中间包新型结构设计和流场模拟毕业论文.doc

中间包新型结构设计和流场模拟摘 要随着炼钢技术的不断发展，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，对延长钢水在中间包内的停留时间，减少卷渣和改善夹杂物的上浮去除有着重要的作用，直接影响着连铸坯的质量。因此，分析并设计新型的中间包结构，研究并分析中间包内钢液的流动状况，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。本实验是在分析中间包挡墙的发展的基础上，针对连铸生产的现状，提出了新型中间包挡墙的设计思想，通过增强中间包的冶金功能，改善中间包的挡渣性能。实验采用数学模拟和中间包水力学模拟相结合的方法，运用流场分析软件FLUENT建立中间包的数学模型，通过模拟具有不同内部结构的中间包，计算不同条件下中间包的流场状态，分析了不同的结构对中间包流场的影响，并优化了中间包结构。研究表明，优化后的中间包内钢水流动状况较优化前得到较好改善，更加有利于钢水的净化，加强了中间包的冶金功能，提高中间包的寿命，提高生产率，在生产中发挥良好作用。关键词：中间包；物理模拟；数学模拟；控流装置；FLUENT软件AbstractWith the development of steel-making technology, it becomes more and more important to improve the cleanliness and quality of casting steel. The flowing condition of molten steel in tundish is considered very important to lengthen the residence time of molten steel in tundish, reduce the wrapped slag and improve the floating and excluding of inclusions included in molten steel. It will have direct effect on quality of casting products. Therefore, it is very significant both in theory and practical application to analyze and design the new-style of tundish construct and study and analyze the flowing condition of molten steel in tundish.The experiment base on the analysis of the tundish barricade development, contrapose the present status of continuous casting, present the ideal of design a new tundish barricade, through enhance the metallurgical function of the tundish, improve the tundish performance of pushing off the slag. The experiment adopts the mathematical simulation and tundish hydraulics simulation. The field analysis software FLUENT is used to base the tundish mathematics model, by simulating tundishes with different inner structures, calculating the flowing state in tundish of different conditions. Analyzing the effect of different constructs on the tundish flowing field.The research proves that the flowing condition of molten steel has been much improved compared with that of molten steel in former tundish, which is not optimized. It becomes more facilitated to clean the molten steel, reinforce