板坯中间包内钢液流动特性

第36卷第1期 北京科技大学学报 Vol.36 No.1 2014年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2014 板坯中间包内钢液流动特性 李怡宏2，赵立华12)四，包燕平12，王敏2，申小维2 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，Emai:mm.1iyh@163.com 摘要通过开展中间包控流装置布置的正交试验，研究了反应器结构对钢水流动行为的影响.着重探讨了不同尺寸中间包 的控流装置布置规律及其对钢液流动行为和夹杂物去除的影响，定量化得到了双流板坯中间包控流装置布置与死区体积和 结构影响因子D的关系.实验结果分析表明：中间包内部分活塞流体积不利于夹杂物去除，死区体积可准确反映钢液的洁净 度水平：出水口抽吸作用对钢液流动行为影响较大，挡坝布置在距出水口1000~1300mm时钢液流动形态较好，夹杂物聚集导 致的水口结瘤率低至7.5%：0.0035<D<0.0085时，可获得板坯中间包在普通拉速下的流场特征与挡坝相对位置的关系：中 间包内钢液与夹杂物的相对运动速度为大于6×105ms时，夹杂物的上浮速度较大. 关键词中间包：连铸：钢液：液体流动：数学模型：夹杂物 分类号T℉769.9 Flow characteristic of molten steel in slab casting tundishes LI Yi-hong,ZHAO Li-hua,BAO Yan-ping,WANG Min,SHEN Xiao-tei) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:mm.liyh@163.com ABSTRACT Orthogonal experiments of control device arrangement in different slab casting tundishes were carried out to study the influence of the reactor's structure on the flow characteristic of molten steel.The optimal arrangement rule of control devices and its effect on the flow characteristic of molten steel and inclusion removal were mainly analyzed.A quantificational relation of control devices,dead volume and the structure factor D was determined.The results indicate that the steel cleanness can be reflected by dead volume while the piston flow volume is disadvantageous to inclusion removal.There is a great influence of outlet pumping action on the fluid flow pattern,so the best distance between the dam and outlet is 1000 to 1300 mm,which results in the decrease of nozzle blocking rate to 7.5%.The relation between the flow characteristic of molten steel and the dam's relative location is obtained at normal casting speed when 0.0035<D<0.0085.As the relative speed of inclusions to molten steel reaches to 6x10m*s,the floating speed of inclusions becomes faster. KEY WORDS tundishes:continuous casting:molten steel;flow of liquids;mathematical models;inclusions 现代冶金工业三要素：高品质钢、节能降耗和环 物的影响已经越来越受到治金工作者的重视. 境友好面.普遍认为连铸过程中钢液的流动行为严 现代工业对中间包在不污染钢液的前提下提高 重影响着铸坯质量回.中间包作为连接钢包和结晶 钢液中夹杂物的去除率提出了新要求，中间包内夹 器的分配器，可调节钢水的流动形态.钢包射流在 杂物的运动需从钢液的流动方式和流动现象本身进 中间包内引起钢液的湍流流动、旋涡流动和回流等 行分析研究.