（钢铁冶金专业论文）连铸中间包以气幕代挡墙去除夹杂物的数值模拟.pdf

摘要 摘要 中间包内钢液流动特性对钢水中夹杂物的分离起十分重要的作用。根据品种钢 及其纯净化生产的需要，利用微气泡可有效去除夹杂物的机理，通过在中间包一定 位置吹入成排的微小氩气泡，形成气幕挡墙，该方法不仅可起到传统挡墙坝的导流 作用，阻挡夹杂物进入水口区，并可利用微气泡上浮过程碰撞、吸附夹杂物，有效 分离夹杂物，提高去除效率。 数值模拟以湍流控制器加单坝结构的f t s c 中间包为原型，应用c f x 软件，采 用气一液一固三相流模拟手段，计算了单湍流控制器、加挡坝、气幕挡墙代挡坝的 不同控流形式下中间包内流场、温度场、夹杂物运动轨迹及不同尺寸夹杂物的排除 率，并分析研究了不同吹气量、不同吹气位置和不同气泡尺寸等参数对中间包内不 同尺寸夹杂物去除效果的影响，得出了气幕挡墙技术的合理的工艺参数，为工业实 验奠定基础。 研究结果表明f r s c 中间包采用气幕挡墙代替原有固体挡坝与湍流控制器组合 后，钢液的混合和温度更为均匀，出口夹杂物体积分数降低，夹杂物的去除率提 高，尤其是对5 0 t t m 以下夹杂物的去除效果更为显著，对5 0 t a n 夹杂物的去除率提 高了8 对2 0 p m 3 0 t t m 夹杂物的去除率提高了3 8 左右，证明了气幕挡墙完全 可以代替固体挡墙、坝，且对钢液温度的均匀和5 0 t t m 以下小颗粒夹杂物的去除， 效果更好；在保证中问包不造成卷渣和二次氧化的前提下，尽可能采用大吹气量能 提高夹杂物去除率；气幕挡墙的吹气位置距离中间包水口太远或太近，都不利于夹 杂物的去除，当吹气位置在距离水口中心1 0 0 0 r a m 左右时，夹杂物的去除效果最 好；采用小的气泡尺寸对夹杂物的黏附作用好，小颗粒夹杂物的去除率高。 图4 0 表6 参5 9 关键词：中间包；气幕挡墙；夹杂物：数值模拟 分类号：t f 7 7 7 7 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef l o wo f s t e e li sv e r yi m p o r t a n tt or e m o v ei n c l u s i o ni nt u n d i s h t h eg a sc u r t a i ni s f o r m e db yi n s u f f l a t i n gs m a l la r g o nb u b b l ea tac e r t a i np l a c eo ft h et u n d i s h , w h i c hm a k e s u s eo f r e m o v i n gi n c l u s i o nb ys m a l lb u b b l ew i t ht h ed e m a n df o rp r o d u c i n gc l e a ns t e e l t h e m e t h o dn o to n l yc a nc h a n n e lo f ft h el i q u i da n db l o c kt h ei n c l u s i o no f ff l o w i n gi n t oo u t l e t a st h et r a d i t i o n a lw a l la n dd a m , b u ta l s os e p a r a t ei n c l u s i o na v a i l a b l ya n di m p r o v et h e i n c l u s i o nr e m o v a lr a t eb yt h ec o l l i s i o na n dt h ea d s o r p t i o nb e t w e e ns m a l lb u b b l ea n d i n c l u s i o n t h en u m e r i c a lm o d e lo fg a s - l i q u i d s o l i dt h r e ep h a s ef l o wh a sb e e ns t u d i e db y a p p l y i n gc f xs o f t w a r e , p r o t o t y p eo fw h i c hi st h ef t s ct u n d i s hi n t h ev e l o c i t yf i e l d , t h c t e m p e r a t u r ef i e l d , t h ei n c l u s i o nt r a j e c t o r i e sa n di n c l u s i o nr e m o v a lr a t ei sc a l c u l a t e da tt h e d i f f e r e n tc o n t r o l so fs i n g l et u r b u l e n c ei n h i b i t o r , a d d i n gd a ma n da d d i n gg