D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.s1.034 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 连铸中间包内部结构优化的数理模拟及冶金效果 唐海燕于满李京社包燕平蒋静吉传波李涛 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要通过中间包水模型实验和数值模拟对4流中间包两种控流装置下包内流场进行了模拟研究·结果表明：原中间包内 由于形成了短路流使得钢液在中部水口的停留时间短，与边部水口的停留时间相差大·改进型中间包能均匀钢液在不同水口 的停留时间，减小中间包的死区比例，提高夹杂物的去除率。工业实验表明与原中间包相比，使用改进型中间包铸坯中的大型 夹杂物含量和显微夹杂物数量分别降低44.9%和2.7%. 关键词中间包：水模拟；数值模拟：工业实验 Numerical and physical simulation on inner structure optimization of a continuous casting tundish and its metallurgical effect TA NG Hai-yan,YU Man,LI Jing she,BAO Yan-ping,JIA NG Jing,JI Chuan-bo,LI Tao School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The fluid flow of four"strand tundishes under two different control devices was studied by water model experiments and numerical simulation.The results show that the formation of short-circuit flow in the original tundish makes liquid steel have short residence time in the middle outlet,and have large difference of residence time compared with the edge outlet.The improved tundish can homogenize the residence time of molten steel between different outlets,decrease the dead volume fraction.and increase the re- moval rate of inclusions.The plant trial shows that the macroinclusion content and the microinclusion number in billet decrease by 44.9%and 2.7%.respectively,compared with those of the original tundish. KEY WORDS tundish:water model:numerical simulation:plant trial 随着中间包冶金技术的发展与完善，中间包不 制器，通过工业实验研究了优化后的中间包对总氧 仅是把钢水均匀分配给各个结晶器和实现多炉连浇 含量和夹杂物的影响 的中间容器，而且承担着去除夹杂物、合金微调、控 制过热等治金功能).中间包内合理控流元件的设 1水模型实验 置以及合理的钢水流动状态对延长钢水在中间包内 1.1实验原理及方法 的停留时间，均匀钢水温度和成分，减少卷渣和促进 水模拟实验的理论依据是相似原理，中间包内 夹杂物上浮有重要作用，不合理的中间包控流装置 钢液的流动一般可视为黏性不可压缩稳态流动，因 会导致夹杂物上浮不充分或局部聚集，从而影响钢 此系统只要满足几何相似和动力相似就可以满足模 的质量和性能，国内某钢厂生产的连铸坯质量不稳 型和原型的相似23].中间包内钢液流动与模型中 定，经检验主要与大型夹杂物超标有关，而中间包是 水的流动处于同一自模化区，所以只要保证模型和 去除大型夹杂物的重要容器.因此，本文采用水模 原型的Fr准数相等，就可以保证模型（下标用m表 型和数值模拟相结合的方法研究了该厂中间包内钢 示)和原型（下标用p表示）的相似，即： 水的流动特性，并在此基础上优化了中间包的内部 F,==4经 (1) 结构，改变了导流孔的孔径和倾角，并增加了湍流控 gLm gLp 收稿日期：2009-08-05 作者简介：唐海燕(l970-)女，讲师，博士，E-mail:tanghaiyan@meta.ustb-edh-cn