the metallurgy function of tundish, increase the life of the tundish, increase the productivity, exert the good effect on stream.Keywords： Tundish; Physical simulation; Mathematical modeling; Flow modifiers; FLUENT software 目录 摘要IAbstractII第一章 绪论111 中间包冶金的发展和现状112 本课题的研究意义113 本课题的研究内容214 本课题的创新点2第二章 文献综述321 连铸技术的发展概况322 中间包冶金技术的发展3221 中间包冶金概述3222 中间包内部结构的演变4223 中间包内衬用耐火材料发展历程8224 中间包模拟技术的发展概况923 连铸坯的夹杂物来源1124 连铸中间包钢水中夹杂物的清除11第三章 理论基础1331 物理模拟的理论基础13311 物理模拟方法13312 相似准数及模型比例的选取14313 刺激响应实验技术14314 RTD曲线分析1632 数学模拟的理论基础18321 有限单元法与数值模拟技术18322 有限单元法分析18323 数值模拟软件的选择19324 中间包数值模拟的基本假设20325 中间包数值模拟的基本方程20第四章 中间包内钢液流动的物理模拟2341 物理模型的建立2342 实验装置2443 实验方案2444 新型结构的优点2645 实验内容和实验结果2646 水力学模型总结35第五章 中间包钢液流动的数学模拟3651 FLUENT软件简介36511 程序的结构36512 FLUENT程序可以求解的问题38513 用FLUENT程序求解问题的步骤3852 边界条件的处理3953 网格的划分4054 流场计算结果分析42541 速度场的计算结果分析42542 温度场的计算结果分析4555 数学模拟总结48结论49致谢50参考文献51附录A53附录B62第一章 绪论11 中间包冶金的发展和现状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口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。因此，作为钢的冶炼过程中的最后一个耐火材料容器，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点，中间包的作用是不可忽视的。它除了稳定注流、实现多炉连浇外，更重要的是起到促进夹杂物的上浮排除和纯洁钢液的重要作用。中间包内钢液的流动状态对延长钢水在中间包内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物的上浮排出有重要作用，它直接影响到铸坯的质量。为了得到高清洁度的连铸钢坯，许多冶金工作者致力于研究中间包内钢液流动的控制形式和夹杂物在其中的运动行为，以优化中间包内型设计，提高铸坯实物质量。近20年来，关于中间包冶金的学术研究逐渐成为国内外热门论题，且研究成果己转化成在生产中实际应用的技术措施。基于中间包在在当今连铸生产中发挥着巨大的作用，其结构对钢水的流动状态和连铸坯的质量有着很大的影响，由此提出本课题的研究意义和内容。12 本课题的研究意义中间包作为进入到结晶器的最后一个容器，对钢材的质量影响很大，随着钢材的质量要求的提高，中间包冶金技术受到越来越高的重视。很多学者研究指出中间包内的流场对钢材的质量和夹杂的去除都有极其重要的影响，因为中间包内的基本物理现象是钢液的流动，各种冶金过程都是在流动的钢液中进行的，所以研究中间包的流动现象是中间包冶金的基础，而直接测量高温下的钢液的流速不仅测量技术方面有难度，而且研究费用也高，所以根据相似原理，对中间包进行数值和物理模拟然后指导现场生产是降低成本以及见效快的可靠方法。13 本课题的研究内容本实验的研究内容主要有：(1) 设计新型的中间包结构。(2) 对新型的中间包结构进行数值模拟，确定其具体参数以及位置，研究新型结构的流场、温度场。(3) 研究新型结构水力模型模拟，检验数值模拟得出的结果。(4) 研究新型结构去除夹杂的能力。14 本课题的创新点(1) 新型的中间包结构优化(2) 对新型结构进行物理数学模拟第二章 文献综述21 连铸技术的发展概况钢铁作为一种重要的原材料，在世界各国的经济发展中起到举足轻重的作用。连铸技术的开发与应用是钢铁生产一次重大的技术革命。大型化，连续化和自动化的是现代工业生产技术的总体发展趋势。近几十年来连铸工艺已经成为钢铁冶金过程中广泛采用的一种先进工艺。早在19世纪中叶英国发明家H.Bessemer提出了双辊法连续铸钢的专利1，差不多经过一个世纪的努力，连续铸钢才于本世纪50年代初用于工业生产，其特点是过程速度快，投资集中，技术日趋完善。