a st i l l t i l l a n a l y z e da n ds t u d i e dt h ee f f e c to f t h eg a sf l o wr a t e ，g a sb l o w i n gp o s i t i o na n dg a s s i z ef o r i n c l u s i o nr e m o v a lr a t e ，t h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r so fg a sc u r t a i na r eg a i n e d ，w h i c h e s t a b l i s h e dt h eb a s ef o rt e c h n i c a le x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t e e lt e m p e r a t u r ei sm o r ea v e r a g e ，t h ei n c l u s i o nv o l u m e f r a c t i o no fo u t l e ti sl o w e r , a n dt h ei n c l u s i o nr e m o v a lr a t ei sh i g h e re s p e c i a l l yu n d e r5 0 p r o i n c l u s i o ni ng a sc u r t a i nt h a nt h a ti nt h ep r i m a r yd a m t h ei n c l u s i o nr e m o v a lr a t ei m p r o v e d 8 f o rl e s st h a n5 0 p r n ，a n di m p r o v e d3 8 b e t w e e n2 0 m 3 0 岬i ti sp r o v e dt h a tg a s c u r t a i nc a l lr e p l a c e dd a m , a n dt h ee f f e c ti sb e t t e rt h a nt h a to f t h ed a m e n s u r i n gt h et u n d i s h n o tr o l l i n gs l a g , i tc a ni m p r o v ei n c l u s i o nr e m o v a lr a t et h a ta p p l y i n gt h eg r e a t e rg a sf l o w r a t e i n c l u s i o nr e m o v a le f f e c ti sb e s tw h e nt h ed i s t a n c ei s1 0 0 0 m mb e 钾嘲t h eg a s b l o w i n gp o s i t i o na n dt h eo u t l e to ft u n d i s h , a n di ti sb a df o rr e m o v i n gi n c l u s i o nt h a tt l 壕 d i s t a n c ei st o ol o n go rs h o r t w h e ng a ss i z ei sm i n i s h e d ，t h ee f f e c tt h a tg a sa d h e r et o i n c l u s i o ni sb e t t e r , a n dt h ei n c l u s i o nr e m o v a lr a t ei sh i g h e r f i g u r e4 0 ，t a b l e6 ，r e f e r e n c e5 9 k e yw o r d s ：t u n d i s h ，g a sc u r t a i n , i n c l u s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c h i n e s e l i b r a r yc a t a l o g ：t f 7 7 7 7 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：叠企杰日期：尘生午皇月笙日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：2 0 7 年绢日 引言 引言 随着连铸技术的迅速发展以及市场对高质量、高纯净钢的需求不断提高，连铸 过程特别是中间包钢液中夹杂物的行为已日益成为人们关注的重点。7 0 年代以来， 在世界各国兴起的中间包冶金其核心就在于如何最大限度地去除夹杂物。钢中的非 金属夹杂物对材料的加工性能、疲劳性能、表面质量和耐腐蚀性能等均能产生不利 影响。严格控制钢水的成分、温度和夹杂物去除一样也是高质量钢生产要求的一项 重要环节，钢水的成分要尽可能精确控制，钢水温度和过热度要在足够长的时间内 保持稳定。