连铸中间包内部结构优化的数理模拟及冶金效果 唐海燕 于 满 李京社 包燕平 蒋 静 吉传波 李 涛 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 通过中间包水模型实验和数值模拟对4流中间包两种控流装置下包内流场进行了模拟研究．结果表明：原中间包内 由于形成了短路流使得钢液在中部水口的停留时间短与边部水口的停留时间相差大．改进型中间包能均匀钢液在不同水口 的停留时间减小中间包的死区比例提高夹杂物的去除率．工业实验表明与原中间包相比使用改进型中间包铸坯中的大型 夹杂物含量和显微夹杂物数量分别降低44∙9％和2∙7％． 关键词 中间包；水模拟；数值模拟；工业实验 Numerical and physical simulation on inner structure optimization of a continuous casting tundish and its metallurgical effect T A NG Ha-i yanY U ManLI Jing-sheBA O Y an-pingJIA NG JingJI Chuan-boLI T ao School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he fluid flow of four-strand tundishes under two different control devices was studied by water model experiments and numerical simulation．T he results show that the formation of short-circuit flow in the original tundish makes liquid steel have short residence time in the middle outletand have large difference of residence time compared with the edge outlet．T he improved tundish can homogenize the residence time of molten steel between different outletsdecrease the dead volume fractionand increase the removal rate of inclusions．T he plant trial shows that the macroinclusion content and the microinclusion number in billet decrease by 44∙9％ and2∙7％respectivelycompared with those of the original tundish． KEY WORDS tundish；water model；numerical simulation；plant trial 收稿日期：2009-08-05 作者简介：唐海燕（1970—）女讲师博士E-mail：tanghaiyan＠metall．ustb．edu．cn 随着中间包冶金技术的发展与完善中间包不 仅是把钢水均匀分配给各个结晶器和实现多炉连浇 的中间容器而且承担着去除夹杂物、合金微调、控 制过热等冶金功能［1］．中间包内合理控流元件的设 置以及合理的钢水流动状态对延长钢水在中间包内 的停留时间均匀钢水温度和成分减少卷渣和促进 夹杂物上浮有重要作用．不合理的中间包控流装置 会导致夹杂物上浮不充分或局部聚集从而影响钢 的质量和性能．国内某钢厂生产的连铸坯质量不稳 定经检验主要与大型夹杂物超标有关而中间包是 去除大型夹杂物的重要容器．因此本文采用水模 型和数值模拟相结合的方法研究了该厂中间包内钢 水的流动特性并在此基础上优化了中间包的内部 结构改变了导流孔的孔径和倾角并增加了湍流控 制器．通过工业实验研究了优化后的中间包对总氧 含量和夹杂物的影响． 1 水模型实验 1∙1 实验原理及方法 水模拟实验的理论依据是相似原理．中间包内 钢液的流动一般可视为黏性不可压缩稳态流动因 此系统只要满足几何相似和动力相似就可以满足模 型和原型的相似［2—3］．中间包内钢液流动与模型中 水的流动处于同一自模化区所以只要保证模型和 原型的 Fr 准数相等就可以保证模型（下标用 m 表 示）和原型（下标用 p 表示）的相似即： Fr＝ u 2 m gL m ＝ u 2 p gLp （1） 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．034