自从连续铸钢工业化以后，由于其与模铸相比具有节约能源、降低消耗、节省投资、生产成本较低、钢的质量较好以及劳动生产率较高等优点而在钢铁生产中迅速得到推广应用。70年代，连铸进入了迅猛发展时期，各类连铸机由70年代初的300余台增加到1400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发展。80年代以来，连铸进入完全成熟时期，进入90年代连铸技术日趋完善，世界上许多炼钢厂相继以全连铸生产取代铸模生产。到1994年全世界连铸比为72 .4%，连铸坯产量已达500Mt/a以上，实现全连铸的国家已达24个，更为普及2。22 中间包冶金技术的发展221 中间包冶金概述随着连铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断提高，使人们不能再把中间包作为一个简单容器使用，而是力争在中间包内进一步去除夹杂物，并防止钢水再污染。为此人们提出了中间包冶金的概念，并在实践中得到重用。中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，这个概念是在20世纪80年代初期被提出来的，多伦多大学教授A.McLean是首创者3。近20年来，关于中间包冶金的学术研究逐渐成为国内外热门论题，且研究成果己转化成在生产中实际应用的技术措施。中间包是钢包与结晶器之间的中间容器，在连铸过程中起到重要作用。使用中间包的目的是减少钢水的静压力，使钢流平稳，减少钢流对结晶器内钢液的冲击力和搅拌；钢水在中间包内停留时，使非金属夹杂物有机会上浮；在多流连铸机上，可以通过中间包将钢水分配到每个结晶器；在多炉连浇时中间包可以贮存一定数量的钢水以保证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铸速和不使钢水面降到熔池最低温度之下；并且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4。我国亦从80年代中期开始了中间包冶金方面的研究，随着中间包冶金技术的发展，中间包已经由一个简单的过渡容器发展成为具有多功能的连续冶金精炼反应器5。总体而言，中间包冶金应该发挥的作用有 ：(1) 消除钢液再次被污染的来源，即防止二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少盛钢桶渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害；(2) 改善钢液流动条件，尽可能最大限度地去除钢中非金属夹杂物，亦即防止短路流，减小死区，改进流线方向，适当增加钢液在中间包内的停留时间；(3) 选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，既减轻钢液的热损失又有利于吸收从钢液中分离和上浮的夹杂物；(4) 控制好钢液温度，必要时增加加热措施，使钢液过热度保持稳定6；(5) 相关技术的发展，如大包下渣监测系统、中间包液面控制系统、加热设备、合金微调、夹杂物形态控制等等7。中间包冶金有独特的理论特点和研究方法。作为一种连续操作的反应器，它与转炉、电炉以及钢包等间歇操作反应器的概念是不同的。在中间包冶金中，反应工程学的原理得到更多更深入的运用。但中间包并非单相的理想流动，而是钢和渣这两相的复杂的流动，而且有数量巨大的弥散相颗粒的碰撞和运动。中间包内钢液的温度场既不是等温的也不是绝热的，而在非等温条件下传热和流动相互促进互为结果8。所以对中间包冶金过程的研究，也进一步丰富了冶金反应工程学的内容。222 中间包内部结构的演变为了使中间包冶金达到上述目的，冶金工作者不断地对中间包的结构进行优化，先后开发了三种类型的中间包结构：第一种：整体式中间包；第二种：挡渣堰、挡渣墙结构；第三种分流挡渣墙阶段。(1) 最早的连铸机多为单流或双流，由于连铸的炉数较低，中间包只起到减少钢水压力、均匀钢水温度和钢水成分的作用，因此早期的中间包内是不设任何结构的。随着中间包湍流控制技术的进步，这种技术在大型中间包上逐步成为主流发展趋势。(2) 为了促进夹杂物在中间包内很好的上浮，提高连铸钢水的纯净度，冶金工作者在中间包内设置了堰、坝结构。图1.1是典型的两流大板坯连铸中间包的堰、坝结构。通过对中间包内部结构的修改，中间包对早期钢水及钢渣有效的分离起了很大的作用，但随着连铸速度的逐步提高，生产效率和生产节奏的加快，传统的堰、坝结构已不能适应连铸生产的需要，因此又有了第三种中间包内部结构。 图1.1 两流大板坯中间包的堰、坝结构示意图(3) 第三种中间包的内部结构是在第二种基础上发展起来的，将原先的堰、坝结构合并成挡渣墙结构。图1.2是典型的两流大板坯中间包的挡渣墙结构。