中佃j 包底吹气形成气幕挡墙不仅可以改变钢液流动特性，均匀钢水成分 和温度，而且气泡在运动过程中吸附夹杂物一起上浮，可以有效促进小于5 0 p m 夹 杂物的去除，在高纯净钢的精炼中具有重要作用。 中间包数值模拟的研究方法在现代冶金工程的发展中日益受到重视，已经成为 冶金反应过程和现象研究的重要手段。通过数学模拟可以提高对某些过程基本现 象、反应机理、控制性环节的认识，为改善工艺过程和操作提供依据。国内外许多 研究者利用数值模拟方法研究了中间包内的流场、温度场、夹杂物颗粒群的浓度场 以及夹杂物的运动，但对底吹气中间包内的流动和夹杂物控制的研究和应用目前尚 少，现有的有关底吹气中问包的研究工作不够全面或深入，尤其对气幕挡墙技术在 f t s c 中间包内的应用，还没有人进行研究。 本课题利用c f x 商业软件以唐钢f t s c 中问包为原型，对中间包内钢液、气泡 和夹杂物的流动行为进行数学模拟，确定气幕挡墙技术的合理的工艺参数及夹杂物 的去除效果，并与f t s c 中间包现有湍流控制器加固体挡坝的控流组合进行对比， 全面优化和改进中问包结构和控流去夹杂技术，为工业试验奠定基础。 河北理工大学硕士学位论文 l 文献综述 1 1 中间包在连铸中的作用和意义 中间包是连铸主要设备之- - 1 ”。是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操 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。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作 用都是不可忽视的。 在连续铸钢技术发展的初期，中间包只是作为钢液的储存和分配器来使用，如 图l 所示1 2 1 。随着连铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断提高，钢液质量对连铸工 艺的重要意义渐渐为人们所认识。为了保证连铸工序的顺行和多炉连浇，必须确保 钢液有足够的纯净度，要尽可能精确地控制钢液的成分范围，并要在足够长的时间 内保持稳定的钢液温度和过热度【孔。因此，它除了稳流、储钢、实现多炉连浇外， 更重要的是促进夹杂物的排除上浮，把大包注入的钢水均匀地分配给各结晶器，从 而满足纯净钢的品质要求。 图l 中间包工作示意图 f i g 1s c h e m a t i co f t u n d i s hw o r k i n g 总之，中间包在连铸过程中应该发挥的作用有以下几点： 1 净化钢液，在中间包中使钢水中的夹杂物迸一步上浮，进入渣层中； 2 稳定压力，降低钢水静压力，保持中间包稳定的钢水液面，平稳地把钢水注 入结晶器； 3 分流钢水，对多流连铸机，通过中问包将钢水分配到各个结晶器； 4 调整和控制钢水温度，必要时增加加热措施，使钢水过热度保持稳定； 2 - l 文献综述 5 均匀钢水成分和温度，通过控流装置改变中间包内的流动状态，使钢水的成 分和温度更均匀； 6 储存钢水，在多炉连浇更换钢包时不减拉速，为多炉连浇创造条件。 1 2 中间包冶金技术的发展与研究 中间包作为连铸过程的中间容器，已由原来的简单容器转变为具有冶金功能的 精炼反应器。过去为了促使中间包中夹杂物的去除，采用的技术主要是防止钢液再 污染技术，换包时尽量减少钢包渣的卷入，钢包到中问包的浇注采用长水口，防止 钢液与包衬耐火材料的反应，中间包加盖技术等。随着对钢质量的要求越来越严 格，到2 0 世纪七八十年代出现了在中间包中安装堰和坝、过滤器等方法，以此来改 变钢水在中间包的流动形态，增大钢水在其内的平均停留时间，从而达到净化钢水 的目的。 1 2 1 中间包扩容技术 增大中问包容量有两大优点：一是使钢液在中间包内有较长的停留时f b j ，以利 于夹杂物上浮，提高钢液的清洁度。二是便于与拉坯速度配合，有利于换包时顺利 浇注，改善换包时铸坯的质量。对于已建成的中间包，增加熔池深度是扩大容量的 一种有效办法。增大中间包熔池的深度，一方面可以增大滞止时间，另一方面增大 了反应器体积，亦即增大了平均停留时间。此外，较深的熔池表面流速较小，减轻 了液面波动，这对减轻二次氧化也是有利的 m a z u m d a r 等人研究表明，增加中间包深度，降低了旋涡的产生，改善了铸坯 超声波探伤缺陷嗍。 s h i r a k i 等人研究认为：采用大容量中间包提高了高速连铸薄板坯( 厚为9 0 1 0 0 m m ) 的纯净度，同时进行低液位操作促进了夹杂物的上浮【5 1 。 英国钢铁公r a v e n s c r a i g 厂的中间包由2 5 t 扩大到4 5 t 后，氧化铝夹杂不仅数量 减少，而且在铸坯内弧侧聚集的现象明显改善。 张立峰等人研究指出，在控流装置相同的条件下，6 0 t 的中间包比1 0 t 的中间包 【o 】t 多去除4 2 4 ，大颗粒夹杂物多去除2 5 9 ，微观夹杂物多去除1 1 8 1 6 j 。 吴永生等人对扩容中间包的冶金效果进行了研究，得到如下结论：在相同的挡 墙条件下，中问包加高能延长钢液停留时间约3 0 ，有利于钢中夹杂物的上浮分 3 一 河北理工大学硕士学位论文 离。