Vol.31 Suppl.I 唐海燕等：连铸中间包内部结构优化的数理模拟及冶金效果 .39 由此计算出模型所对应于原型的体积流量和水 一定量的饱和KCI溶液作为示踪剂，同时在中间包 口流速，即： 侧1#（边部）和2#（中部）出水口处利用电导率 Qm=x2-50p (2) 仪、计算机及数据采集系统测定示踪剂浓度随时间 um=20.54p (3) 的变化曲线即RTD曲线.从RTD曲线可以直接得 以上方程中Fr为Froude准数；u为流体速度， 到从加入示踪剂到示踪剂流至中间包水口时的最小 ms1;g为重力加速度，ms2;L为特征长度，m; 停留时间tmim(又称响应时间)和示踪剂浓度达到最 Q为体积流量，m3h一1；入为几何相似比. 大时的峰值时间tmx·通过对停留时间分布曲线积 本实验选取实际连铸生产过程中25t四流中间 分，还可得到各流体微元在中间包的实际平均停留 包为原型，选取模型与原型的几何相似比入= 时间tw: 1/2.5.模型与原型对应的工艺参数如表1所示. te(t)dt Zue(i)Au 0 表1原型和模型的主要工艺参数 Lav ∑c(a4 (4) c(t)dt 实验 工作液面 流间距/单个水口流量/ 水口插入液 0 参数 高度/mm mm (m3h- 面深度/mm 理论平均停留时间： 原型 900 1500 3.000 150 s=VR/O (5) 模型 360 600 0.304 60 式中，c(t)为t时刻示踪剂的浓度，VR为中间包内 原中间包挡墙两侧各有一个上倾角为15°，孔 水的体积 以理论平均停留时间七，作为基准时间，除停留 径为60mm的导流孔，前方有一上倾角为15°，孔径 时间t,可得出无因次平均停留时间O: 为32mm的导流孔，如图1(a)所示.改进型中间包 外形尺寸不变，将挡墙的侧导流孔孔径均改为 月n-m 40mm,前方导流孔孔径不变，倾角均改为25°，同时 按照混合模型理论，死区占中间包流体体积的 增加湍流控制器，湍流控制器形状及尺寸如图1(b) 比例为： 所示（图中给出的均是水模型尺寸） 实验采用“刺激一响应”方法山，当中间包液面 Vd=1-0w 保持在适当高度、流场稳定后，在长水口处脉冲加入 由于中间包是对称的，所以只取两流的结果 R122 158 R46 R297 兰 600 87 (a)原中间包 中230 0200 中138 R20 R15 168 φi61 R59 Φ116 寸 (b)湍流控制器 图1中间包及湍流控制器示意图（单位：mm)
由此计算出模型所对应于原型的体积流量和水 口流速即： Qm＝λ2∙5Qp （2） um＝λ0∙5up （3） 以上方程中 Fr 为 Froude 准数；u 为流体速度 m·s —1 ；g 为重力加速度m·s —2 ；L 为特征长度m； Q 为体积流量m 3·h —1 ；λ为几何相似比． 本实验选取实际连铸生产过程中25t 四流中间 包为 原 型选 取 模 型 与 原 型 的 几 何 相 似 比λ＝ 1／2∙5．模型与原型对应的工艺参数如表1所示． 表1 原型和模型的主要工艺参数 实验 参数 工作液面 高度／mm 流间距／ mm 单个水口流量／ （m 3·h —1） 水口插入液 面深度／mm 原型 900 1500 3∙000 150 模型 360 600 0∙304 60 原中间包挡墙两侧各有一个上倾角为15°孔 径为60mm 的导流孔前方有一上倾角为15°孔径 为32mm 的导流孔如图1（a）所示．改进型中间包 外形尺寸不变将挡墙的侧导流孔孔径均改为 40mm前方导流孔孔径不变倾角均改为25°同时 增加湍流控制器湍流控制器形状及尺寸如图1（b） 所示（图中给出的均是水模型尺寸）． 实验采用“刺激—响应”方法［4］当中间包液面 保持在适当高度、流场稳定后在长水口处脉冲加入 一定量的饱和 KCl 溶液作为示踪剂同时在中间包 一侧1＃（边部）和2＃ （中部）出水口处利用电导率 仪、计算机及数据采集系统测定示踪剂浓度随时间 的变化曲线即 RTD 曲线．从 RTD 曲线可以直接得 到从加入示踪剂到示踪剂流至中间包水口时的最小 停留时间 tmin（又称响应时间）和示踪剂浓度达到最 大时的峰值时间 tmax．通过对停留时间分布曲线积 分还可得到各流体微元在中间包的实际平均停留 时间 tav： tav＝∫ ∞ 0 tc（ t）d t ∫ ∞ 0 c（ t）d t ＝ ∑ n i tic（ ti）Δti ∑ n 0 c（ ti）Δti （4） 理论平均停留时间： ts＝ V R／Q （5） 式中c（ t）为 t 时刻示踪剂的浓度V R 为中间包内 水的体积． 以理论平均停留时间 ts 作为基准时间除停留 时间 tav可得出无因次平均停留时间θav： θav＝ tav ts ． 按照混合模型理论死区占中间包流体体积的 比例为： V d＝1—θav． 由于中间包是对称的所以只取两流的结果． 图1 中间包及湍流控制器示意图（单位：mm） Vol．31Suppl．1 唐海燕等： 连铸中间包内部结构优化的数理模拟及冶金效果 ·39·