钢水经挡渣墙的分流孔流入浇注区，将钢渣挡在上水口区，从而避免了钢渣流入结晶器内的可能。图1.2两流大板坯中间包的挡渣墙结构示意图(4) 为有效的体现中间包流股的作用，延长钢水在包内的滞留时间，保证夹杂物的充分碰撞，利于夹杂物的上浮，充分发展活塞流，研究者们在中间包内设置了湍流器，这对于中间包内部结构的优化是一个质的飞跃，成为中间包内部结构优化的主流方向。近年来随着连铸技术的不断提高，中间包的冶金技术也有了很大的发展。随着拉速不断提高，钢水在中间包内的停留时间相应减少，不利于夹杂物上浮去除，铸坯质量将会受到影响。为了解决这个问题，必须延长钢水在中间包内的停留时间，因此只有合理地控制钢水流动状态，充分利用中间包容积才能发挥中间包去除夹杂物的能力。连铸中间包是钢水进入结晶器之前的最后一个冶金容器 ，其作用已不仅仅局限于传统意义上的减压、稳流、去渣、贮钢和分流。随着连铸技术的不断发展,对钢水的质量要求越来越高,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。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9。自从20世纪70年代开始出现了在中间包内安装挡墙和坝的方法以来，该技术由于简单易行一直被普遍应用，其设计方法也是多种多样。中间包内设上挡墙、下挡墙的主要作用是:控制钢水在中间包内的流动路径,延长钢水在中间包内的停留时间,从而利于夹杂物的上浮。设置上挡墙可以控制钢包注流冲击区的大小,将随钢包注流进入中间包的炉渣控制在注流区内,减少对钢液的二次污染。设置下挡墙可以减少沿钢包底部流动的动能,从而降低钢水的流动速度,延长钢水在中间包内的停留时间 。目前中间包内设置挡墙的形式有单挡墙、双挡墙和多挡墙。其中采用双挡墙的较多10。设置挡墙对去除大型夹杂效果明显，但对去除中小型夹杂效果甚微，因此许多研究者又开发了一种新的去夹杂物技术一钢液过滤器11。这是一种去除A1203或簇状A1203的十分有效的方法。日本钢铁研究实验室与Kobe(神户)钢厂12合作，在连铸中间包上，采用环状叠加式过滤器，对铝镇静钢进行过滤表明，陶瓷过滤器不仅可减少钢中大、中型夹杂物，而且也能去除一定数量的微型夹杂物。董履仁等研究的CaO质直通孔型过滤器是同时改善流场和去除夹杂的有效措施13。国内已研制成功多孔泡沫陶瓷过滤器，这是一种深层过滤器，过滤效果比较显著 ，能去除A1203夹杂物 ，目前大多使用泡沫陶瓷过滤器过滤A1203夹杂。千叶厂研制了陶瓷狭孔过滤器，过滤后能全部去除夹杂，亦能有效的去除小于5pm的夹杂物14。尽管目前过滤器种类不少，使用过滤器去除钢液中的夹杂物已取得了一定效果，但是此项技术并没有被广泛地应用于连铸生产，其主要原因是:1)钢液温度高，浇注时间长，对过滤器的冲刷和侵蚀严重，其寿命短；2)过滤器的比表面积有限，孔眼易被堵塞，难以满足钢液连续过滤的要求；3)陶瓷过滤器制造工艺复杂，生产成本较高。人们在研究过滤器的同时，也在考虑一种无污染的钢液过滤技术气体净化。向中间包内吹入惰性气体，使其产生的小气泡幕将夹杂物从钢液内部带到表面 ，从而被渣层所吸附，以达到净化钢液去除夹杂的目的15。很多研究者在这一方面进行了研究16-17，如比利时的CRM钢厂在中间包内埋设透气管，浇注过程的控制得到改善，氧化物夹杂物含量降低:德国一公司在20世纪90年代初期，进行了中间包安装透气梁的试验，结果显示大尺寸夹杂物全部去除，小尺寸夹杂物降低50%,微细夹杂物的去除没有多大改善。戴朝珊等通过弥散型透气砖向中间包内吹入均匀分布的惰性气体，能起过滤、净化钢液的作用，夹杂物上浮率提高。新日铁研制了一种族转喷嘴,借助旋转叶轮使吹入中间包的气泡分裂成微细气泡，分散在钢水中，促进捕捉夹杂物上浮，对50lm以下的小型夹杂物效果非常明显。有人开发了另一种吹气技术，通过喷嘴向中间包内的钢水吹入一定速度的惰性气体，并使惰性气体与设置在离喷嘴顶端一定距离的固体壁冲撞、溅散，这种冲撞、溅散的微细气泡就会积极地捕捉钢水中的夹杂物。根据报道，该技术分散、捕捉钢水中夹杂的效果好，能够生产纯净度极高的钢。向中间包内吹气还可防止长水口结瘤堵塞，对减轻结晶器内钢液的二次氧化也有利。但由于中间包钢液深度比较小，吹气易导致钢水面的翻腾，而使上浮的夹杂物及保护渣重新卷入钢液深处，使钢水纯净度劣化，所以在寻求吹气来改善钢液流动的同时，抑制渣的卷入也是非常重要的18。湍流控制器( Turbulence Inhibiting PouringPad) 的研究工作始于1994 年。美国WCI 钢铁公司原来的中间包是双挡墙的结构，但是通过生产实践发现这种中间包中的永久层侵蚀的程度很严重，并且由于在边墙的裂纹导致在中间包无法使用碱性的覆盖剂；当中间包低液面操作时，坝上的泄流孔会影响中间包的混合能力，有时会造成短路流。