中间包内控流装置通过控制钢液流动 现象)，影响钢中夹杂物上浮被渣吸附去除的效 形态提高夹杂物上浮去除的几率，现己对其进行大 果.因此，中间包的结构及浇注过程对钢水中夹杂 量研究工作)，但均未同时考虑中间包形状及尺 收稿日期：201304-15 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.004:http://jourals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 1 期 2014 年 1 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 1 Jan． 2014 板坯中间包内钢液流动特性 李怡宏1，2) ，赵立华1，2) ，包燕平1，2) ，王 敏1，2) ，申小维1，2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: mm． liyh@ 163． com 摘 要 通过开展中间包控流装置布置的正交试验，研究了反应器结构对钢水流动行为的影响． 着重探讨了不同尺寸中间包 的控流装置布置规律及其对钢液流动行为和夹杂物去除的影响，定量化得到了双流板坯中间包控流装置布置与死区体积和 结构影响因子 D 的关系． 实验结果分析表明: 中间包内部分活塞流体积不利于夹杂物去除，死区体积可准确反映钢液的洁净 度水平; 出水口抽吸作用对钢液流动行为影响较大，挡坝布置在距出水口 1000 ～ 1300 mm 时钢液流动形态较好，夹杂物聚集导 致的水口结瘤率低至 7. 5% ; 0. 0035 ＜ D ＜ 0. 0085 时，可获得板坯中间包在普通拉速下的流场特征与挡坝相对位置的关系; 中 间包内钢液与夹杂物的相对运动速度为大于 6 × 10 － 5 m·s － 1 时，夹杂物的上浮速度较大． 关键词 中间包; 连铸; 钢液; 液体流动; 数学模型; 夹杂物 分类号 TF769. 9 Flow characteristic of molten steel in slab casting tundishes LI Yi-hong1，2) ，ZHAO Li-hua1，2)  ，BAO Yan-ping1，2) ，WANG Min1，2) ，SHEN Xiao-wei 1，2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: mm． liyh@ 163． com ABSTＲACT Orthogonal experiments of control device arrangement in different slab casting tundishes were carried out to study the influence of the reactor's structure on the flow characteristic of molten steel． The optimal arrangement rule of control devices and its effect on the flow characteristic of molten steel and inclusion removal were mainly analyzed． A quantificational relation of control devices，dead volume and the structure factor D was determined． The results indicate that the steel cleanness can be reflected by dead volume while the piston flow volume is disadvantageous to inclusion removal． There is a great influence of outlet pumping action on the fluid flow pattern，so the best distance between the dam and outlet is 1000 to 1300 mm，which results in the decrease of nozzle blocking rate to 7. 5% ． The relation between the flow characteristic of molten steel and the dam's relative location is obtained at normal casting speed when 0. 0035 ＜ D ＜ 0. 