40 北京科技大学学报 2009年增刊1 1.2实验结果及分析 湍流动能耗散率E方程 中间包内液体流动水模型实验结果如表2所 “efae =(C1eG-C20e3) (9) 示.，从表2可以明显看出原挡墙形式下边部和中部 ax Ge dxp 水口的最小停留时间短且相差很大，边部水口的最 其中， 小停留时间为中部水口的1.9倍，两流的实际平均 0uu+du吲 Gxawau (10) 停留时间和死区体积分数相差也较大，这就造成了 两流之间的温差大，铸坯质量不均匀，停留时间短造 m=十PCu在 (11) 成夹杂物不能充分上浮，通过墨汁显示的流场发 上述方程中，：和山为i和j方向的流速分量， 现，墨汁经长水口加入后，流速很快，大部分从导流 P为钢液密度，卫为压力，“为有效黏度系数，k为 孔流出，由于导流孔距离中部水口近且上倾角度小， 湍动能，e为湍动能耗散率，G为湍动能产生项，凸： 墨汁很快流到中部水口. 为层流黏度系数，C1、C2、C、、为经验常数，采 表2中间包内液体流动特性 用Launder和Spalding的推荐值，C=1.43,C2= 挡培类型水口 tuin/s tpa/s Lw/s V/% 1.93,C=0.09,0=1.0,,=1.3. 中部 21 305 624 16.4 2.3边界条件的处理 原挡墙 边部 39 268 581 22.2 鉴于4流中间包结构的对称性，计算时只选取 中部 65 340 702 5.8 其一半来建模分析· 改进型 边部 58 328 680 7.0 (1)中间包钢液面处理为光滑壁面 (2)在浸入式水口截面上，各物理量沿该截面 改进型中间包由于减小了侧导流孔孔径、增加 法线方向的导数为零， 了上倾角，使得从孔中流出的钢液先到达液面，然后 再扩散进入中部和边部水口，湍流控制器也有效地 31=2=2k==0=0 dzdz dzdz (12) 延长了钢液在中间包内的停留时间，因而中间包内 (3)固体壁面上边界条件的处理 液体流动特性得到明显改善，滯止时间、峰值时间和 对于近壁区的钢液，采用壁面函数对其速度和 平均停留时间明显延长，死区比例减小，边部流和中 湍流特性参数进行修正， 部流的流动特性趋于一致， (4)入口与出口的边界条件 在大包长水口内的钢液流动速度垂直于中间包 2数值模拟 液面向下，入口速度由拉坯速度及铸坯断面确定，出 2.1基本假设 口采用压力边界条件 用FLUENT计算软件模拟原中间包和改进型 2.4计算求解 中间包稳态下的流场，特作如下假设-)： 本文采用FLUENT软件进行求解，为了使计 (1)流体为稳态、不可压缩的黏性流体； 算结果更精确，对长水口处的网格进行了加密处理 (2)不考虑钢液表面渣层的影响； 2.5数值模拟结果分析 (3)忽略温度对密度的影响，即P为常数 图2(a)和2(b)分别示出了原型中间包长水口 2.2基本方程 所在的Y一Z截面和X一Z截面的流场分布，从图2 钢液流动的速度和压力分布由流体连续方程、 可以看出，来自钢包的强注流直冲包底，到达包底迅 动量方程和k一湍流模型控制] 速分开，由于受到侧墙的约束钢液向上运动，然后 连续性方程： 由于长水口的卷吸再向中心集中，形成局部循环， a(eui)=0 部分钢液从侧导流孔流出，由于导流孔的上倾角 dxj (6) 小，只有15°，流出的钢液大多没有足够的动能到达 动量方程： 中间包顶部，而是直接沿着中间包侧壁迅速回流到 d(u:wl= 中部水口，少量的流到边部水口，这使得钢液在中部 dxj 3:3x 7 水口的停留时间短，和边部水口的停留时间相差大. 湍动能k方程： 而局部循环也不利于夹杂物的充分上浮 Ousk-a 2k a 图3(a)和3(b)分别示出了改进型中间包长水 Gkdxt =Gk一Pe (8) 口所在的Y一Z截面和X一Z截面的流场分布图，钢
1∙2 实验结果及分析 中间包内液体流动水模型实验结果如表2所 示．从表2可以明显看出原挡墙形式下边部和中部 水口的最小停留时间短且相差很大边部水口的最 小停留时间为中部水口的1∙9倍两流的实际平均 停留时间和死区体积分数相差也较大这就造成了 两流之间的温差大铸坯质量不均匀停留时间短造 成夹杂物不能充分上浮．通过墨汁显示的流场发 现墨汁经长水口加入后流速很快大部分从导流 孔流出由于导流孔距离中部水口近且上倾角度小 墨汁很快流到中部水口． 表2 中间包内液体流动特性 挡墙类型 水口 tmin／s t peak／s t av／s V d／％ 原挡墙 中部 21 305 624 16∙4 边部 39 268 581 22∙2 改进型 中部 65 340 702 5∙8 边部 58 328 680 7∙0 改进型中间包由于减小了侧导流孔孔径、增加 了上倾角使得从孔中流出的钢液先到达液面然后 再扩散进入中部和边部水口湍流控制器也有效地 延长了钢液在中间包内的停留时间因而中间包内 液体流动特性得到明显改善滞止时间、峰值时间和 平均停留时间明显延长死区比例减小边部流和中 部流的流动特性趋于一致． 2 数值模拟 2∙1 基本假设 用 FLUENT 计算软件模拟原中间包和改进型 中间包稳态下的流场特作如下假设［5—6］： （1） 流体为稳态、不可压缩的黏性流体； （2） 不考虑钢液表面渣层的影响； （3） 忽略温度对密度的影响即 ρ为常数． 2∙2 基本方程 钢液流动的速度和压力分布由流体连续方程、 动量方程和 k—ε湍流模型控制［7—9］． 