很显然这种中间包的大部分弊端是由于这种中间包不能控制由于大包注流带入的湍流动能而引起的。中间包内的湍流如果不能很好的得到控制，那么不利于中间包内夹杂物的去除，有时甚至是中间包内夹杂的来源。湍流是由进入中间包内的高速钢水流引起的。在稳态时是可控的，但在往中间包内注钢水以及换包时和其它非稳态工作时这种湍流是不可控制的。曾试图通过加大缓冲垫和增加工作层厚度控制湍流，但这种方法是行不通的。表面带波纹的缓冲垫若波纹是朝着边墙的方向可使湍流增大，若波纹朝着水口的方向则易导致短路流。正是基于这个原因WCI 钢厂开始寻找和研究一种限制大包注流冲击能的装置。在控制器中改变注流的方向使其反方向流动。这种控制器能使湍流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。各种控流装置都会改变钢水在中间包内的流动路径和方向，延长钢水在中间包内的停留时间，从而利于夹杂物的上浮。通过水模实验表明：控流装置可以提高活塞流的体积分率，降低死区的体积分率，使中间包的容积得到充分的利用。但只采用一种控流装置的效果并不是很好。实践证明，在连铸中间包内同时使用上述多种控流装置能显著提高钢水的纯净度。223 中间包内衬用耐火材料发展历程中间包内衬一般包括隔热层、永久层、工作层。内衬耐火材料是随着连铸技术进步，以及高效率生产的需要而逐步发展变化的。永久层上世纪70年代中期主要为粘土砖、高铝砖。80年代末期开始使用高铝砖及不同材质的不定形耐火材料。最初，中间包工作层也是永久层，随着浇注次数增多和通钢量增大，及减少温降的要求，中间包工作层经历了耐火粘土砖（永久层即为工作层）、绝热板、喷涂料（涂抹料）以及干式振动料（即干性工作层）的发展历程。(1) 中间包绝热板时代。中间包绝热板一般有硅质、镁质和镁橄榄石质三种，突出的解决了中间包散热和保护问题，同时改善了劳动条件。由于本身材质的原因，这类内衬寿命比较低，同时污染钢水，影响铸坯的质量，因此已逐渐被淘汰。(2) 中间包喷涂料（涂抹料）时代。一般采用镁质、镁钙质喷涂料（涂抹料）。目前，连铸中间包大部分采用这种内衬材料。喷涂料（涂抹料）具有抗侵蚀，良好的施工性能和烘烤适应性，导热系数小，不污染钢水（镁钙质），使用寿命长（与绝热板相比）等优点。但是改种工作层气孔率较大，易形成附渣层，加大了熔渣对涂料的侵蚀，减少了中间包的有效容积，同时由于侵入熔渣的膨胀系数和方镁石不同，在温度剧烈波动时，导致涂料层出现结构崩裂和剥落，污染钢水。由于施工过程中有水的加入，会使MgO、CaO水化，烘烤时涂料表面存在裂纹，烘烤时间较长，蒸发的水分对永久层浇注料有破坏作用，还会使钢液产生氧化和增氢。涂料的使用寿命一般为810小时，不能有效达到提高生产效率，降低成本、低能耗、低消耗的目的。(3) 整体中间包干式工作衬。近年来，在连铸生产中，尤其是小型连铸机的中间包上，以开始使用整体中间包干式。它具有绝热板和喷涂料的双重优点，具有抗侵蚀、易于脱包、有利保温、施工方便。可以快速烘烤（或不烘烤），增加了中间包的利用率。由于不含水分，可以减轻对钢水的有害作用，提高连铸坯质量。与喷涂料（涂抹料）相比，烘烤时间短，有利于降低能耗，减轻劳动强度和提高劳动生产率。干式工作衬使用寿命长，一般可达20小时以上，高者可达到6070小时。生产实践证明，这将是今后中间包工作衬的发展方向。224 中间包模拟技术的发展概况中间包内基本的物理现象是钢液的流动，各种冶金过程都是在流动的钢液中进行的。因此，要充分发挥中间包的冶金功能，提高进入结晶器中的钢水质量，研究中间包内的钢液流动现象是中间包冶金的基础。由于中间包是一个高温反应容器，要想测量中间包内高温钢液的流速，不仅在测量技术方面有难度，而且研究费用也很高，更无法直接观测钢水及其中夹杂物在中间包中的流动状态。为此，人们通常采用模拟方法对中间包内的传输行为进行研究。在开发新工艺以及改进现有工艺时，模拟研究是一种成本低、见效快的可靠工具19。模拟可分为物理模拟和数学模拟两类，其中物理模拟又包括冷态模拟和热态模拟两种方法。物理模拟是通过物理模型和借助于必要的测试手段对所研究体系的过程进行观察和显示。数学模拟是指用数学模型来使现象或过程再现。近年来，随着冶金技术和计算机技术的迅速发展，冶金学理论和工艺的研究方法，控制技术也随之发生了重大变化。传输理论分析技术和反应工程学研究方法已被广泛应用于冶金过程的研究和工艺开发。利用计算机硬件和相关的服务性软件，依靠数学模拟方法已经成为冶金过程研究的重要手段之一。数学模拟是基于计算流体力学、传热学、反应工程学的原理，用数值方法求解联立的质量、动量、能量等偏微分方程组，通过数学分析，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，这样的数学模拟方法成为工程装置优化、仿真设计和实现过程最佳控制的有力工具。