0085． As the relative speed of inclusions to molten steel reaches to 6 × 10 － 5 m·s － 1 ，the floating speed of inclusions becomes faster． KEY WOＲDS tundishes; continuous casting; molten steel; flow of liquids; mathematical models; inclusions 收稿日期: 2013--04--15 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 01． 004; http: / /journals． ustb． edu． cn 现代冶金工业三要素: 高品质钢、节能降耗和环 境友好［1］． 普遍认为连铸过程中钢液的流动行为严 重影响着铸坯质量［2］． 中间包作为连接钢包和结晶 器的分配器，可调节钢水的流动形态． 钢包射流在 中间包内引起钢液的湍流流动、旋涡流动和回流等 现象［3］，影响钢中夹杂物上浮被渣吸附去除的效 果． 因此，中间包的结构及浇注过程对钢水中夹杂 物的影响已经越来越受到冶金工作者的重视． 现代工业对中间包在不污染钢液的前提下提高 钢液中夹杂物的去除率提出了新要求，中间包内夹 杂物的运动需从钢液的流动方式和流动现象本身进 行分析研究． 中间包内控流装置通过控制钢液流动 形态提高夹杂物上浮去除的几率，现已对其进行大 量研究工作［4--8］，但均未同时考虑中间包形状及尺

·22 北京科技大学学报 第36卷 寸、浇注能力和控流装置对钢液流动和夹杂物去除 液流量 的影响，因此在不同中间包内控流装置的布置千差 本文引入R分析回，R分析是一种可快速有效 万别，目前没有统一的认识.本文通过正交试验，研 地找到关键影响因素和获得较优结构参数的方法. 究出水口对钢液流动行为和控流装置布置的影响， R值越大，其代表的因素越重要 这在以往的研究中较少见.综合考虑了不同结构和 1.2实验方法 流量的中间包对控流装置布置规律的影响，分析了 文中对控流装置的不同位置和不同高度进行正 控流装置位置和高度对钢液流动速度和流向的影 交试验，控流装置试验因素水平见表2所示，其位置 响：研究了钢液流动速度对夹杂物的上浮去除速度 和高度如图1所示，挡坝带有流钢孔，单个出水口流 的影响 量为163.25th-1. 1实验研究 表2中间包内控流装置布置参数 Table 2 Details of flow control device parameters 1.1实验原理及评价方法 挡坝位置 挡坝位置 本实验属于部分物理模拟，建立在相似原理的 位置 高度 挡坝 (距长水口 (距出水口 参数 参数 高度/mm 基础上，用来研究中间包过程中的关键物理现象 距离/mm) 距离/mm) 中间包内钢液流动的驱动力主要是重力，选取弗鲁 L1 1272 1503 HI 300 德准数F,作为定性准数，需保证模型与原型的几何 12 1626 1149 H2 400 相似和弗鲁德准数相似，实验中所涉及的相似比如 13 2055 720 H4 600 表1所示，其中下标m和s分别表示模型和原型. 2375 400 H3 500 表1不同结构中间包原型和模型的相似比 Table 1 Similarity ratio between the model and the prototype of slab 为研究控流装置对钢液中夹杂物行为的影响， casting tundishes 连续跟踪10个浇次对出水口结瘤情况进行统计分 参数 几何相似，入值 弗鲁德准数相似，Q值 析，采用原子光谱法对图1中位置1的钢液成分进 A厂 1/3 Qm=0.644Q. 行分析. B厂 1/2 Qm=0.758Q. 为检测中间包控流装置对钢液卷渣行为的影 C厂网 1/3 Qm=0.644Q. 响，采用中国水利科学研究院的DJ800水工测试仪 D厂g 1/3 Qm=0.644Q. 进行液面波动测量，图1中位置2为测量位置. L1 L2 L3 钢液的流动行为影响着夹杂物的运动轨迹和去 除速率。大量研究表明钢液中的大夹杂物主要 通过斯托克斯上浮的形式去除，文献2]指出大的 活塞流体积可增加小夹杂物的上浮时间.因此，钢 液在中间包内的平均停留时间（可由死区体积反 映)和活塞流体积是检验钢液流动行为的重要指 标.本文采用死区体积和活塞流体积评价钢液的流 动行为. 采用经典的Sahai模型对死区体积V和活 对称血 塞流体积V,进行计算，分别如下式所示： 图1中间包控流装置布置图 Fig.1 Schematic of the flow control device in the tundish 0·c(8)·d0 ∑6，·c(,)△9， (1) 2实验结果及分析 c(o)·do ∑c(a)4a 2.1出水口抽吸作用对钢水流动行为的影响 V4=1-0x’ (2) 出水口处钢液流动速度远大于中间包内钢液的 Vp=emin (3) 流动速度，该区域速度的不均匀分布影响周围钢液 其中，0.为量纲一的平均停留时间，0为量纲一的 的流动行为，从而影响了夹杂物的去除效果.图2 最短停留时间，V为中间包有效容积，Q为中间包钢 形象地显示了出水口吸引力对钢液流动行为的影