连续性方程： ∂（ρuj） ∂xj ＝0 （6） 动量方程： ∂（ρuiuj） ∂xj ＝— ∂p ∂xi ＋ ∂ ∂xj μeff ∂ui ∂xj ＋ ∂uj ∂xi （7） 湍动能 k 方程： ∂ ∂xi ρuik— μeff σk ∂k ∂xi ＝ Gk—ρε （8） 湍流动能耗散率ε方程 ∂ ∂xi ρuεi — μeff σε ∂ε ∂xi ＝ （C1εGk—C2ρε2） k （9） 其中 Gk＝μi ∂uj ∂xi ∂ui ∂uj ＋ ∂uj ∂ui （10） μeff＝μi＋ρCμ k 2 ε （11） 上述方程中ui 和 uj 为 i 和 j 方向的流速分量 ρ为钢液密度p 为压力μeff为有效黏度系数k 为 湍动能ε为湍动能耗散率Gk 为湍动能产生项μi 为层流黏度系数．C1、C2、Cμ、σk、σε为经验常数采 用 Launder 和 Spalding 的推荐值C1＝1∙43C2＝ 1∙93Cμ＝0∙09σk＝1∙0σε＝1∙3． 2∙3 边界条件的处理 鉴于4流中间包结构的对称性计算时只选取 其一半来建模分析． （1） 中间包钢液面处理为光滑壁面． （2） 在浸入式水口截面上各物理量沿该截面 法线方向的导数为零． ∂u ∂z ＝ ∂v ∂z ＝ ∂k ∂z ＝ ∂ε ∂z ＝ w＝0 （12） （3） 固体壁面上边界条件的处理． 对于近壁区的钢液采用壁面函数对其速度和 湍流特性参数进行修正． （4） 入口与出口的边界条件． 在大包长水口内的钢液流动速度垂直于中间包 液面向下入口速度由拉坯速度及铸坯断面确定出 口采用压力边界条件． 2∙4 计算求解 本文采用 FLUENT 软件进行求解为了使计 算结果更精确对长水口处的网格进行了加密处理． 2∙5 数值模拟结果分析 图2（a）和2（b）分别示出了原型中间包长水口 所在的 Y—Z 截面和 X—Z 截面的流场分布．从图2 可以看出来自钢包的强注流直冲包底到达包底迅 速分开．由于受到侧墙的约束钢液向上运动然后 由于长水口的卷吸再向中心集中形成局部循环． 部分钢液从侧导流孔流出．由于导流孔的上倾角 小只有15°流出的钢液大多没有足够的动能到达 中间包顶部而是直接沿着中间包侧壁迅速回流到 中部水口少量的流到边部水口这使得钢液在中部 水口的停留时间短和边部水口的停留时间相差大． 而局部循环也不利于夹杂物的充分上浮． 图3（a）和3（b）分别示出了改进型中间包长水 口所在的 Y—Z 截面和 X—Z 截面的流场分布图．钢 ·40· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 唐海燕等：连铸中间包内部结构优化的数理模拟及冶金效果 ,41. 液从长水口直接注入湍流控制器的中心后，在中心 浮创造了很好的动力学条件，同时由于改进型中间 区两侧流体向上流动，到达中间包上部后，沿着中间 包挡墙增大了导流孔的上倾角，减小了孔径，使得从 包的顶面及侧壁向下流动，在两侧形成循环区，与 侧导流孔流出的钢液有一个向上的速度，没有直接 原型不加设湍流控制器相比，钢液流动的方向发生 沿包底进入边部或中部水口，而是遇到侧壁后改变 了变化，在中间包中的停留时间延长，且形成的循环 运动的方向，然后流向中部和边部水口，从而消除了 区增大，充分活跃了流场，为夹杂物的碰撞长大及上 短路流，也减小了对壁的冲刷 8 速度(m.s) 速度(m,s) 图2原型中间包长水口所在面的流场分布图：(a)一Z截面：(b)X一Z截面 X 4 速度/m.s 速度(ms) 图3改进型中间包长水口所在面的流场分布图：(a)Y一Z截面；(b)X一Z截面 10一6，降低了40.63%，表明改进型中间包从中包到 3工业实验 铸坯T0下降较原型明显.由表3也可看出，针对 根据水模型和数值模拟的结果，对于工业中实 该厂的中间包结构，单纯依靠改进控流装置还不足 际使用的挡墙进行了改进，并增加了湍流控制器，其 以降低铸坯的总氧 结构尺寸均是水模型尺寸的2.5倍 对于显微夹杂物，由表3可以看出，使用原型中 本生产线的工艺流程为：70t转炉→LF精炼 间包，铸坯中相当于当量直径7m的夹杂物平均为 炉RH→四流中间包→连铸，对使用原挡墙和改进 5.16个mm-2,使用改进型中间包，夹杂物降低到 型挡墙加湍流控制器的生产工艺分别在中间包和铸 5.02个mm一2，改进后的中间包较原型中间包略有 坯上进行取样分析，取样钢种为GCrl5,连铸坯断面 改善，且改进后两流间的夹杂物数量差距减小， 325mm×280mm.在每个浇次的第二、三炉的钢包 对于大型夹杂物，可以看出使用原挡墙中间包， 钢水浇铸到一半时，从中间包中取圆饼样各2个进 铸还中部流的夹杂物比边部流多，这和水模型实验是 行总氧分析，在中间包取样结束30min后分别取边 一致的.因为中部流的滞止时间只有29秒，夹杂物 部流与中间流的铸坯各一块，去皮后在内弧四分之 来不及充分上浮，使用改进型挡墙并加湍流控制器 一处分别切取气体样、大样和金相样，按文献[10一 的中间包能够延长滞止时间和实际平均停留时间、减 11]所示方法进行分析、检验，结果见表3. 小死区比例，因而显著降低了铸坯中大型夹杂物的含 从表3看出，当使用原挡墙控流时，从中间包到 量.与使用原挡墙的中间包相比，大型夹杂物平均含量 铸坯钢水的总氧含量T0由14×10-6降为9.5× 由0.227mgkg降为0.125mgkg1,降低了44.9%. 10-6,降低了32.14%；而当使用改进型挡墙控流 对于改进型中间包，由于钢液在中部流的滞止时间比 时，T0由中间包钢水的16×10-6降为铸坯的9.5× 在边部流长，因而中部流铸坯的夹杂物比边部流少