其优点主要表现在以下几个方面20:(1) 经济性，与其它方法相比，数学模型用数值法求解时可以以相当快的计算速度求解所研究的问题，且成本很低。(2) 资料系统详尽，数学模型的计算结果详尽、完备，它可以提供过程有关变量在时间和空间域内任一点的值。(3) 具有模拟极端条件的能力，它可以帮助确定临界操作条件，模拟生产中不能实现的、极端条件的操作；(4) 它是过程控制的基础，在过程预测和在线控制方面，数学模型具有绝对优势。在中间包冶金研究领域中，采用数学模拟研究的方法主要用于计算中间包内的流场，关于这方面的文献很多21，但归纳起来，主要分为两大类，一类是利用商业软件对流场直接进行计算；另一类是针对所研究容器的特点自行编制程序进行计算。利用计算流体力学的基本知识建立数学模型对中间包被钢水的传输过程进行模拟的研究从八十年代的初期就开始了，但早期的研究主要是在大量假设条件的基础上，建立二维数学模型对包内钢水的流动、传热等一些现象进行模拟。可中间包是一个典型的三维冶金反应器，利用二维数学模型难免会产生一些缺陷。因此就发展为后来的三维数学模型。其中开发的流体力学软件包主要有CFXFLOW3D，PHOENICS，FLUENT，STARCD，FIDAP等。尽管数学模拟方法在冶金过程研究中的应用范围不断扩大，然而，还要清楚地认识到，控制冶金过程的物理现象是极其复杂的，很难精确模拟。不论是自行编制程序还是利用商业软件来研究流场，对以下问题尚不能很好地解决:(1) 准确模拟自由表面，保证计算精度。(2) 多相体系问题，如解决多相体系中的界面不稳定问题。(3) 伴随化学反应的湍流问题22。物理模拟方法是从相似理论出发，借助于必要的测试手段，对体系的过程进行观测和显示，根据物理模型和原型的单值相似、相似准数相等和过程机理相同，则模拟效果相同的原理，按一定的比例把原型放大或缩小，测定模型条件下的参数，观察其中的规律，并按相似原理得到原型的参数，达到直接预测原型的效果的研究方法。同数学模拟相比，物理模拟技术可靠，是一种相对直观、简单易行的实验方法。Martinez等人研究指出：中间包水力学模型对于研究中间包内流体的物理模型具有普遍意义，它可以定性和半定量地研究，水模型预测结果可以很好地应用于实际生产。物理模拟流体的流动状态起源于十七世纪中叶，归功于一系列流体相似理论的建立。1914年百金汉首次显式地叙述了量纲分析中一个重要定理即二定理，1922年布里奇曼完整地叙述和证明了二定理，从而为物理模拟流体流动实验奠定了坚实地理论基础23。数学模拟和物理模拟是不矛盾的，一方面是数值计算的手段充实了物理模拟，另一方面是用物理模拟弥补了数学模型中参数失真的情况，确定了数学模型的适用范围。在中间包冶金技术的研究中，里用数学模拟和物理模拟相结合的研究方法，会更见成效。概括起来，数学模拟和物理模拟的作用主要表现在以下几个方面：(1) 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；(2) 探索工艺过程各参数的变化规律及它们之间的定量关系，以优化工艺和实现对工艺过程的自动控制；(3) 指导中间场和现场实物实验的设计和规划，以节省开支24。23 连铸坯的夹杂物来源随着连铸技术的不断发展进步，用户对钢材质量要求也越来越高，迫切地想得到夹杂物很少的纯净钢，但是目前连铸坯的质量尚不够理想，而影响连铸坯及轧材质量的主要因素之一就是非金属夹杂物。连铸坯中外来夹杂物的主要来源有25：(1) 二次氧化产物。主要有钢液裸露在大气中引起的二次氧化和钢包、中间包以及结晶器内钢液暴露在大气中的二次氧化。炼钢氧化渣带入中间包后，也可与钢液作用，成为二次氧化的来源。(2) 卷渣。包括旋涡卷渣和钢液冲击卷渣。旋涡卷渣指中间包浇铸后期液面较低时产生旋涡时出现的卷渣，钢液冲击卷渣主要是中间包在浇铸过程中由于钢液的冲击造成的卷渣。(3) 耐火材料毁损。在高温下，炉衬、钢包衬、中间包以及各种水口材料被钢液和渣损毁，而进入钢液中，残留下来而成为夹杂物或二次氧化的氧源。因此，在中间包内如何采取有效措施控制非金属夹杂物，使其不随钢液进入结晶器是一个重要的问题，这对于洁净钢冶炼尤为重要，中间包净化技术就是为顺应这种需求而发展起来的26。24 连铸中间包钢水中夹杂物的清除近年来，中间包钢液净化技术在国内外得到很大的发展。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，钢包到中间包浇注采用长水口，防止钢液与包衬耐火材料的反应，中间包密封技术等。到二十世纪七八十年代出现了在中间包中安装控流装置的措施，以此来改变钢液在中间包的流动形态。当今又发展了一些新型的改善钢液洁净度的技术，如湍流控制器的使用，离心流动中间包和旋转管阀的采用等27。为了在中间包内创造一个良好的使夹杂物上浮而不随主流进入结晶器的条件，需要钢液在中间包内有合理的流动模式和足够的停留时间让夹杂物上浮至中间包液面而被覆盖剂吸收，而简便适用的方法是通过在中间包内设置适当形式的控流装置来实现。