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长水口插入深度对连铸中间包流体流动影响的探讨

胡锐

（山西工程职业技术学院 冶金与环境工程系，山西 太原 030009）

摘 要：长水口插入深度对中间包钢液的流动状态有重要影响。以相似原理为基础，进行水模实验，测定了有无控流装置时中间包钢液的停留时间分布曲线（RTD）；采用 Fluent 软件和数学模拟的方法，仿真计算获得了实际中间包内钢液的流动状态，分析比较了钢液流动的速度矢量图和流线图。从而确定了合理的长水口插入深度。研究结果表明，有、无控流装置时，建议长水口插入深度为 110 mm 左右。

关 键 词：中间包；长水口；物理模拟；数学模拟

通常在钢包和中间包之间采用长水口保护浇注，它可以隔绝钢水和空气的接触，可减少钢水的二次氧化，同时减缓温度的损失，提高钢水的纯净度。与敞开浇铸相比较，用长水口浇铸主要有三个方面的优势：一是可降低钢中氧含量；二是减少钢中酸溶铝和合金元素的损失；三是可减少钢中增氮［1-5］。

因此，生产过程中，钢包和中间包之间基本上都采用长水口保护浇注，大包长水口插入深度对中间包钢液流动也是有较大程度影响的。本实验采用水模拟及数值模拟的方法，分别研究中间包有、无控流装置时，长水口插入深度对中间包内流场的影响。

1 实验原理、方法及方案

1.1 实验原理

在中间包系统中，水的流动主要是由质量和惯性力起主导作用而湍流流动，只要保证模型和原型的整体弗鲁德准数Fr相等，就能保证它们的动力相似。对几何相似，模型（Lm）与实型（LR）的几何相似比例选择为Lm∶LR=1∶3。

1.2 实验装置

试验设备及试验材料包括：按 1∶3 的比例制作有机玻璃中间包模型，长水口插入深度是可调节的，以便于进行多组不同情况下的试验、电导仪 3 台、中间包五流水口用转子流量计 5 台、中间包进水（大包水口）用转子流量计 1 台、示踪剂（NaCl 盐溶液）等。另外，还有实验数据采集和存储的计算机 1 台、采集及数据处理软件 1 套。

1.3 实验方法

模型中间包用有机玻璃制成，用水作为模拟钢水的介质。用刺激—响应试验方法测定流体在中间包内的停留时间分布曲线（即 RTD曲线）。实验过程中调节钢包与中间包液面使之达到实验要求并保持恒定，经过一段时间稳流后，从大包注流处脉冲定量加入饱和的 NaCl 溶液，利用安放在中间包水口处的电导电极测定电导率随时间的变化（即 NaCl 的浓度变化），并用记录仪对其连续记录，由此判断流体在中间包内的流动状态。

1.4实验方案

分别实验研究长水口插入深度对无控流模式及多孔挡墙模式中间包钢液流动的影响。在不同的钢液面 （850 mm、700 mm、550 mm）、不同的拉速（1.8 m/min、2.5 m/min、3.2 m/min） 及不同的控流装置条件下进行长水口插入深度的实验，并通过电导仪绘制 RTD 曲线，计算出钢液在中间包内的停留时间，从而获得正常浇注条件下合适的长水口插入深度。下页表 1 给出钢液面为 850 mm，拉速为 2.5 m/min条件下的实验结果。表 1 中水口序号：1 号水口为中间包最中心的水口；2 号水口为中间包最中心水口和最边上水口之间的水口；3 号水口为中间包最边上水口。Ta为平均停留时间；Tmin为初次响应时间；Vm为混合区体积分数；Vd为死区体积分数；Vp为活塞区体积分数。

1.5 实验结果与分析

中间包无控流装置时，随着长水口插入深度逐渐加深，中间包内死区体积分数逐渐增加，活塞流体积分数逐渐减小，各水口的初次响应时间分别逐渐减小。其中，长水口插入深度为 150 mm 时，中间包各水口的响应时间最短，死区体积分数最大，活塞流体积分数最小，钢液的流动模式不理想，生产过程中水口更容易受到钢液的侵蚀，钢中夹杂物上浮的难度增加；长水口插入深度为 70 mm 时，影响中间包钢液流动模式的各项参数最好，但插入深度较小时，容易引起液面波动，严重时造成卷渣；长水口插入深度为 110 mm 时，钢液在中间包有一定的停留时间，死区、活塞流体积分数适中，钢液面也未形成较大波动。因此，110 mm左右为适宜的长水口插入深度。使用多孔挡墙后，长水口插入深度的变化对中间包内流体流动的影响是一致的。使用挡墙后，注流区与受钢区分开，钢液经过一定混匀后才进入受钢区。