但加高后的中间包，死区体积由原来的3 1 增加到1 5 8 ，因此必须对挡墙进 一步优化【刀。 1 2 2 中间包控流技术 由于中间包正朝着促进夹杂物上浮、分离，对夹杂物进行变性处理以及对钢水 进行微合金化的精炼器方向发展，所以为了进一步提高中间包的冶金能力，有必要在 中间包内增设钢水的控流装置。近年来，中间包内主要的控流装置有挡渣墙、导流 挡板、湍流控制器、条形透气砖及过滤器等隅l 。 1 设置挡渣墙和坝 中间包内设置挡墙和坝是应用最普遍的技术措施。研究指出，设置挡墙可以阻 止表面回流，并使钢液湍流显著的部分集中在注入流区，下游形成流动平稳的熔 池。坝的作用是阻挡沿包底的流动，使流动方向转向上方，减少钢液沿钢包底部流 动的动能，从而降低钢水的流动速度，延长钢水在中日j 包内的停留时问。因此挡墙 设于坝的上游才有改善中间包流动的结果，反之，坝在挡墙的上游，反而使包底铺 展流动更严重。 无控流装置的中间包中死区以及到水口的短路流是很明显的，中间包的体积没 有得到有效的利用。加入挡渣墙、坝能明显改善流动方式通过挡墙迫使流体向下 流动，而坝迫使流体向上流向渣金界面，这样就阻止了短路流。但其对活塞流的改善 很小，大包水口周围液面有湍流存在【9 】。 s s i n g h 和s c k o r i a 的研究指出，坝可以改变钢液的流动形态，消除钢液短路 流，促进钢液产生指向表面的流动，但坝的位置对钢液流动特征影响不大，挡墙的 位置则没有影响【l o l 。 s c k o r i a 等人比较了钢液在装有坝或墙与坝和未设控流装置的中间包内的最短 停留时间。结果表明，设有控流装置时，最短停留时间增加，而且钢液在较宽中间 包内的最短停留时日j 随着坝高的改变而改变，但坝高只限定在一定的范m ( 0 2 5 h o 7 5 r i ) 内才有意义，如果坝高超出了上限值，最短停留时间反而会缩短。其中h 为中 间包熔池深度1 1 1 l 。 杨振南等人对柳钢板坯连铸机采用挡墙前后钢水取样分析后发现：采用挡墙后 钢中夹杂物去除率平均为4 8 3 6 0 2 1 。张晓光研究指出：采用复合挡墙比无挡墙的夹 杂物卷入量减少7 5 t 盱1 。 目前中间包内设置挡墙、坝的形式有单挡墙或坝、挡墙和坝组合以及多挡墙、 正 1 文献综述 坝。其中采用挡墙和坝组合的较多。蔡开科指出单挡墙、坝的中间包钢水的夹杂物 含量为无挡墙、坝的夹杂物含量的9 1 6 ，而采用复合挡墙、坝的中间包钢水的夹杂 物含量为无挡墙、坝的夹杂物含量的6 8 6 1 1 4 1 。 2 设置导流隔墙 导流隔墙是在一个上下游完全隔开的耐火材料上设置若干个不同尺寸和倾角的 孔洞制成的。钢液根据需要的方向流过孔洞，其通过导流隔墙后的流速和方向由孔 的大小和方向决定。 d i p a km 删s 卵等人研究了多种不同控流装置对中间包内钢液流动形态的影 响，结果表明带孔的导流隔墙在改善中间包冶金效果上略有优势【”l 。 英国钢铁厂的实践表明，在六流中间包采用不对称、能承受7 h 以上浇铸的陶瓷 质导流隔墙后，与不设控流装置的中间包的冶金效果相比，内、外侧水口的钢流温 度差降低了7 ，拉漏现象的发生率降低4 0 多，拉坯成形率提高了8 ，并且无水 口阻塞现象1 1 6 1 。 m l l o u r y 等人对a r n l c ok a n s a s 钢铁厂的6 流t 型中间包进行了数模和水模实 验，实验的中间包一种设置了挡墙和坝，另一种除了设置挡墙和坝外，还设置了多 孔导流隔墙1 1 7 1 。研究指出，对于后种情况的中间包来说，流向不同水口的钢液分布 更加均匀，从内侧水口流出的钢液的平均停留时间比前者延长了3 5 ，但对于从外 侧水口流出的钢液来说，平均停留时间却略有些缩短。 3 设置湍流控制器 湍流控制器( t u r b u l e n c ei n h i b i t i n gp o u r i n gp a d ) 是由美国的w c i 钢铁公司于1 9 9 4 年开始研制的1 1 8 1 。对中间包中钢液流场分析可知，盛钢桶注流对中间包内钢液有强 烈的冲击作用，形成了注流冲击区，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旋涡也有影响。因此 有必要研究消除其涡流的措施。 湍流控制器能够改变注流的方向使其反方向流动，使钢液的湍动能在控制器中 得以耗散是因为反向循环流动。另外，在湍流控制器的入口处的环型流能降低大包 注流的速度，最后流体慢慢地流回钢液表面，并且向外流出大包水口。 r d m o r a l e s 等人对安装了不同控流装置的中日j 包流场和温度场进行了水模和数 模实验9 j 。结果得出，装有湍流控制器和导流隔墙的中间包比装有挡墙和导流隔墙 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 一5 - 河北理工大学硕士学位论文 流和扰动现象，有利于降低吸气量，促进夹杂物的上浮，同时减缓了出口流速，从 而降低了注入流温度波动对中间包冶金效果的影响。 l j h e a s l i p 指出：湍流控制器能改变中间包钢液的流动，减少了中间包注流区的 表面湍流现象，减少了出口回流的生成f 2 0 1 。 