降低， ， l 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 不易得出正确的结果；如果相似比过大，即模型尺寸过大，易受实验条件限制且模拟 实验费用也会增加。 中间包冶金模拟所涉及的相似准数很多，研究不同的问题，使用不同的相似准数。 钢水在中间包内的流动主要受惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用，包含这些力 的主要准数有1 2 1 】： ( 1 ) 雷诺准数( r e y n o l d s ) 肌砌= 喘铲= 器 c ) 弗鲁德准数( f r o u d e ) f r = v 2 g l = 警= 等 ( 2 3 ) p g l 塾刀 ( 3 ) 韦伯准数( w e b e r ) w e =