摘要：针对鞍钢一炼钢的厚板坯连铸中间包，采用冷态物理模拟方法，对中间包的控流装置进行了优化，对实际中间包钢水流动建立了数学模型，得到中间包优化前后钢液流动的速度场。实验结果表明，原结构的中间包的控流装置和布置位置不合理。中间包采用湍流控制器和结构优化后，提高了钢水在中间包的停留时间，死区体积明显下降。实际应用的结果表明，中间包结构优化后，中间包钢液、第1和第3块铸坯试样中的平均夹杂物面积比明显下降。

关键词：中间包；控流装置；物理和数学模拟；工业试验

近来，由于冶炼洁净钢的需要，人们对连铸中间包净化钢液的能力提出了越来越高的要求。通过优化中间包结构，可改善中间包内钢液的流动特性，有利于中间包去除钢液中的非金属夹杂物。

本研究针对鞍山钢铁集团公司第一炼钢厂(以下简称鞍钢一炼钢)厚板坯连铸中间包，采用冷态物理模拟方法，在几何相似的中间包模型内对湍流控制器的形状和尺寸以及中间包结构进行了优化；对实际中间包的钢水流动，采用数学模拟方法对中间包结构优化前后钢水流动的速度场进行数值计算；将优化得到的湍流控制器和中间包结构进行了工业试验。

1 实验研究方法

1．1  物理模拟方法

在中间包物理模拟实验中，主要考虑几何相似和动力相似。本研究取几何相似比1：2．5，把中间包内钢液的流动视为等温稳态流动，要保证模型中间包与原型中间包的流动在动力上相似，需要保证流动的湍流雷诺数Re_t和弗鲁德数Fr分别相等。由于在几何相似的中间包湍流流动中，流动过程的湍流雷诺数彼此相等。因此，在本研究中，只需保证流动过程的弗鲁德数相等，就可保证流动过程彼此动力相似。模拟实验设备和实验方法以及中间包流体流动特性计算方法同文献[8]。

1．2数学模拟方法

  在连铸中间包钢液面保持不变的浇注过程中，包内的钢液流动过程可近似视为稳定不可压

缩的等温湍流流动，因此可用连续方程、湍流Navier一一Stokes方程及k-ε湍流模型来描述。这些方程可用以下的通式表示：

  div(pu·Φ)一div(Г_ΦgradΦ)=S_Φ    (1)

      式(1)中，Φ为控制方程的主要变量，包括3个方向的速度u_x、u_y、u_z和湍动能k、湍动能耗散率ε；u为速度矢量；S_Φ为控制方程的源项；Г_Φ为扩散系数。对于不同的控制方程的变量，源项S_Φ和扩散系数Г_Φ有不同的表达式。

     在中间包钢水自由表面，忽略渣层的影响，对平行于自由表面的速度分量和其它标量(k，ε)的梯度均设为零，垂直于熔池表面的速度分量设置为零。流经大包长水口的钢液，其人流速度垂直于中间包液面。在上表面，均按平坦处理。在固体壁面上，对速度和压力采用无滑移边界条件，对k和ε设为零。在接近壁面的网格上，平行于壁面的速度和湍动量(k，ε)采用对数壁面函数。人口和出口处的速度垂直于自由表面，并假设其截面上的速度分布是均匀的。

  采用有限差分的方法对控制微分方程进行离散化处理，采用解压力耦合方程的半隐式法(SIMPLE法)进行求解计算。板坯连铸中间包内有钢液的空间作为计算区域，计算区域网格划分为49×12×19。

2结果与讨论

2．1  物理模拟结果

    原中间包采用带有30⁰导流孔的隔墙和导流坝作为控流装置，隔墙与坝的结构在中间包内的安放位置如图1所示。在该中间包结构下进行物理模拟实验，测定中间包的流体流动特性，结果如表1所示。从实验结果发现原结构中间包内钢液的最小停留时间(t_min)短，活塞流体积(V_PU)小，死区体积(V_DV)很大。这种流动特性，不利于中间包钢水中的夹杂物上浮去除。