a k 钢铁厂在改进中间包的实验过程中得出，湍流控制器减少了中间包的钢液湍 流现象，确保了更换钢包期日j 拉坯速度不变。在冶炼超低碳钢时，产品裂纹明显减 少【2 n 。 1 2 3 中间包过滤技术 过滤是将悬浮在液体中的固相颗粒有效地加以分离的常用方法，通过过滤操作 可以获得纯净的液体，或获得作为产品的固体颗粒。在冶金方面，自从1 9 6 4 年k l b r o n d y k e 等发表了对熔融铝进行的过滤研究以来，过滤技术及相关工艺的研究取得 了很大进展口2 】。 2 0 世纪8 0 年代初，美国人首先将陶瓷过滤器技术用于高温合金的净化，使产品 的质量有了很大改进。1 9 8 3 年，日本开始开发过滤技术在炼钢中的应用，并在普碳 钢连铸中进行半工业试验，试验规模达2 0 0 t 以上，脱氧效率达4 0 以上，其后钢液过 滤技术在世界范围受到广泛的注意1 2 3 2 s l 。国内近年来也开展了陶瓷过滤器的开发。 针对泡沫陶瓷过滤器的材质选择、制造技术等开展了大量研究。已研制成功多孔泡 沫陶瓷过滤器，并在高温合金和连铸钢液中试用，取得较好的效果。此外董履仁等 研究了c a o 质直通孔型过滤器在连铸生产中应用，也取得较好的效果阴 由于钢液浇铸温度高、时问长、生产规模大，过滤器工作条件比较恶劣。因 此，钢液过滤器必须满足下列工艺要求： l 。耐高温、能在1 6 0 0 高温下正常使用，能承受钢液通过过滤器时产生的热应 力和机械冲击应力。 2 浇铸过程中能够抵抗渣的化学侵蚀，尽可能做到与中间包寿命同步。 3 既要有效地去除夹杂物，完成过滤的任务，又要减少对钢液的阻力，以保证 较高的生产率。 4 保持温度稳定性，避免钢液通过过滤器后温度过度下降，以保证正常生产。 5 安装使用方便，成本较低。 6 1 文献综述 1 2 4 中间包加热技术 连铸技术的进一步发展需要更加准确控制温度，温度控制的好坏将直接影响到 钢的产量和铸坯质量。中间包的温度控制在连铸生产中至关重要，因为钢水温度或 过热度在连铸的许多操作变量中是很难准确预测的。为保证中间包的钢水在时间上 保持稳定，保证中间包中的钢水温度达到“恒低温浇铸”，需要发展中间包加热技 术1 2 7 l 。中间包加热常利用的是感应加热和等离子加热两种方法。 中间包感应加热分为有芯感应和无芯感应加热，以有芯感应加热应用居多。其 加热原理利用感应线圈使金属产生感应电势和电流，当电流流动时因克服金属自身 电阻而产生焦耳热。图2 为中间包有芯感应加热示意图有芯感应加热在日本的川崎 公司和新日铁室兰厂，以及国内的佛山特钢、温州丰业等厂分别得到使用网。 l 一中问包；2 熔池a ；卜鼓风；4 一风道； 5 注入钢液；6 线圈；卜隔墙；8 熔池b ； 9 一水口；1 0 铁苍；il 通道 图2 中间包有芯感应加热示意图 f i 晷2s c h e m a t i co f h e a t i n gw i t hc o i n f l u e n c e 中问包等离子加热技术的原理是当气体通过电弧时，吸收能量变成导电离子 流，离子复原时能形成高温等离子矩来加热金属。系统主要有一至三支等离子枪及 相应的支撑设备、供电、水冷系统、等离子气体供给装置、测量和控制设备组成。 1 9 8 4 年第一台中间包等离子加热系统正式投产，此后此项技术日趋完善。 虽然等离子加热法、感应加热法已经在中间包成功运用，但它们也各有自己的 - 7 河北理工大学硕士学位论文 弱点。因此人们还在继续研究其他的中间包加热方法。如电阻加热、电渣加热、石 墨电极电弧加热以及高温氮气流加热等方法，但这些加热方法还处于试验阶段。 1 2 5 中间包喷吹气体技术 中间包喷吹气体可以促进夹杂颗粒的碰撞长大和捕捉夹杂，吹入的气体一般为 a r 。最初在中间包中吹氩着眼于脱氢。试验证明吹氩( 标态) 5 0 l m i n 1 8 0 l r a i n 1 可 清除开浇阶段的增氢现象。但是中间包吹氩最明显的效果是去除夹杂物。因为在气 泡上浮过程中，大量的夹杂物与气泡碰撞并粘附在气泡壁上，然后随气泡上浮而被 去除。一个夹杂物颗粒被气泡俘获的过程可分解为几个单元过程 2 9 1 ：夹杂物向气泡 靠近并发生碰撞；夹杂物与气泡间形成钢液膜；夹杂物在气泡表面上滑移；形成动 态三相接触使液膜排除和破裂；夹杂物与气泡团的稳定化和上浮。 日本住友金属鹿岛厂在中间包采用微孔直径2 0 0 i n n 多孔砖吹氩，并在吹氩区的 上游设置一挡墙，实验证明对管线材的h i c 指标有显著改进。新日铁采用旋转喷嘴 ( 如图3 所示) 去除钢中的夹杂，这种方法对5 0 9 i n 以下的夹杂去除效果很明显。 马达齿轮 图3 旋转赜嘴示意图 f i g 3s c h e m a t i co f r e v o l v i n gm u z z l e 中间包吹氩的另一作用是防止长水口结瘤堵塞，为此要把氩气直接吹入长水 口，氨气随钢液进入结晶器后上浮逸出。 直接往水口中吹氩，对于防止堵塞不失为一个简易有效的措施。最常用的方法 是通过塞棒中心的铁管往下吹氩。也可以制成复合的长水口，将多孔材料或吹气槽 镶嵌在水口中或滑板上，吹入的氩气量为o 8 5 m 3 h “1 4 2 m 3 h - l 。