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 寸、浇注能力和控流装置对钢液流动和夹杂物去除 的影响，因此在不同中间包内控流装置的布置千差 万别，目前没有统一的认识． 本文通过正交试验，研 究出水口对钢液流动行为和控流装置布置的影响， 这在以往的研究中较少见． 综合考虑了不同结构和 流量的中间包对控流装置布置规律的影响，分析了 控流装置位置和高度对钢液流动速度和流向的影 响; 研究了钢液流动速度对夹杂物的上浮去除速度 的影响． 1 实验研究 1. 1 实验原理及评价方法 本实验属于部分物理模拟，建立在相似原理的 基础上，用来研究中间包过程中的关键物理现象． 中间包内钢液流动的驱动力主要是重力，选取弗鲁 德准数 Fr 作为定性准数，需保证模型与原型的几何 相似和弗鲁德准数相似，实验中所涉及的相似比如 表 1 所示，其中下标 m 和 s 分别表示模型和原型． 表 1 不同结构中间包原型和模型的相似比 Table 1 Similarity ratio between the model and the prototype of slab casting tundishes 参数 几何相似，λ 值 弗鲁德准数相似，Q 值 A 厂 1 /3 Qm = 0. 644Qs B 厂 1 /2 Qm = 0. 758Qs C 厂［9］ 1 /3 Qm = 0. 644Qs D 厂［10］ 1 /3 Qm = 0. 644Qs 钢液的流动行为影响着夹杂物的运动轨迹和去 除速率． 大量研究［11］表明钢液中的大夹杂物主要 通过斯托克斯上浮的形式去除，文献［12］指出大的 活塞流体积可增加小夹杂物的上浮时间． 因此，钢 液在中间包内的平均停留时间( 可由死区体积反 映) 和活塞流体积是检验钢液流动行为的重要指 标． 本文采用死区体积和活塞流体积评价钢液的流 动行为． 采用经典的 Sahai 模型［13］对死区体积 Vd和活 塞流体积 Vp进行计算，分别如下式所示: θav = ∫ ∞ 0 θ·c( θ) ·dθ ∫ ∞ 0 c( θ) ·dθ = ∑ n i θi·c( θi ) Δθi ∑ n i c( θi ) Δθi ，( 1) Vd = 1 － θav ·Q V ， ( 2) Vp = θmin ． ( 3) 其中，θav为量纲一的平均停留时间，θmin为量纲一的 最短停留时间，V 为中间包有效容积，Q 为中间包钢 液流量． 本文引入 Ｒ 分析［12］，Ｒ 分析是一种可快速有效 地找到关键影响因素和获得较优结构参数的方法． Ｒ 值越大，其代表的因素越重要． 1. 2 实验方法 文中对控流装置的不同位置和不同高度进行正 交试验，控流装置试验因素水平见表 2 所示，其位置 和高度如图 1 所示，挡坝带有流钢孔，单个出水口流 量为 163. 25 t·h － 1 ． 表 2 中间包内控流装置布置参数 Table 2 Details of flow control device parameters 位置 参数 挡坝位置 ( 距长水口 距离/mm) 挡坝位置 ( 距出水口 距离/mm) 高度 参数 挡坝 高度/mm L1 1272 1503 H1 300 L2 1626 1149 H2 400 L3 2055 720 H4 600 L4 2375 400 H3 500 为研究控流装置对钢液中夹杂物行为的影响， 连续跟踪 10 个浇次对出水口结瘤情况进行统计分 析，采用原子光谱法对图 1 中位置 1 的钢液成分进 行分析． 为检测中间包控流装置对钢液卷渣行为的影 响，采用中国水利科学研究院的 DJ800 水工测试仪 进行液面波动测量，图 1 中位置 2 为测量位置． 图 1 中间包控流装置布置图 Fig． 1 Schematic of the flow control device in the tundish 2 实验结果及分析 2. 1 出水口抽吸作用对钢水流动行为的影响 出水口处钢液流动速度远大于中间包内钢液的 流动速度，该区域速度的不均匀分布影响周围钢液 的流动行为，从而影响了夹杂物的去除效果． 图 2 形象地显示了出水口吸引力对钢液流动行为的影 ·22·

第1期 李怡宏等：板坯中间包内钢液流动特性 ·23· 响.当钢液经过湍流抑制器后产生两种运动：一种 水口的抽吸作用均向出口流动，不利于小夹杂物的 是沿钢渣界面的流动，另一种是沿包底的流动.由 吸附去除，大量小夹杂物将在中间包内碰撞长大为 于挡坝布置在出水口处，两流股经过挡坝后受到出 较大夹杂物降低钢水洁净度水平. 13s 40 028 图2出水口抽吸作用对钢液流动行为的影响 Fig.2 Influence of outlet pumping force on fluid flow in tundish 图3是挡坝距出水口的距离对中间包死区比例 2.2挡坝高度与钢液流动行为的关系 的影响.死区比例越小钢液在中间包内的停留时间 挡坝可明显改善钢液的流动形态，延长钢液的 越长，大夹杂物上浮去除的数量越多.从图中可以 运动轨迹，下挡坝可使钢液产生指向液面的流动，促 看出：挡坝位置不断靠近出水口时，中间包死区比例 进小夹杂的去除.