    为了改善中间包的流动特性，在中间包内钢包长水口下方采用湍流控制器，并改变原中间包的隔墙和坝的结构与尺寸以及安放位置。通过大量的模拟实验研究和测定，得到了中间包的最佳湍流控制器和挡墙的结构尺寸及安放位置。优化后的最佳中间包结构如图2所示。上述两种不同中间包结构的停留时间分布曲线如图3所示。由图3可知，中间包结构优化后，停留时间分布曲线发生了较大的后移。

    从实验测定的中间包停留时间分布曲线，计算得到结构优化后的中间包流体流动特性，结果列于表1中。从表1的数据对比可以看出，与原结构的中间包相比，最佳结构的中间包最小停留时间为62 s，比原结构增加了5倍，死区体积降低了54％，峰值时间延长了66 s，活塞流体积分率增加了175％，平均停留时间延长了25 s。所以，中间包结构优化后，流体流动特性得到了很大的改善，中间包流动特性的改善有利于钢液中的夹杂物上浮去除。

2．2数学模拟结果

    图4和图5分别为结构优化前后的中间包纵向中心截面钢液流动的速度场。从图4可知，钢包长水口注流直接冲击到中间包底部，然后向四周流动，一部分钢液遇到中间包左侧端墙后，沿端壁向上流动，这部分钢液流速较大，对包底和包壁产生较大的冲刷和液面波动，容易造成大颗粒的外来夹杂物。另外，大部分钢液通过导流隔墙的底部开口流到下游，直接冲击到导流坝，一部分钢液沿导流坝底部开口流到中间包水口，另一部分钢液越过导流坝的上部后，在水口的抽引下流向水口。另一部分钢液遇到中间包右侧端墙后，沿包壁流向液面，形成回流。从该截面的钢液速度场可知，原中间包结构的钢液流动，造成了短路流，使得中间包的最小停留时间和平均停留时间短，这与中间包物理模拟实验测定的结果是一致的。

    从图5可知，中间包结构优化后，钢液的流动明显不同，来自钢包长水口的钢液首先进入湍流控制器，钢流受到湍流控制器的限制，流速降低，反向从湍流控制器流出，并指向液面。钢液在包底和包壁附近的流动速度小，减轻了对耐火材料的冲刷，有利于减少外来夹杂物。钢液流过导流-坝后，产生了向钢液表面的流动，缩短了夹杂物的上浮距离。另外中间包结构优化后，钢液在中间包内的流动路径曲折，流动路径得到延长，避免短路流的产生，使钢液在中间包内的停留时间增加，有利于夹杂物上浮排除。

2．3工业试验结果

    将优化的湍流控制器和中间包结构应用到鞍钢一炼钢的厚板坯连铸机中间包中进行现场应用试验，试验钢种为KAH32H和KDH36H，浇铸断面为230mm×1 650mm和230 mm×1 950mm。对LF处理终了的钢包钢水、中间包钢水、第1和第3块铸坯取样。在金相显微镜下观察试样中的非金属夹杂物的种类、形貌、粒度大小、数量和夹杂物面积比，每个金相试样观测30个视场。结果见表2。由表2可知，中间包结构优化后，中间包钢水样、第1和第3块铸坯试样的平均夹杂物面积比明显降低。

3  结  论

    (1)原结构的中间包控流装置的结构和放置位置不合理，使中间包流体的流动不合理，造成钢水流动产生短路流，钢水在中间包内的停留时间短，并对冲击区的包衬产生严重冲刷；

    (2)中间包结构优化后，流体流动特性得到改善。速度场分布合理，有指向液面的流动，流体的流动路径延长，钢包长水口的高速注流受到湍流控制器的限制；

    (3)工业试验结果表明，中间包结构优化后，中间包钢水、第1和第3块铸坯试样中的平均夹杂物面积比明显下降。