因此，水口插入深度在注流区小范围变化时，对受钢区域的影响较小，对中间包内钢液的流动模式影响减弱。

其中，长水口插入深度为 70 mm时，钢液在中间包的停留时间最长，死区体积分数最小，活塞流体积分数最大，但水口插入深度较小时，钢液面有一定的波动，有卷渣的风险；长水口插入深度为150 mm时，影响中间包钢液流动模式的各项参数最差；长水口插入深度为 110 mm 时，中间包死区体积分数减少了 29.9%，活塞流体积增大了 29.6%，各水口的开始响应时间差异缩小，钢液的流动模式趋于一致且钢液面波动适中，中间包钢液流动状况良好。因此，同样选取长水口插入深度为 110 mm左右。与无控流装置的中间包相比，使用挡墙后，挡墙对钢液流动模式的影响比水口插入深度要显著（见图 1）。

2 数学模拟研究

2.1 数学模型

钢液在中间包内的流动是一个复杂的紊流流动过程，描述钢液在中间包内流动的方程有连续性方程、动量方程、能量方程以及确定紊流粘性系数的双方程模型。为了便于研究连铸中间包内的流动现象，特做如下假设：不考虑中间包内表面波动及表面渣对流动的影响；钢液流动为不可压缩性稳态流动，流体由纯液相的初始速度来驱动；针对中间包稳态过程进行研究；整个过程为一个恒温过程，即密度不变化；钢液运动属于高雷诺数的紊流流动［6］。

2.2 边界条件

边界条件：自由表面无剪切力，不考虑覆盖剂的作用，自由表面沿法线方向的所有变量梯度为零；中间包入口与出口处的流股为一维流动，速度是均匀分布的；对固体壁面，采用壁函数对流动参数进行处理。

2.3 数学模拟结果分析（见下页图3）

中间包无控流装置时，注流区注钢的湍流对受钢区域有明显的影响，长水口附近形成的回流还引起了较大的液面波动，并且随着长水口插入深度的减小，注流引起的湍流强度不断增加，钢液面波动也随之增大。尤其长水口插入深度为 70 mm 时，注流引起的强烈湍流对 1 号、2 号水口有较大的影响，3号水口远离注流区，影响次之。另外，长水口处回流区的液面波动较大，容易引起卷渣。长水口插入深度为 150 mm 时，中间包注流形成的湍流强度最小，注流对受钢区域的影响也随之最小，但长水口插入深度较大时，更多的高温钢液被带入中间包的中下部，这增加了钢液温度、成分的不均性，也减小了夹杂物上浮的机会。长水口插入深度为 110 mm时，中间包注流引起的湍流及钢液面的波动相对较小，钢液温度、成分的均匀性优于水口插入深度为 150 mm 时，建议 110 mm 左右为合理的水口插入深度，但中间包内钢液的流动模式差距大，有待改善。

中间包使用多孔挡墙后，形成了注流及受钢两个相对独立的区域。注流区域长水口流出的钢液与中包侧壁发生碰撞后形成回流，并且随着水口插入深度的减小，回流区域上部钢液流速明显增大，因而影响到了钢液面的波动，增加了卷渣的可能。长水口插入深度为 70 mm 时，注流处回流区域钢液流速最大，钢液面波动较大。

由于受钢与注流分开，注流区的钢液面波动对受钢区域的影响较小。长水口插入深度为 150 mm 时，更多钢液同样被带到中间包的中下部，但钢液在挡墙内经过了良好的混匀，温度、成分的均匀性较无流动控制中间包有了很大改善，因而水口插入深度稍大未对受钢区域产生明显的影响。长水口插入深度为 110 mm时，中间包钢液的停留时间较长且钢液面波动较小。

多孔挡墙控制之下，中间包内钢液的流动模式较好，为钢液温度、成分均匀及夹杂物上浮提供了良好的条件。因此，加设控流装置后，中间包抵抗长水口插入深度变化的能力得到增强，但 110 mm 左右仍为较适宜的长水口插入深度。

3 结论

通过对昆钢五流小方坯连铸中间包的水力学物理模拟和数学模拟，得到以下结论：

1）无控流装置时，昆钢五流小方坯连铸中间包死区较大，流场和温度分布不均匀；使用多孔挡墙后，中间包内钢液的流动模式得到了很大的改善。

2）有、无控流装置时，长水口插入深度对中间包钢液流动的影响是一致的，长水口插入深度为 110 mm左右时，中间包内形成的流场较好。加设多孔挡墙后，长水口插入深度在 110 mm 周围的小范围变化未对中间包流场产生明显影响。

参 考 文 献

［1］   蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺［M］.北京：冶金工业出版社，1999：170- 173．

［2］   沈巧珍，杜建明.冶金传输原理［M］.北京：冶金工业出版社，2006：19- 29．

［3］   于学斌，唐继山，谢长川.六流连铸机 T型中间包内流场的数学模拟［J］.武汉科技大学学报（自然科学版），2005，28（2）：122- 125．

［4］   张胤，张捷宇，贺友多，等.宣钢矩形连铸机中间包数学模拟研究［J］.炼钢，2003,9（1）：45- 49．

［5］   王立涛，张乔英，李正邦，等.中间包内流体流动及夹杂物去除的研究［J］．炼钢，2005,4（1）：26- 29．

［6］   A K Sinha, Y Sahai．Mathematical Modeling of Inclusion Transport and Removal in Continuous Casting Tundishes［J］．ISIJ International.1993，33（5）：556- 566．