合适的下挡坝高度可改善钢液流 先减小后增大，即钢液中夹杂物的数量先降低后增 动行为，同时保证钢液面稳定而不卷渣.对不同高 加，在距出水口1000~1300mm时死区比例均在 度的下挡坝进行了液面波动测试，测量位置如图1 13.5%以下，到达最低值：距出水口小于1000mm时 位置2所示：距下挡坝100mm,挡坝后100mm是钢 死区比例不断增加，即出水口对钢液流动行为的影 液流经挡坝后可能引起最大液面波动的位置. 响逐渐增大，在400~800mm范围内影响程度显著 图4显示了挡坝高度对钢液平均停留时间和钢 增加.因此，挡坝与出水口距离应至少大于800mm, 渣界面波动的影响.随着挡坝高度的增加，中间包 即挡坝与出水口距离应大于中间包入水口与出水口 内钢液的平均停留时间增加，大夹杂物的上浮时间 距离的0.25倍 增加，钢的洁净度水平随之提高，但挡坝高度增加为 18 600mm时，钢渣界面的液面波幅明显增加，平均增 17 -☆-挡圳高度500mm 大0.02mm,说明此时液面开始不稳定，钢液可能经 过挡坝后冲击钢液表面，导致中间包覆盖剂卷入钢 16 液难以上浮排出或与钢水发生二次氧化产生更多的 15 夹杂物而降低钢液的洁净度水平，且下挡坝高度太 14 高也不利于换包时中间包钢液的非稳态操作.因 此，下挡坝高度不应高于600mm,即小于液面高度 13 的0.54倍. 12200018001600140012001000800600400 360 挡坝距出水口距离/mm 80.04 80.00 图3挡坝距出水口距离对钢液流动特性的影响 Fig.3 Influence of distance between the dam and outlet on the flow 目79.96 340 characteristic of molten steel 79.92 330 由能量方程H+卫+ 79.88 =const(式中P、p和v 320 pg 2g 7984 分别为流体的压强、密度和速度，H为液面高度，g 79.80 J310 300 400 500 600 为重力加速度)可知，在拉速2m·min-l时，出水口 高度/mm 吸引力将影响液面高度≤335mm范围内的钢液流 图4挡坝高度对钢液流动行为的影响 Fig.4 Influence of bam height on fluid flow 动行为，所以钢液在经过挡坝后应至少保持高度大 于335mm的向上流动，才能获得较小的死区体积. 图5是挡坝相对高度H,与死区体积的关系图， 因此，为了避免出水口吸引力对钢液流动行为的较 其中H= H一为挡坝相对于液面的高度.增加 大影响，挡坝的高度应保证至少大于300mm. H液面高度

第 1 期 李怡宏等: 板坯中间包内钢液流动特性 响． 当钢液经过湍流抑制器后产生两种运动: 一种 是沿钢渣界面的流动，另一种是沿包底的流动． 由 于挡坝布置在出水口处，两流股经过挡坝后受到出 水口的抽吸作用均向出口流动，不利于小夹杂物的 吸附去除，大量小夹杂物将在中间包内碰撞长大为 较大夹杂物降低钢水洁净度水平． 图 2 出水口抽吸作用对钢液流动行为的影响 Fig． 2 Influence of outlet pumping force on fluid flow in tundish 图 3 是挡坝距出水口的距离对中间包死区比例 的影响． 死区比例越小钢液在中间包内的停留时间 越长，大夹杂物上浮去除的数量越多． 从图中可以 看出: 挡坝位置不断靠近出水口时，中间包死区比例 先减小后增大，即钢液中夹杂物的数量先降低后增 加，在距出水口 1000 ～ 1300 mm 时死区比例均在 13. 5% 以下，到达最低值; 距出水口小于 1000 mm 时 死区比例不断增加，即出水口对钢液流动行为的影 响逐渐增大，在 400 ～ 800 mm 范围内影响程度显著 增加． 因此，挡坝与出水口距离应至少大于 800 mm， 即挡坝与出水口距离应大于中间包入水口与出水口 距离的 0. 25 倍． 图 3 挡坝距出水口距离对钢液流动特性的影响 Fig． 3 Influence of distance between the dam and outlet on the flow characteristic of molten steel 由能量方程 H + P ρg + v 2 2g = const( 式中 P、ρ 和 v 分别为流体的压强、密度和速度，H 为液面高度，g 为重力加速度) 可知，在拉速 2 m·min － 1 时，出水口 吸引力将影响液面高度≤335 mm 范围内的钢液流 动行为，所以钢液在经过挡坝后应至少保持高度大 于 335 mm 的向上流动，才能获得较小的死区体积． 因此，为了避免出水口吸引力对钢液流动行为的较 大影响，挡坝的高度应保证至少大于 300 mm． 2. 2 挡坝高度与钢液流动行为的关系 挡坝可明显改善钢液的流动形态，延长钢液的 运动轨迹，下挡坝可使钢液产生指向液面的流动，促 进小夹杂的去除． 合适的下挡坝高度可改善钢液流 动行为，同时保证钢液面稳定而不卷渣． 