吹氩还对减轻结晶 器内钢液的二次氧化有利。 然而也必须指出，水口吹氩产生的部分氩气泡会随钢液进入结晶器内，直径很 小的氩气泡有可能在钢凝固前来不及上浮并析出，造成钢坯和钢板的皮下气泡缺 8 l 文献综述 陷。对于品质要求很严格的钢板，可能成为质量事故的原因。大的氩气泡能从结晶 器浮出，但上浮速度快造成结晶器钢液面波动，对钢坯质量也有不利影响。所以 说，最好的办法还是减轻二次氧化，降低钢液中的a 1 2 0 3 夹杂物，a 1 2 0 3 夹杂少的钢 液，堵塞水口的可能性也少。另外，把从a 1 2 0 3 夹杂改性成为铝酸钙夹杂，也是防 止堵塞水口的有效方法。 1 3 中问包钢液中夹杂物的运动行为研究 在中间包内，钢液始终处于流动状态，夹杂物在其中的运动也因此比平静钢液 复杂得多。许多学者对钢液中夹杂物的运动状态进行深入研究后认为；夹杂物在钢 液中会发生以下几种行为。 1 3 1 夹杂物的上浮 在中间包内，夹杂物依然可以通过上浮从钢液中排除。按常规看法，夹杂物上 浮去除速度服从斯托克斯( s t o k e s ) 公式1 3 0 1 ： “：虹二旦：迪； l 矾 式中： 夹杂物的上浮去除速度，m s 一； 成钢液的密度，k g m 4 ； 见夹杂物的密度，k g m 4 ； g 一重力加速，m s 2 ； 以夹杂物的直径，m ； z 钢液粘度系数，k g m 一s 一。 从本质上来说，斯托克斯( s t o k e s ) 公式所计算的上浮速度是颗粒在重力场中流体 介质内作加速度运动时，受到介质摩擦阻力而达到的终速度，其初速度比该值还要 小得多。而在中间包内，流体本身的流动速度往往比上述速度高出很多，所以小颗 粒的夹杂物，在中间包中将跟随流动的钢液一同运动，只有大颗粒夹杂物在钢液流 速较低的区域能够上浮。如果考虑夹杂物同钢液流动的跟随性，除非钢液的流动方 向偏向上方，否则小粒径的夹杂不可能上浮出来。中间包容量较大时，钢液停留时 间会长一些，但是也没有根本的改变。所以仅仅依靠上浮运动，小颗粒夹杂物无法 从钢液中除去。表1 1 3 l j 给出了夹杂物上浮公式及适应的雷诺数范围，由此可见 9 一 河北理工人学硕士学位论文 s t o k e s 公式仅适用雷诺数r e 小于2 的情况。 表i 雷诺数与夹杂物上浮速度的关系 t a b l e lr e l a t i o n b e t w e e n r e y n o l d s n u m b e r a ，n d r i s i n g v e 1 o c i t y o f 。i 。n c 1 u s i o n s 雷诺数r e 夹杂物上浮公式 电 y ：( p - p , ) g d 2 1 $ z 躺 屹玎d s t o k e s 公式 a l l e n 公式 1 3 2 夹杂物的碰撞和凝并 在流动的钢液中，夹杂物颗粒容易相互碰撞而凝并成更大的颗粒，较碰撞前更 容易上浮，凡是有利于夹杂之间碰撞和粘合的行为都有利于夹杂的去除 3 2 , 3 3 1 ，所以 颗粒的碰撞凝并是夹杂物去除的一种重要形式。 颗粒的碰撞有阻下四种方式： 1 布朗碰撞。夹杂物颗粒在钢液中做无规则的热运动而产生的碰撞，中间包内 夹杂物碰撞属于布朗碰撞的类型很少 2 斯托克斯碰撞。颗粒上浮速度与其大小有关。大颗粒夹杂上浮速度大，在上 浮时可能追上小颗粒夹杂物而与之碰撞成为更大颗粒，因而上浮速度加快，更容易 捕获其它颗粒。在中问包内，斯托克斯碰撞是夹杂物凝并去除的重要形式之一 3 速度梯度碰撞。颗粒沿流线轨迹运动，高速流线上的颗粒将追上低速流线上 的颗粒，只要两颗粒的距离不超过它们的半径之和，颗粒将发生碰撞。这种碰撞和 流场速度有关，当流场速度梯度不够大时，梯度碰撞不是主要的方式。但在某些速 度场有急剧变化的部位，梯度碰撞是可能的。 4 湍流碰撞。夹杂物被夹带入湍流旋涡中，引起夹杂之问的碰撞。湍流碰撞是 夹杂物颗粒凝并长大的重要形式。中间包流场中湍动能耗散率e 值大的区域，很容 易发生湍流碰撞。 1 3 3 夹杂物在包衬壁面上的粘附 各种尺寸的夹杂物，和包衬耐火材料表面接触时，将会枯附在包衬壁面上而脱 离钢液。夹杂物粘附在耐火材料上被去除的事实，可由包衬使用后其原砖层和反应 1 0 l 文献综述 层成分看出。表2 为中问包包衬中a 1 2 0 3 的成分变化。可见反应层( 约3 m m 厚) 中 a 1 2 0 3 有所增加。 表2 中间包包衬中a 1 2 0 3 的成分变化 ! 竺! 垦g 监堡垒! 签墨虫堡熊! ! 坚竺型型! ! ! 竺! ! 虫 部位 原砖层 反应层 ( o a l _ 0 3 肋 包壁 0 8 0 , o 8 4 6 3 3 7 7 0 挡墙和坝 6 2 o - 6 4 3 7 1 2 一v 7 3 o 颗粒粘附到表面上的析出过程，从形式上也可看作是一种传质过程，但具有如 下特点：第一，粘附在表面上的颗粒，受界面力的影响，不能返回钢液，可认为表 面浓度以及逆反应速率均为零；第二，颗粒只有依靠垂直壁面的脉动法向分速度的 推动，才能运动到壁面，扩散对颗粒的传质不起作用。 