液从长水口直接注入湍流控制器的中心后在中心 区两侧流体向上流动到达中间包上部后沿着中间 包的顶面及侧壁向下流动在两侧形成循环区．与 原型不加设湍流控制器相比钢液流动的方向发生 了变化在中间包中的停留时间延长且形成的循环 区增大充分活跃了流场为夹杂物的碰撞长大及上 浮创造了很好的动力学条件．同时由于改进型中间 包挡墙增大了导流孔的上倾角减小了孔径使得从 侧导流孔流出的钢液有一个向上的速度没有直接 沿包底进入边部或中部水口而是遇到侧壁后改变 运动的方向然后流向中部和边部水口从而消除了 短路流也减小了对壁的冲刷． 图2 原型中间包长水口所在面的流场分布图：（a） Y—Z 截面；（b） X—Z 截面 图3 改进型中间包长水口所在面的流场分布图：（a） Y—Z 截面；（b） X—Z 截面 3 工业实验 根据水模型和数值模拟的结果对于工业中实 际使用的挡墙进行了改进并增加了湍流控制器其 结构尺寸均是水模型尺寸的2∙5倍． 本生产线的工艺流程为：70t 转炉→LF 精炼 炉→RH→四流中间包→连铸对使用原挡墙和改进 型挡墙加湍流控制器的生产工艺分别在中间包和铸 坯上进行取样分析取样钢种为 GCr15连铸坯断面 325mm×280mm．在每个浇次的第二、三炉的钢包 钢水浇铸到一半时从中间包中取圆饼样各2个进 行总氧分析．在中间包取样结束30min 后分别取边 部流与中间流的铸坯各一块去皮后在内弧四分之 一处分别切取气体样、大样和金相样按文献［10— 11］所示方法进行分析、检验结果见表3． 从表3看出当使用原挡墙控流时从中间包到 铸坯钢水的总氧含量 TO 由14×10—6降为9∙5× 10—6降低了32∙14％；而当使用改进型挡墙控流 时TO 由中间包钢水的16×10—6降为铸坯的9∙5× 10—6降低了40∙63％表明改进型中间包从中包到 铸坯 TO 下降较原型明显．由表3也可看出针对 该厂的中间包结构单纯依靠改进控流装置还不足 以降低铸坯的总氧． 对于显微夹杂物由表3可以看出使用原型中 间包铸坯中相当于当量直径7μm 的夹杂物平均为 5∙16个·mm —2使用改进型中间包夹杂物降低到 5∙02个·mm —2改进后的中间包较原型中间包略有 改善且改进后两流间的夹杂物数量差距减小． 对于大型夹杂物可以看出使用原挡墙中间包 铸坯中部流的夹杂物比边部流多这和水模型实验是 一致的．因为中部流的滞止时间只有29秒夹杂物 来不及充分上浮．使用改进型挡墙并加湍流控制器 的中间包能够延长滞止时间和实际平均停留时间、减 小死区比例因而显著降低了铸坯中大型夹杂物的含 量．与使用原挡墙的中间包相比大型夹杂物平均含量 由0∙227mg·kg —1降为0∙125mg·kg —1降低了44∙9％． 对于改进型中间包由于钢液在中部流的滞止时间比 在边部流长因而中部流铸坯的夹杂物比边部流少． Vol．31Suppl．1 唐海燕等： 连铸中间包内部结构优化的数理模拟及冶金效果 ·41·
.42 北京科技大学学报 2009年增刊1 表3改进前后GCl5试样中洁净度的变化 取样 挡墙 试样 T0/ 平均T0/显微夹杂物数量/显微夹杂物平均大型夹杂物含量/ 大型夹杂物平均 工序 类型 编号 10-6 10-6 (个mm-2) 数量/（个mm2) (mgkg1) 含量/(mgkg) 33Y 12 原型 34Y 16 14 中包 22G 18 改进型 16 23G 14 33I 11 4.21 0.171 33Ⅱ 11 5.87 0.284 原型 8 9.5 5.16 0.227 34I 4.33 0.170 34Ⅱ 8 6.21 0.284 铸坯 22I 9 4.77 0.253 22Ⅱ 9 4.95 0 改进型 9.5 5.02 0.125 23I 10 5.12 0.189 23Ⅱ 10 5.23 0.056 注：试样编号中的数字代表炉号，I代表边部流，Ⅱ代表中部流 tundish on cleanliness of billets.J Iron Steel Res Int,2008.15 4结论 (suppl.):499 [5]Mao X H.The Physical and Numerical Simulation for the Opti- (1)水模拟实验表明：原挡墙控流下中间包内 mization of Control Devices in the Tundish [Dissertation Bei 存在较大死区，且边部流与中间流之间流体流动特 jing:University of Science and Technology Beijing.2008:54 性差异很大，改进型挡墙控流使中间包内液体流动 (茅晓慧.中间包控流装置优化的物理模拟和数值模拟[学位论 特性得到明显改善，滞止时间、峰值时间和平均停留 文]北京：北京科技大学，2008：54) 时间明显延长，死区比例减小，边部流和中部流的流 [6]Liu Y L.Simulation Study on Flow Field and Temperature Field Based on A nsys [Dissertation].Wuhan:Wuhan University 动特性趋于一致 of Science and Technology2005:30 (2)数值模拟结果表明：湍流控制器的设置可 (刘耀林.