对不同高 度的下挡坝进行了液面波动测试，测量位置如图 1 位置 2 所示: 距下挡坝 100 mm，挡坝后 100 mm 是钢 液流经挡坝后可能引起最大液面波动的位置． 图 4 显示了挡坝高度对钢液平均停留时间和钢 渣界面波动的影响． 随着挡坝高度的增加，中间包 内钢液的平均停留时间增加，大夹杂物的上浮时间 增加，钢的洁净度水平随之提高，但挡坝高度增加为 600 mm 时，钢渣界面的液面波幅明显增加，平均增 大 0. 02 mm，说明此时液面开始不稳定，钢液可能经 过挡坝后冲击钢液表面，导致中间包覆盖剂卷入钢 液难以上浮排出或与钢水发生二次氧化产生更多的 夹杂物而降低钢液的洁净度水平，且下挡坝高度太 高也不利于换包时中间包钢液的非稳态操作． 因 此，下挡坝高度不应高于 600 mm，即小于液面高度 的 0. 54 倍． 图 4 挡坝高度对钢液流动行为的影响 Fig． 4 Influence of bam height on fluid flow 图 5 是挡坝相对高度 Hr与死区体积的关系图， 其中 Hr = H H液面高度 为挡坝相对于液面的高度． 增加 ·23·

·24 北京科技大学学报 第36卷 挡坝高度可有效改善钢液的流动轨迹，增加流向钢 活塞流和死区的形成取决于流体单元的轨迹和 渣界面的流体体积，提高小夹杂物与渣接触并吸附 速度.Tripathi和Ajmani对中间包内合适的流体 去除的几率.当H在0.27~0.54范围内变化时，随 速度进行实验，认为流体速度在0.001~0.050m·s-1 挡坝相对高度增加，死区体积比呈线性降低。 之间可增加活塞流体积，大于0.05ms1不利于形 成有利的活塞流：但小于0.001ms-的低速流体仅 占2%，对中间包死区体积的贡献极大. ■挡坝位置L3 表3是正交试验得到的挡坝布置对中间包流体 的活塞流体积和死区体积的影响.随着挡坝位置和 起14 高度的增加，活塞流体积最大增加35.6%，死区体 积最大降低26.3%，可显著增加夹杂物上浮去除的 12 几率.从R值分析可知：位置L2处可显著增加中间 包钢液的活塞流体积，说明该位置处挡坝减缓钢液 11L 0.250300.350.400.450.50055 速度，使其处在合适的范围区间内，降低了返混流的 挡坝相对高度，H 比例，小夹杂物运动至钢渣界面的几率将增加：位置 图5死区体积与挡坝高度的指数关系 3处可显著增大中间包的有效容积利用率，降低死 Fig.5 Relationship between bam height and dead volume 区比例，说明当挡坝离钢液入口较远时，钢液经控流 2.3挡坝位置与钢液流动行为的关系 装置产生的低速流体较少，可增加钢液在中间包内 中间包内钢液流动速度决定了钢液的流动行 的平均停留时间，将提高大夹杂物的去除效果.实 为.流体速度太慢易增大中间包内死区体积，流体 验结果与Mazumdar等回得到的双流中间包较优控 速度太快易在中间包内形成环流圈并引起较大的结 流装置一致：单独坝且近出水口，可充分利用中间包 晶器内液面波动. 空间. 表3挡坝布置对钢液流体特性的影响 Table 3 Influence of bam arrangement on fluid flow LI 12 13 方案 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% HI 13.44 17.37 12.57 16.48 13.87 15.83 H2 13.82 16.67 13.32 15.54 12.83 14.52 B 15.30 15.60 14.00 14.03 13.41 12.87 H4 16.18 13.62 17.04 13.31 15.05 11.66 R分析 2.74 3.75 4.47 3.17 2.22 4.17 注：R为相同标准下最大值与最小值的差距 图6是同一时刻不同位置的挡坝产生的流体流 积比或平均停留时间是准确反映中间包内钢液流动 动行为.从图中可以看出：钢液经长水口进入中间 行为的唯一指标.大的活塞流体积并不意味着好的 包经湍流抑制器缓冲后大部分沿包底运动，15s时 钢液流动形态，因为活塞流中有部分体积是不利于 两位置处的流动形态相似：但由于[2位置处挡坝离 夹杂物去除的，如图6(a),该位置处产生的活塞流 长水口较近，钢流18s时就已到达挡坝位置，比到达 较多（见表3），但大部分经流钢孔流向出水口的流 L3位置处提前8s,因此L2位置处钢液流速较快，较 体，加速了夹杂物进入结晶器，不利于铸坯质量的 多的流体经流钢孔流向出水口，挡坝对流场的改善 提高. 作用较小；L3位置处由于流体流出湍流抑制器后经 图7是控流装置位置对中间包内死区体积的影 较长时间的减速运动，达到挡坝L3处时速度较小， 响，由正交试验获得.由图可看出不同高度挡坝的 从流钢孔流出的流体少于沿挡坝上升的流体，因此 最佳位置规律相同，即挡坝越靠近出水口，中间包有 更多的夹杂物被带到钢渣界面去除，如图42s时挡 效容积利用率越大，死区体积呈指数递减：由于出水 坝在L2处使更多的钢液沿钢渣表面流动. 口吸引力和液面波动的影响，挡坝位置L4和高度 综合表3和图6发现：流体特性参数中死区体 H4不在考虑范围内.因此，在出水口吸引力影响范