因此，优化中间包内的控流装置近年来倍受关注。其中主要去除夹杂的方法有28： (1) 钢包到中间包水口保护浇注钢包到中间包保护浇注主要使用钢包长水口氩封。自1965年Earlier建议使用熔融石英质长水口以来，长水口从形状、材质和氩封等方面有了很大改善，有效地防止了钢包到中间包钢水的二次氧化。大气二次氧化是中间包内钢水的重要污染源之一。(2) 防止钢包到中间包卷渣技术抬高钢包长水口直接观察钢水是否带渣；向长水口中吹Ar，当卷渣发生时，水口出口处钢水面气泡将会增多；使用电磁装置、传感装置和称重装置对下渣进行监视。(3) 防止钢水与内衬耐火材料反应近年来，中间包碱性内衬得到了长足的发展。经研究发现，Cao质和Mgo质内衬对保证中间包钢水洁净度有利。(4) 中间包加盖密封技术中间包加盖密封主要是为了减少中间包内钢水吹气，并起到一定的保温作用。(5) 促进夹杂物去除技术中间包是钢水进入结晶器之前最后一次精炼手段，对于保证钢水的清洁度具有重大意义。为使中间包内夹杂物充分上浮，中间包冶金技术可采用如下措施29：(1) 增大中间包的容量增大中间包的容量是为了延长钢水在中间包内的停留时间，提高连续浇注时钢水清洁度，并确保换包期间中间包内保持稳定状态，不必降低拉速又不卷渣，这一点对生产表面质量和内部质量要求高的产品尤其重要。中间包的高度由浅熔池（600mm700mm）向深熔池（1000mm1200mm）方向发展。(2) 中间包内的控流装置在中间包内加障碍物，改善液体流动轨迹，靠液体把夹杂物带到中间包熔池表层区，缩短夹杂物上浮距离。在各种中间包的控流装置中使用比较普遍的是中间包内设置挡墙和坝、过滤器、多孔挡板和湍流控制器等控流装置。安装控流装置的目的是控制中间包内钢水的流动状态，使钢水流动合理，增大钢水的停留时间，有利于夹杂物的分离去除，提高钢水的清洁度。第三章 理论基础31 物理模拟的理论基础311 物理模拟方法中间包的基本物理现象是钢液的流动，但直接测量难度很高，研究表明：用水模型来研究钢包、中间包、结晶器等内部的钢液流动不仅可行，而且能正确反映实际钢液流动的数值和规律。物理模拟有两种类型：第一类是精确的物理模型或称完全模拟，它严格按照相似原理构造模型，实验结果也可以直接进行比例放大；第二类是半精确模型或称部分模拟，用来研究过程中的关键现象，中间包钢液流动现象的研究一般均采用部分模拟。冶金过程中的物理模拟研究的目的在于寻求有利的操作参数以及找出流动过程中主要参数之间的关系。例如借助流场显示、流速测量、示踪剂响应实验以及夹杂物模拟实验，可以找到最佳的挡墙位置以及设计方案。钢液从钢包注入中间包的过程可以分为三个阶段：流股下落、流股渗透和流股在钢液中的扩散。中间包大部分区域是单相流，在这些区域内的流动由势能和出口动能所驱动，需要考虑Re准数和Fr准数。一般来说，钢液在中间包内的流动可以分为四种：(1) 活塞流。流体从一端流入，从另一端流出，流体在中间包内的流动是平行推动，即后面的流体微元不超过前面的流体微元，前面的流体微元也不能返回到后面，流体在反应器内像活塞似的流动。(2) 完全混合流。由于强烈的搅拌，流体分子或微元进入中间包内被立即充分混合，需要混合均匀的时间为零。(3) 短路流。中间包内存在流体阻力特别小的局部流域，该流域内流体立即通过中间包出口。(4) 死区。就是流体不流动或者流动速度极小的区域。一般指停留时间大于表观停留时间两倍的那一部分流团在中间包内所占的体积。若中间包内存在死区，就意味着中间包的有效容积减少。312 相似准数及模型比例的选取由于模型和原型之间的差异，建立模型时必须保证模型和原型之间物理相似，即满足几何相似、运动相似、动力相似和热相似。几何相似就是模型和原型之间的对应角相等，对应长度成比例。运动相似即两系统之间对应点的速度具有相同的比例。动力相似就是两系统中相应位置上的力存在固定比例，主要考虑惯性动力、粘性力和重力。这些力的相对大小决定不同尺寸和形状的中间包内钢液流动状况。根据流体力学原理，当流体流动的Re数大于第二临界值时，流体的湍动程度以及流速的分布几乎不再受Re数的影响。当原型的Re数处于第二自模化区以内时，模型的Re数不一定与原型的Re数相等，只要也处于同一自模化区就可以了。一般Re数的第二自模化区的临界值为1x1041x105。因此当中间包内钢液流动与模型中流体流动处于同一自模化区时，只考虑Fr数相等，也能够满足相似条件。弗鲁德准数：Fr = u2/gL = 惯性力/重力 (3.1)雷诺准数：Re = uL/v = 惯性力/粘性力 (3.2)式中 L 中间包液面高度/m u 中间包内液体的流动速度/m*s-1 v 液体的动力粘度/m2*s-1 g 重力加速度/m*s-2同时保证Fr和Re准数是非常困难的，必须采用1：1的模型，但这样模型尺寸太大，导致加工难度大、实验室安装困难、成本提高。