基于Asys的中间包流场和温度场的模拟研究[学 以改变钢液的流动方向，减小中间包中的短路流， 位论文].武汉：武汉科技大学，2005：30 增大导流孔的上倾角、减小侧孔的孔径可以减小钢 [7]Zhu M Y.Numerical simulation of the coupled molten steel flow 液对中间包侧墙的冲刷并有助于均衡钢液在不同水 and heat transfer in continuous casting tundishes.Acta Metall Sim,1997,33(9):933 口的停留时间 (朱苗勇·连铸中间包内钢液流动与传热耦合过程的计算机模 (3)工业实验表明：使用改进型中间包能够显 拟.金属学报，1997,33(9)：933) 著降低铸坯中大型夹杂物的含量，与使用原中间包 [8]Zhu M Y.Xiao Z Q.Mat hematical modeling of three-dimensional 相比大型夹杂物含量降低44.9%，但不同类型控流 flow in continuous casting tundishes.Northeastern Univ, 装置的中间包对铸坯中显微夹杂物的数量影响 1995,16(4):352 不大 (朱苗勇，萧泽强·连铸中间包内三维流动的数学模拟·东北 大学学报，1995,16(4)：352) 参考文献 [9]Wang JJ,Bao Y P.Qu Y.Tundish Metallurgy.Beijing:Met- allurgical Industry Press.2001 [1]Kumar A.Mazumdar D.Koria S C.Modeling of fluid flow and (王建军，包燕平，曲英.中间包冶金学，北京：冶金工业出版 residence time distribution in a four strand tundish for enhancing 社，2001) inclusion removal.ISIJ Int,2008.48(1):38 [10]Tang H Y,Li JS.Wang J B.et al.Study on removal of inclu- [2]Sahai Y.Emi T.Melt flow characterization in continuous casting sions from molten steel by blowing during LF refining Iron tundishes.ISIJ Int,1996.36(6):667 Steel,2007,42(4):21 [3]Ruan X J.Li JS.Wang J B.et al.Optimizing of tundish strue- (唐海燕，李京社，王剑斌，等.钢包炉精炼不同吹氩工艺对夹 ture in Xingcheng Special Steel.J Unic Sci Technol Beijing. 杂物去除效果的研究.钢铁，2007,42(4)：21) 2007,29(suppl-):138 [11]Dong L R.Liu X H.Wei Y.et al.Macroinclusions in Steel. (阮小江，李京社，王剑斌，等。兴澄特钢中间包结构优化北 Beijing:Metallurgical Industry Press,1991 京科技大学学报，2007,29（增刊）：138) (董履仁，刘新华，韦远，等钢中大型非金属夹杂物·北京：冶 [4]Tang H Y,Li JS.Gao J G.et al.Effect of flow control devices of 金工业出版社，1991)
表3 改进前后 GCr15试样中洁净度的变化 取样 工序 挡墙 类型 试样 编号 TO／ 10—6 平均 TO／ 10—6 显微夹杂物数量／ （个·mm —2） 显微夹杂物平均 数量／（个·mm —2） 大型夹杂物含量／ （mg·kg —1） 大型夹杂物平均 含量／（mg·kg —1） 原型 33Y 12 14 中包 34Y 16 改进型 22G 18 16 23G 14 33Ⅰ 11 4∙21 0∙171 原型 33Ⅱ 11 9∙5 5∙87 5∙16 0∙284 0∙227 34Ⅰ 8 4∙33 0∙170 铸坯 34Ⅱ 8 6∙21 0∙284 22Ⅰ 9 4∙77 0∙253 改进型 22Ⅱ 9 9∙5 4∙95 5∙02 0 0∙125 23Ⅰ 10 5∙12 0∙189 23Ⅱ 10 5∙23 0∙056 注：试样编号中的数字代表炉号Ⅰ代表边部流Ⅱ代表中部流． 