1 4 中间包气幕挡墙技术的研究 前面已经提到在减少钢中的夹杂物进人结晶器方面，人们采取了大量的措施， 如设挡渣墙、坝、过滤器等，但这些措施都有一定的局限性。过滤器的作用时间 短，作用小且投资较大；挡渣墙、坝不仅投资大，而且其本身又可能因其熔损而增 加钢中的夹杂物；加大中间包深度将会增大耐火材料消耗，且存在与铸流及钢包容 量匹配等问题。大量试验证明，向钢液中吹入氩气是最简单，也是十分有效的去夹 杂措施i 蚓。 中问包气幕挡墙就是利用底吹氩理论，在中间包中钢液注入端和水口端间的某 一位置在垂直于钢液宏观流动方向埋设一排透气砖，通过透气砖吹入氩气形成气泡 流。中间包底吹氩气能够通过气泡的搅拌作用，促进中阃包钢液内部的热量交换， 使温度和成份得到均匀，同时，由于气泡与夹杂物碰撞吸附到一起，使得粒径增 大，上浮速度增大，易于被钢液表面的渣层所吸收，从而进一步促进夹杂物的去 除。 综合国内外的报道，法国的阿勒瓦尔钢厂、比利时的c r m 钢厂、日本的川崎制 铁、以及美国l u k e n s 钢厂等，都对中间包吹氩技术进行了大量的开发研究工作，并 应用到生产实际当中，应用结果表明，使用中间包底吹氩气后，可以得到较高的夹 杂物去除率，c r m 钢厂钢中夹杂物含量降低了2 5 。我国部分高校己经开展此项技 河北理工大学硕士学位论文 术的研究工作，但对此方面的报道较少。随着对钢洁净度要求的提高，越来越多的 钢铁企业着眼于不断改善中间包内流场形态，延长钢液平均停留时间，充分利用中 日j 包作为反应容器，不断提高对夹杂物的去除率。 与钢包不同，中间包吹氩的主要作用不是为增强搅拌，而是通过惰性气泡清洗 钢液，从而达到去除夹杂甚至脱气的目的。中间包采用多孔砖吹氨试验表明：合理 布置多孔砖还有控制沿包底钢流的作用。此外，新日铁在中间包内吹氩，从实验效 果看夹杂物的去除率相当高。 当气流形成气幕后可产生以下作用： 1 改变中间包流场，阻碍大颗粒夹杂物由中问包的注流区向塞棒区移动。 2 氩气泡在上浮过程中带动夹杂物上浮，并起到真空泵作用，进行脱气。 3 增加钢中夹杂物相互接触和碰撞的机会，促使夹杂物长大、上浮，从而使夹 杂物被中间包渣吸收。 4 可改变中间包塞棒区的流场，减小塞棒区上部钢液向下的流速从而减少夹杂 物被卷人结晶器的几率。 中问包底吹氩形成气幕挡墙去除夹杂物的原理是将具有一定压力的氩气通过喷 枪或吹氩透气砖输送到钢液中，形成气泡，气泡上浮过程中又因浮力作用，将钢液 抽引并使之在气液区内产生由下向上的流动；当气泡到达顶部时就转入水平方向并 流向包壁；之后在包壁附近向下回流，再次在包中、下部被抽引至气液区内，如此 循环流动形成环流。在环流过程中，大颗粒夹杂、脱氧产物在流经顶渣下部区域时 传递进入顶渣，同时吹氩形成的气泡在钢液中形成相对真空，起到了对钢中气体的 捕集和排除作用。中间包吹氩的作用正是利用全浮力模型循环流场的特点来清洁钢 液，均匀温度、均匀成份。 图4 夹杂物颗粒和气泡碰撞的现象 f i g 4p h e n o m e n o no f c o l l i s i o nb e n v e e ni n c l u s i o na n dg a s - 1 2 l 文献综述 要使气泡能捕获夹杂并把它带出钢液，首先要使夹杂物颗粒和气泡相碰撞。在 气泡上浮过程中，夹杂物颗粒和气泡碰撞或被拦截的现象如图4 所示1 3 卯。气泡捕获 夹杂物的总概率p 为： p = 只只乃( 2 ) 式中： 只颗粒接触气泡的概率； 只一接触后颗粒附着的概率； 只一阻止附着于气泡的颗粒逃脱的概率。 许多研究证明，夹杂物去除速率等于气泡产生率和每一气泡和颗粒碰撞数的乘 积： 寺= 融日( 锁等呐) ( 默翻 = 【l4 8 9 够昱q 弓只嘛蜘， 2 c o n 溶t - ( 3 ) 式中； 盔气泡直径，m ； d 。一夹杂物直径，m ； q 氩气流量，m 3 s 1 。 由上式可知，吹氩量越大，气泡直径越小，欢氩深度越深，则上式中的c o n s t 越 大，亦即夹杂去除率越高。中问包吹氩适宜用小的气泡，有利于捕获更多的夹杂物 颗粒。这和钢包吹氩搅拌的目的是有区别的。另外，氨气泡会带走一些热量受热 平衡的限制，中间包吹氩流量不能很大。 川上正博用感应炉进行底吹氩实验，研究钢液铝脱氧速率的影响。氩气纯度 为9 9 9 e o ，流量( 标态) 选用5 l m a n 1 和i o l m i n 1 两种。应用脱氧速率常数和单位搅 拌功率g 关系曲线的斜率不同，分解出两种速率常数：和。前者为搅拌促进夹 杂物长大去除，后者为气泡捕集夹杂物去除，结果如表3 所示。 从实验结果可以看出，底吹氩时氩气泡兼有促进颗粒碰撞长大和捕捉夹杂物两 种作用。 本钢在大板坯连铸机中间包上用气幕挡墙进行了对比试验，中问包一流安装气 幕挡墙( 为气幕侧) ，另一流不安装气幕挡墙( 为正常侧) 。中间包气幕挡墙布置如图5 - 1 3 河北理丁= 大学硕士学位论文 所示。表4 给出了气幕挡墙对铸坯内夹杂物的影响。试样l 和2 为第二和第八炉有 气幕侧的铸坯样，试样3 为第五炉无气幕侧的铸坯样。可见采用气幕挡墙后，连铸 坯中没有发现 4 0 岬的氧化物夹杂和 3 0 p r o 的硫化物夹杂，对铜水洁净度有较大的 改善。 