从原则上讲只要模型尺寸按比例缩小，流动时Re数与原型处于同一自模化区，就能够保证模型与原型相似。313 刺激响应实验技术测量停留时间分布，通常应用“刺激响应”实验。其方法是：在中间包注入流处输入一个刺激信号，信号一般使用示踪剂来实现，然后在中间包出口处测量该输入信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布(RTD)。刺激响应实验相当于黑箱研究方法，当流体流动状态不易或不能直接测量时，仍可从响应曲线分析其流动状况及其对冶金反应的影响。因此这一方法在类似于中间包这类非理想流动的反应器中得到了广泛采用。在钢液稳定流动状态下，在中间包的入口处加入示踪剂，计算示踪剂在中间包的浓度分布随时间变化的浓度值，由此计算出钢液停留时间分布及平均停留时间。冶金实验研究中常用的示踪剂有：若系统为高温实际反应器(中间包)，即可采用灵敏的放射性同位素作示踪剂；也可采用不参与反应的其他元素，如铜、金等。若系统为冷态模拟研究，常采用电解质、发光或染色物质作为示踪剂，例如水模型中常常采用KCL溶液作为示踪剂加入。示踪剂加入方法有脉冲加入和阶跃加入等，最常使用的为脉冲式加入方法。刺激响应实验准确与否的关键在于，响应信号能否真正反映反应器内流动的真正状态，且同时又不干扰其流动，因此应用刺激响应实验时应该遵循以下原则：(1) 刺激响应过程必须是线性过程，刺激信号在数量上的变化导致响应在相应量上的变化是成比例的，这种过程称为线性过程，因此对刺激响应信号必须进行线性检验，以保证其在线性范围。(2) 作为刺激信号的示踪剂不能参与反应器内发生的任何化学反应，即不会因为反应导致示踪剂物质的增加或减少，示踪剂对反应是“惰性”的。(3) 脉冲式加入刺激信号时，即示踪剂应该按照瞬时加入的原则加入，也就是输入的信号原则上应为脉冲信号。由于实验技术的困难，不可能真正做到瞬时加入，但加示踪剂时间应该尽量短，一般应该小于按流量计算的平均停留时间的5%，否则加入的信号时间的先后误差过大，输出的响应信号不能如实地反映反应器本身的流动特征。(4) 刺激与响应信号要易于测量。描述中间包内湍流传质过程的微分方程如下： (3.3)湍流有效扩散系数，按照下列经验公式进行计算： (3.4)一个典型的RTD曲线如图3.3所示：图3.3停留时间分布曲线314 RTD曲线分析根据RTD曲线可以直接得到最短停留时间tmin，出口示踪剂浓度达到最大值的时间tpeak，平均停留时间tav，按下式进行计算： (3.5)式中，t1为时间，s；c(ti)为示踪剂在ti时间的浓度；t1为时间步长，s。按照中间包的容积和由拉坯速度决定的体积流率可以计算出钢液在中间包内的理论平均停留时间： (3.16)V中间包的容积，m3；Q钢液的体积流率，m3/s理论平均停留时间越长，夹杂物上浮的几率就越大，然而，由于中间包流动的不稳定性和存在不活跃的死区，有些流动体单元流动快，而另一些流动慢，所以实际停留时间与理论平均停留时间之间是有偏差的。因此用停留时间分布来描述中间包钢水流动特性，为此采用物理模型（水模型），使用脉冲示踪技术来测定中间包液体停留时间的分布。实际平均停留时间值在一定程度上反映了中间包液体流动特性。根据测定的浓度曲线，可以估计中间包内存在三个流动区：(1)活塞流区：即流体保持均一性以相同速度流过中间包，此时入口和出口浓度相等。(2)混合区：液体混合良好，示踪剂均匀分散在整个液体中，任何时刻在出口处示踪剂浓度与液体相同。(3)停滞区（死区）：在中间包内一部分液体停留时间比平均停留时间要短，而另一部分液体停留时间又比平均停留时间要长，这说明有不活跃的死区存在。当中间包内没有死区存在时，实际的平均停留时间和理论停留时间相等，即。以平均停留时间作为基准时间，除停留时间，可以得出无量纲的停留时间： (3.7)出口处示踪剂浓度除以一个特征浓度，可得出无量纲的浓度： (3.8)C0为示踪剂的平均浓度。出口处示踪剂的无因此浓度和无因此停留时间之间的关系曲线为无因此停留时间分布曲线。根据曲线，结合相应的流动模型，可以计算出中间包内全混流区、活塞流区、滞止流区的体积分数，分析钢液的流动特征。各区的体积分数按照下式进行计算： (3.9) (3.10) (3.11)式中， 是RTD曲线中无因此时间从0到2之间的面积。 (3.12) (3.13)是从0到2之间的无因此平均停留时间，按下式进行计算： (3.14)比较各组实验中的死区体积百分比，当死区最小时所确定的值为最优值。32 数学模拟的理论基础321 有限单元法与数值模拟技术 在工程技术领域中有许多力学问题和场问题，例如固体学中的应力应变场和位移场分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析以及电磁学中的电磁场分析等，都可以看作是在一定边界条件下求解其基本微分方程的问题。对于这类问题，往往需要借助于各种行之有效的数值计算方