4 结论 （1） 水模拟实验表明：原挡墙控流下中间包内 存在较大死区且边部流与中间流之间流体流动特 性差异很大改进型挡墙控流使中间包内液体流动 特性得到明显改善滞止时间、峰值时间和平均停留 时间明显延长死区比例减小边部流和中部流的流 动特性趋于一致． （2） 数值模拟结果表明：湍流控制器的设置可 以改变钢液的流动方向减小中间包中的短路流． 增大导流孔的上倾角、减小侧孔的孔径可以减小钢 液对中间包侧墙的冲刷并有助于均衡钢液在不同水 口的停留时间． （3） 工业实验表明：使用改进型中间包能够显 著降低铸坯中大型夹杂物的含量与使用原中间包 相比大型夹杂物含量降低44∙9％但不同类型控流 装置的中间包对铸坯中显微夹杂物的数量影响 不大． 参 考 文 献 ［1］ Kumar AMazumdar DKoria S C．Modeling of fluid flow and residence time distribution in a four-strand tundish for enhancing inclusion removal．ISIJ Int200848（1）：38 ［2］ Sahai YEmi T．Melt flow characterization in continuous casting tundishes．ISIJ Int199636（6）：667 ［3］ Ruan X JLi J SWang J Bet al．Optimizing of tundish structure in Xingcheng Special Steel． J Univ Sci Technol Beijing 200729（suppl．）：138 （阮小江李京社王剑斌等．兴澄特钢中间包结构优化．北 京科技大学学报200729（增刊）：138） ［4］ Tang H YLi J SGao J Get al．Effect of flow control devices of tundish on cleanliness of billets．J Iron Steel Res Int200815 （suppl．）：499 ［5］ Mao X H．The Physical and Numerical Simulation for the Optimiz ation of Control Devices in the T undish ［Dissertation ］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2008：54 （茅晓慧．中间包控流装置优化的物理模拟和数值模拟［学位论 文］．北京：北京科技大学2008：54） ［6］ Liu Y L．Simulation Study on Flow Field and Temperature Field Based on A nsys ［Dissertation］．Wuhan：Wuhan University of Science and Technology2005：30 （刘耀林．基于 Ansys 的中间包流场和温度场的模拟研究 ［学 位论文］．武汉：武汉科技大学2005：30 ［7］ Zhu M Y．Numerical simulation of the coupled molten steel flow and heat transfer in continuous casting tundishes． Acta Metall Sin199733（9）：933 （朱苗勇．连铸中间包内钢液流动与传热耦合过程的计算机模 拟．金属学报199733（9）：933） ［8］ Zhu M YXiao Z Q．Mathematical modeling of three-dimensional flow in continuous casting tundishes． J Northeastern Univ 199516（4）：352 （朱苗勇萧泽强．连铸中间包内三维流动的数学模拟．东北 大学学报199516（4）：352） ［9］ Wang J JBao Y PQu Y．T undish Metallurgy．Beijing：Metallurgical Industry Press2001 （王建军包燕平曲英．中间包冶金学．北京：冶金工业出版 社2001） ［10］ Tang H YLi J SWang J Bet al．Study on removal of inclusions from molten steel by blowing during LF refining． Iron Steel200742（4）：21 （唐海燕李京社王剑斌等．钢包炉精炼不同吹氩工艺对夹 杂物去除效果的研究．钢铁200742（4）：21） ［11］ Dong L RLiu X HWei Yet al．Macroinclusions in Steel． Beijing：Metallurgical Industry Press1991 （董履仁刘新华韦远等．钢中大型非金属夹杂物．北京：冶 金工业出版社1991） ·42· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1