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 挡坝高度可有效改善钢液的流动轨迹，增加流向钢 渣界面的流体体积，提高小夹杂物与渣接触并吸附 去除的几率． 当 Hr在 0. 27 ～ 0. 54 范围内变化时，随 挡坝相对高度增加，死区体积比呈线性降低． 图 5 死区体积与挡坝高度的指数关系 Fig． 5 Ｒelationship between bam height and dead volume 2. 3 挡坝位置与钢液流动行为的关系 中间包内钢液流动速度决定了钢液的流动行 为． 流体速度太慢易增大中间包内死区体积，流体 速度太快易在中间包内形成环流圈并引起较大的结 晶器内液面波动． 活塞流和死区的形成取决于流体单元的轨迹和 速度． Tripathi 和 Ajmani ［14］对中间包内合适的流体 速度进行实验，认为流体速度在 0. 001 ～ 0. 050 m·s －1 之间可增加活塞流体积，大于 0. 05 m·s － 1 不利于形 成有利的活塞流; 但小于 0. 001 m·s － 1 的低速流体仅 占 2% ，对中间包死区体积的贡献极大． 表 3 是正交试验得到的挡坝布置对中间包流体 的活塞流体积和死区体积的影响． 随着挡坝位置和 高度的增加，活塞流体积最大增加 35. 6% ，死区体 积最大降低 26. 3% ，可显著增加夹杂物上浮去除的 几率． 从 Ｒ 值分析可知: 位置 L2 处可显著增加中间 包钢液的活塞流体积，说明该位置处挡坝减缓钢液 速度，使其处在合适的范围区间内，降低了返混流的 比例，小夹杂物运动至钢渣界面的几率将增加; 位置 L3 处可显著增大中间包的有效容积利用率，降低死 区比例，说明当挡坝离钢液入口较远时，钢液经控流 装置产生的低速流体较少，可增加钢液在中间包内 的平均停留时间，将提高大夹杂物的去除效果． 实 验结果与 Mazumdar 等［2］得到的双流中间包较优控 流装置一致: 单独坝且近出水口，可充分利用中间包 空间． 表 3 挡坝布置对钢液流体特性的影响 Table 3 Influence of bam arrangement on fluid flow 方案 L1 L2 L3 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% H1 13. 44 17. 37 12. 57 16. 48 13. 87 15. 83 H2 13. 82 16. 67 13. 32 15. 54 12. 83 14. 52 H3 15. 30 15. 60 14. 00 14. 03 13. 41 12. 87 H4 16. 18 13. 62 17. 04 13. 31 15. 05 11. 66 Ｒ 分析 2. 74 3. 75 4. 47 3. 17 2. 22 4. 17 注: Ｒ 为相同标准下最大值与最小值的差距． 图 6 是同一时刻不同位置的挡坝产生的流体流 动行为． 从图中可以看出: 钢液经长水口进入中间 包经湍流抑制器缓冲后大部分沿包底运动，15 s 时 两位置处的流动形态相似; 但由于 L2 位置处挡坝离 长水口较近，钢流 18 s 时就已到达挡坝位置，比到达 L3 位置处提前8 s，因此 L2 位置处钢液流速较快，较 多的流体经流钢孔流向出水口，挡坝对流场的改善 作用较小; L3 位置处由于流体流出湍流抑制器后经 较长时间的减速运动，达到挡坝 L3 处时速度较小， 从流钢孔流出的流体少于沿挡坝上升的流体，因此 更多的夹杂物被带到钢渣界面去除，如图 42 s 时挡 坝在 L2 处使更多的钢液沿钢渣表面流动． 综合表 3 和图 6 发现: 流体特性参数中死区体 积比或平均停留时间是准确反映中间包内钢液流动 行为的唯一指标． 大的活塞流体积并不意味着好的 钢液流动形态，因为活塞流中有部分体积是不利于 夹杂物去除的，如图 6( a) ，该位置处产生的活塞流 较多( 见表 3) ，但大部分经流钢孔流向出水口的流 体，加速了夹杂物进入结晶器，不利于铸坯质量的 提高． 图 7 是控流装置位置对中间包内死区体积的影 响，由正交试验获得． 由图可看出不同高度挡坝的 最佳位置规律相同，即挡坝越靠近出水口，中间包有 效容积利用率越大，死区体积呈指数递减; 由于出水 口吸引力和液面波动的影响，挡坝位置 L4 和高度 H4 不在考虑范围内． 因此，在出水口吸引力影响范 ·24·