图5 中间包气幕挡墙布置示意图 f i g 5s e t t i n go f g a sc u r t a i ni nt u n d i s h 表3 吹气量和温度对脱氧速率常数的影响 ! 生! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 堡鲤罂! ! ! 曼堡堡鲤! 臻翼堡曼唆塑! 型壁! 堡罂! 些l 旦 吹气量，l m i n 1 1 5 5 0 c1 6 6 0 c1 6 5 0 1 2 注：表中数据，分子为k 值，分母为r ，值，括号内为茁( = x o + r p ) 值，删r a i n 一 表4 气幕挡墙对夹杂物种类及数量的影响 ! ! ! 丝哟! ! ! 堡! ! g 篓! ! 塑也! ! 塑翌堕虫型媲嬲! 唑耍删蚓! ! a 1 2 0 3 类夹杂物的个数 簇群状m n s 夹杂物的个数 l 文献综述 1 5 数值模拟在中间包冶金中的应用 中间包内发生的物理和化学过程十分复杂，很难用数学分析解法对其进行研 究。既使列出描述其工作过程的数学物理方程，由于定解条件的复杂性和控制方程 的非线性，几乎不可能得到解，故这些方程很难用解析方法求解。因此，对诸如中 间包冶金这样的工业过程，过去最常用的研究手段是现场试验和模拟试验研究。二 十多年来，随着计算机技术和数值方法的发展，利用数值解法把描述中间包传输过 程的控制微分方程离散成代数方程组，再利用计算机求其数值解。这种数值模拟方 法为中间包传输过程研究提供了强有力的工具 中间包传输过程涉及流体力学、传热学、传质学和冶金反应工程学等学科，其 数值模拟基于计算流体力学、计算传热学、计算传质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的质量、动量、能量及组分守恒偏微分方程 组，通过数值分析，预报出流动、传热、传质过程的细节，即给出整个流场中各变 量的时空分布，进而分析传输过程的速率和效果。 中问包内钢液的高温条件使得许多现场测试和实验的设想难以实现，这时数值 模拟方法就表现出其独特的优势。如果我们以合理的数学物理模型描述中问包工作 过程和采用正确的数值方法时，中间包工作过程计算机模拟就能以较小的费用和较 短的时间预示有指导意义和实用意义的研究结果，同时，可为我们提供详尽和完整 的数据，从理论上讲，可以模拟中间包工作过程的各种工况，模拟实际生产中难以 提供的理想工况和某些生产中不允许出现的特殊现象。可见，中间包传输过程的计 算机模拟是中间包结构优化、工艺优化和过程最佳控制设计的必不可少的工具和手 段。所以，越来越多的研究人员关注和从事中间包冶金过程数值模拟的研究和应 用，对中间包进行计算机模拟的技术和方法也在不断发展和完善。 目前，中间包工作过程的数值模拟技术主要应用如下：模拟中问包内钢水流动 过程，分析和判断钢水流动的合理性；模拟中间包钢水传热过程，分析对中问包出 口钢水温度影响的因素；模拟中间包钢水的传质过程，分析钢水在中间包内平均停 留时间，短路流、中间包的死区及返混区状况等等；模拟中间包内钢水夹杂物的流 动过程，分析中间包去除夹杂物的能力；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等。 通过上述数值模拟研究，提高和加深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问的定量关系，优化工艺过程和实现 1 5 河北理工大学硕士学位论文 对工艺过程的自动控制，指导现场试验的设计，以节省费用。也可以对新设计的中 间包进行优化、对其工作状态做出较准确的估计。在一定条件下，甚至可替代中试 厂或现场实物的开发性试验。 1 5 1 中间包钢液流动和夹杂物运动的数值模拟研究 钢液在中间包内的流动是一个复杂的湍流流动过程，对于湍流流动过程的描述 采用时均化处理，同时为解决由于脉动引起的动量变化即雷诺应力造成的方程不封 闭，1 8 7 7 年b o u s s i n e s q 引入了紊流粘度的概念，使湍流方程和层流统一于有效粘度 的概念。目前，紊流粘度系数的模型主要有三种类型：零方程模型、单方程模型和 双方程模型。在解决中间包流场的计算中一般采用k - s 模型。描述钢液在中间包内 流动的方程有连续性方程、动量方程即( n a v i e s - s t o k e s 方程) 、以及描述湍流摩擦的 k - s 方程。 中自j 包是一个连续的冶金反应器，其内部流场的特征是：不规则、有旋性、三 维性和扩散性，而且中间包对于钢的质量有着重大的影响。因此，很多研究者都对 中间包的流动状态作了等温二维、等温三维和非等温三维的计算。张力峰等人认为 中间包确实是一个非等温流场，对于非等温无流动控制的中间包夹杂物的上浮条件 并不差。中间包内设控流装置首要作用应该是将有钢液流所引起的湍动能限制在入 口处，这将有利于非金属夹杂的碰撞和聚合而快速上浮，同时，减少因表面卷渣、 二次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量。控流对于中间包内的钢液温度的均匀有一定 的影响。 ， 随着连铸技术的迅速发展以及市场对高质量、高纯净钢的需求不断提高，连铸 过程特别是中间包钢