摘要：通过水力学模拟不锈钢连铸中间包后发现，原设计的中间包在夹杂物的上浮及温度的均匀性方面还存在不足，不能很好地满足生产工艺要求。通过优化设计，提出了促进夹杂物上浮和均匀中间包内钢水温度的设计方案。
关键词：板坯连铸 中间包 水模 优化
１前言
连铸中间包不仅是稳压、分配钢液和保证钢液连续浇铸的缓冲容器，它还是去除钢液中非金属夹杂物、均匀钢液温度和保证铸坯质量的关键设备。连铸中间包内的控流元件（挡墙、挡坝、抑湍器等）的设置参数对中间包内非金属夹杂物的上浮及均匀钢液温度起着至关重要的作用。因此，寻找合理的中间包控流元件的设置参数，对连铸中间包来说具有特别重要的意义。事实已经证明中间包的水力学模拟实验研究是寻找合理、有效控流元件的最直观、最方便的方法。
为了使中间包能较好地排除钢液中的夹杂物，以使操作更加顺行，钢质进一步提高，本研究在数学模拟研究的基础上，根据数学模拟的结果，通过水模拟的方法结合宝钢不锈钢中间包的实际来研究单流连铸中间包内的流动特征并进行控流元件参数的优化。通过本研究，开发出一套简便易行、效果较好的中间包控流装置，达到了预期促进中间包内夹杂物上浮的目的。
2 试验原理及方法
2.1 相似准数和模型参数的确定
对于恒温水模型实验，在中间包系统中水的流动主要是重力和惯性力起主导作用的湍流流动，故选用弗鲁德准数（Froude Number）作为实验的决定性准数。于是应有下式成立：
Fr=u2pr/glpr=u2m/glm （1）
式中，下标pr、m分别代表原型与模型；u、l、g分别为流速，m/s；特征长度，m；重力加速度，m/s2 。
根据实验室条件，选择几何相似的模型与原型的比例为1:2，则可得到：
lm=(1/2)·lpr (2)
在此基础上可以获得实验时流体的体积流量与实际操作中间的关系，即：
Qm=(1/2)2.5·Qpr (3)
2.2 物理模型的构成
本研究的物理模型装置参见图1，由有机玻璃大包、中间包模型、大包长水口、中间包浸入式水口、中间包内控流装置、示踪剂加入装置、出口示踪剂浓度电导探头、电导率仪、数据采集计算机等组成。
图1 实验装置示意图
2.3 实验方法及方案
2.3.1 实验方法
尽管中间包内非金属夹杂物的上浮行为不能直接由水模来模拟，但非金属夹杂物的上浮和中间包内特定的流动形式有着直接的关系。中间包内钢液的流动可看作由三个区组成，即全混区、活塞区和死区（或称为滞止区）。全混区的流体达到均匀地混合；活塞区的流体流动象通过一个管子一样，无返混流；而滞止流内的流体几乎无流动和扩散。为了检测、评价和观察流体在中间包内的行为，在水模实验时采用向大包快速注流注入示踪剂，同时测量中间包出口示踪剂浓度的刺激─响应法。这样就可以得到出口示踪剂浓度与时间的关系曲线，也就是通常所称的停留时间分布曲线，简称RTD曲线。由RTD曲线的有关参数即可计算出全混流、活塞流和死区的比例。
本研究实验时，由钢包注入管处快速加入300ml 20%的ＮaCl溶液，用微机通过电导率仪采集中间包的出口的电导变化情况，得到一条RTD曲线，从而来定量描述中间包内流体的流动状况，最终评价中间包内控流元件设置的优劣。
2.3.2 实验方案
根据单流连铸中间包在生产过程中存在的问题和原设计中间包的实际情况以及考虑到实际应用的方便、可行性等，本研究根据数模结果设计了21种优化实验方案，其中原型中间包模拟实验和空包模拟实验以及得到的两种最优化实验如图2所示。
●原型中间包模拟实验（如图2a）；
●空包模拟实验（如图2b）;
●改进方案实验（如图2c～2d）。
图2 各种方案下的控流装置
3 结果与分析
3.1 原型中间包内钢液的流动状况
在对原设计中间包（见图2a）进行水模实验时发现，注流从钢包注入到中间包后，以较快的速度流入出水口。对应的RTD曲线见图3a 。
这样的中间包内控流装置设置就造成了钢液在中间包内的流动特性不好：其活塞区体积分数较小，而死区体积分数较大，而且从前面的计算机模拟的流场结果中也可看出，其流场并不是最理想。不锈钢连铸生产的要求是尽量发挥中间包去夹杂的作用，因此，从此角度将，有必要通过改变中间包内控流装置来对原设计中间包进行优化。
3.2 改进型中间包内钢液的流动特征
从上述的分析可以看出原设计中间包存在一定的不足，因此有必要通过改变中间包内挡墙、挡坝的参数及加入新的控流元件如抑湍器，来最终优化钢液在中间包内的流动。
对应以上具有代表性的空包、原型和得到的两种优化方案，其RTD曲线见图3a～3d 。
从实验中可以发现：
通过分析知，其中较优的抑湍器，其各项参数与原型相差无几，有些参数还略优于原型，但单独使用抑湍器无法抑制中间包液面的波动，无法将中间包内大包长水口附近的湍流限制在一定区域内，且单独使用抑湍器时，其各项参数与最优的单墙双坝控流装置相比，还有较大差距，因此抑湍器只有与挡墙、挡坝配合使用，才能达到最佳效果，图3d所示。
在不加抑湍器的情况下，要想到最优化的中间包结构，原型中间包的结构必须修改。根据中间包结构优化原则，在如图2c的结构下,得到较佳流动效果，其RTD曲线如图3C所示。
对前面两种优化方案比较分析可知：这两个方案都显著延长了响应时间，大幅度提高了活塞区体积分数Vp，但优化结构二略微增加了滞留区的体积分数；而从现场应用角度来看，抑湍器能抑制湍流，减弱钢水对中间包包壁的冲刷，延长中间包的寿命。因此，综合考虑知，优化结构二这类控流装置在控制流体流动方面要远优于不加抑湍器时的方案。这两个方案各项参数比较接近，优化结构二略优。
４ 结论
通过对宝钢单流连铸中间包的物理模型研究后发现：
1）原设计中间包（如图2a所示）内的钢液流动特性不甚理想，不利于夹杂物充分上浮去除，因此有必要通过改变中间包内控流装置来对原设计中间包进行优化。
2）优化方案的结构为：（如图２c和图2d 所示）上挡渣墙距大包长水口的距离为1110mm，墙坝间距为350mm，小挡坝为且它距中包出水口的距离为300mm，图2d上在大包水口正下方加一抑湍器（底面边长为400×400mm,高为200mm,上面向内凹入50mm）。
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