第1期 李怡宏等：板坯中间包内钢液流动特性 ·25· 15s 18s 42s 15s 18s 42s (b) 图6挡坝位置对钢液流动行为的影响.(a)I2:(b)L3 Fig.6 Influence of bam location on fluid flow:(a)12:(b)13 16.0 300 mm 28400mm 15.5 3500mm y-9 15.0 671 15 品14.5 14 景40 13.5 ■挡坝高度500mm 13.0 -拟合曲线 12 12 L3 125 挡坝位置 030 0.350400450.50 挡坝相对位置.儿 图7挡坝位置对死区体积的影响 Fig.7 Influence of bam location on dead volume 图8死区体积与挡坝相对位置的指数关系 Fig.8 Exponential relation of bam location and dead volume 围外，挡坝位置对钢液流动行为的改善效果呈指数 在无任何控流装置下得到的，可以排除控流装置对 形式： 流场影响的干扰.现定义连铸过程中单位生产流量 0.3-L1 V=8.625-6.90×ep(0.367) (4) 对不同结构中间包死区的影响称为中间包影响因子 英中，是死区体积上0c,<二”) D,其值等于 L,(Q为中间包单出水口流量)，D与 是 L 死区体积V存在如下关系式： 挡坝在中间包内的相对位置，L,是12中间包长度， Ve=54.51D-0.00321 L是长水口距出水口的距离，其关系如图8所示 (5) 2.4不同尺寸中间包对钢液流动行为的影响关系 表4不同中间包形状和生产条件下死区体积 Table 4 Dead volume in different conditions 连铸过程中拉速，即中间包出口流量，是影响中 间包内钢液流动形态的主要因素；中间包形状是控 中间包单出水口流量， 中间包死区 参数 L/ Q/(th-1) 体积，V/% 流装置布置的先决条件，中间包入口到出口的距离 A厂 4045/3250 398.80 10.9 严重影响着挡坝的位置布置.由于各厂中间包的形 B 3580/3180 159.70 18.5 状和生产操作条件各不相同，造成中间包内不同的 C厂 38953100 106.25 21.8 钢液流动形态，因此各个厂中间包内的控流装置布 D 3830/3225 188.20 18.6 置不尽相同. 表4是各厂板坯中间包参数和生产条件.中间 由图9中D与死区体积的关系可看出，较长中 包出入口间距离和中间包出口流量共同影响着中间 间包的死区较大，死区一般集中在中间包边角部；若 包的有效容积利用率.表4中中间包死区体积均是 此时中间包流量较大，则中间包内钢水将获得较大

第 1 期 李怡宏等: 板坯中间包内钢液流动特性 图 6 挡坝位置对钢液流动行为的影响． ( a) L2; ( b) L3 Fig． 6 Influence of bam location on fluid flow: ( a) L2; ( b) L3 图 7 挡坝位置对死区体积的影响 Fig． 7 Influence of bam location on dead volume 围外，挡坝位置对钢液流动行为的改善效果呈指数 形式: Vd1 = 8 ( . 625 － 6. 90 × exp 0. 3 － Lr ) 0. 367 ． ( 4) 其中，Vd1是死区体积，Lr = L L ( a 0 ＜ Lr ＜ Lb － 800 L ) a 是 挡坝在中间包内的相对位置，La是 1 /2 中间包长度， Lb是长水口距出水口的距离，其关系如图 8 所示． 2. 4 不同尺寸中间包对钢液流动行为的影响关系 连铸过程中拉速，即中间包出口流量，是影响中 间包内钢液流动形态的主要因素; 中间包形状是控 流装置布置的先决条件，中间包入口到出口的距离 严重影响着挡坝的位置布置． 由于各厂中间包的形 状和生产操作条件各不相同，造成中间包内不同的 钢液流动形态，因此各个厂中间包内的控流装置布 置不尽相同． 表 4 是各厂板坯中间包参数和生产条件． 中间 包出入口间距离和中间包出口流量共同影响着中间 包的有效容积利用率． 表 4 中中间包死区体积均是 图 8 死区体积与挡坝相对位置的指数关系 Fig． 8 Exponential relation of bam location and dead volume 在无任何控流装置下得到的，可以排除控流装置对 流场影响的干扰． 现定义连铸过程中单位生产流量 对不同结构中间包死区的影响称为中间包影响因子 D，其值等于 La Lb ·Q( Q 为中间包单出水口流量) ，D 与 死区体积 Vd2存在如下关系式: Vd2 = 54. 5 |D － 0. 0032 | 1 6 ． ( 5) 表 4 不同中间包形状和生产条件下死区体积 Table 4 Dead volume in different conditions 参数 La /Lb 中间包单出水口流量， Q/( t·h － 1 ) 中间包死区 体积，Vd /% A 厂 4045 /3250 398. 80 10. 9 B 厂 3580 /3180 159. 70 18. 5 C 厂 3895 /3100 106. 25 21. 8 D`厂 3830 /3225 188. 20 18. 6 由图 9 中 D 与死区体积的关系可看出，较长中 间包的死区较大，死区一般集中在中间包边角部; 若 此时中间包流量较大，则中间包内钢水将获得较大 ·25·