带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟

DOL:10.13374/.issn1001-053x.2011.05.017 第33卷第5期 北京科技大学学报 Vol.33 No.5 2011年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2011 带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟 赵新宇)区张炯明”吴苏州”胡波) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)中治连铸技术工程股份公司，武汉430080 ☒通信作者，E-mail:xyzl076@sina.com 摘要通过建立多相流数学模型对带有过滤器中间包钢水内夹杂物的运动轨迹及浇注过程中夹杂物去除率进行模拟研 究.在某钢厂提取连铸过程中中间包入口及出口处钢样，对其进行大样电解得到夹杂物在钢水中所占的比例，验证了数学模 型正确性，并分析浇注过程对夹杂物去除的影响.结果表明：穿过过滤器的夹杂物速率变小，停留时间增加，去除几率增加，过 滤器可以提高夹杂物的去除率：对于粒径在100μm以上的夹杂物，其去除率在稳定后不再发生剧烈波动，但对于粒径小于 80μm的夹杂物，其去除率在稳定后依然存在较大波动，浇注中后期20μm以下的夹杂物在出口处甚至出现了增加.夹杂物去 除是一个非稳态过程. 关键词连铸：过滤器：夹杂物：计算机模拟：瞬态分析 分类号TF777.1 Transient simulation on the behavior of inclusions in liquid steel of the tundish with a filter ZHA0Xin→u”☒，ZHANG Jiong-ming'，,WUSu-hou”,HUBo2 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)China Casting Technology Engineering Co.Lid.,Wuhan 430080,China Corresponding author,E-mail:xyz1076@sina.com ABSTRACT The movement tracks of inclusions in liquid steel in the tundish with a filter and the inclusion removal rate during con- tinuous casting were studied by numerical simulations through constructing a multiphase flow model.This model was testified by sam- pling at the inlet and outlet of the tundish during continuous casting in a steel mill.Afterward the samples were investigated by bulk- sample-electrolysis to get the proportion of inclusions in liquid steel,and the effect of casting process on the inclusion removal rate was analyzed.It is shown that the velocity of inclusions decreases due to filtering,and the residence time of inclusions in the tundish pro- longs,leading to an increase in the probability of inclusion removal,so filters can increase the inclusion removal rate.Fluctuations in inclusion removal rate are found when the diameter of inclusions is less than 80 um,however the fluctuations are not so severely for in- clusions whose diameter is more than 100 um.There occurs even the increasing of inclusions at the outlet when the diameter of inclu- sions is less than 20 um during the later period of casting.The inclusion removal is a transient process KEY WORDS continuous casting:filters;inclusions:computer simulation:transient analysis 中间包作为治金反应器的重要环节，无论对于 影响0 连铸操作的顺利进行，还是提高钢液品质，其作用都 近年来，治金工作者对中间包钢水内夹杂物的 是不可忽视的.通常认为中间包的作用有分流、连 去除进行了大量的研究，张胜军等通过水模型 浇、减压和净化钢液等。随着用户对钢洁净度要求 研究夹杂物在中间包内的行为，使用乳状液滴模拟 的不断提高，中间包作为钢液凝固之前所经过的最 夹杂物，结果表明粒径在200~300μm的夹杂物去 后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的 除率在30%左右；Jha等使用Fluent软件模拟六 收稿日期：2010-07-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.51074022)

第 33 卷 第 5 期 2011 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 5 May 2011 带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟 赵新宇1) 张炯明1) 吴苏州1) 胡 波2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 中冶连铸技术工程股份公司，武汉 430080 通信作者，E-mail: xyz1076@ sina． com 摘 要 通过建立多相流数学模型对带有过滤器中间包钢水内夹杂物的运动轨迹及浇注过程中夹杂物去除率进行模拟研 究． 在某钢厂提取连铸过程中中间包入口及出口处钢样，对其进行大样电解得到夹杂物在钢水中所占的比例，验证了数学模 型正确性，并分析浇注过程对夹杂物去除的影响． 结果表明: 穿过过滤器的夹杂物速率变小，停留时间增加，去除几率增加，过 滤器可以提高夹杂物的去除率; 对于粒径在 100 μm 以上的夹杂物，其去除率在稳定后不再发生剧烈波动，但对于粒径小于 80 μm的夹杂物，其去除率在稳定后依然存在较大波动，浇注中后期 20 μm 以下的夹杂物在出口处甚至出现了增加． 夹杂物去 除是一个非稳态过程． 关键词 连铸; 过滤器; 夹杂物; 计算机模拟; 瞬态分析 分类号 TF777. 1 Transient simulation on the behavior of inclusions in liquid steel of the tundish with a filter ZHAO Xin-yu1) ，ZHANG Jiong-ming1) ，WU Su-zhou1) ，HU Bo 2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) China Casting Technology Engineering Co． Ltd． ，Wuhan 430080，China Corresponding author，E-mail: xyz1076@ sina． com ABSTRACT The movement tracks of inclusions in liquid steel in the tundish with a filter and the inclusion removal rate during con￾tinuous casting were studied by numerical simulations through constructing a multiphase flow model． This model was testified by sam￾pling at the inlet and outlet of the tundish during continuous casting in a steel mill． Afterward the samples were investigated by bulk￾sample-electrolysis to get the proportion of inclusions in liquid steel，and the effect of casting process on the inclusion removal rate was analyzed． It is shown that the velocity of inclusions decreases due to filtering，and the residence time of inclusions in the tundish pro￾longs，leading to an increase in the probability of inclusion removal，so filters can increase the inclusion removal rate． Fluctuations in inclusion removal rate are found when the diameter of inclusions is less than 80 μm，however the fluctuations are not so severely for in￾clusions whose diameter is more than 100 μm． There occurs even the increasing of inclusions at the outlet when the diameter of inclu￾sions is less than 20 μm during the later period of casting． The inclusion removal is a transient process． KEY WORDS continuous casting; filters; inclusions; computer simulation; transient analysis 收稿日期: 2010--07--06 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 51074022) 中间包作为冶金反应器的重要环节，无论对于 连铸操作的顺利进行，还是提高钢液品质，其作用都 是不可忽视的． 通常认为中间包的作用有分流、连 浇、减压和净化钢液等． 随着用户对钢洁净度要求 的不断提高，中间包作为钢液凝固之前所经过的最 后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的 影响［1］． 近年来，冶金工作者对中间包钢水内夹杂物的 去除进行了大量的研究［2--6］，张胜军等通过水模型 研究夹杂物在中间包内的行为，使用乳状液滴模拟 夹杂物，结果表明粒径在 200 ～ 300 μm 的夹杂物去 除率在 30% 左右［5］; Jha 等使用 Fluent 软件模拟六 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.05.017

·540· 北京科技大学学报 第33卷 流中间包坝堰位置和高度对夹杂物去除的影响，结 果表明粒径60~80um的夹杂物去除率为90%~ 是p,)+p.U,)=5w+i Te(2) 98%的.模拟结果的验证大多通过前人文献或观察 式中，Ssa为质量源项，Te为两相间发生质量传输 与检测铸坯中夹杂物来实现，显然铸坯的夹杂物受 时单位体积内从相B到相α的质量流量速率 结晶器内钢水流场影响较大，不能很好地反应中间 相间曳力系数方程： 包对夹杂物去除的效果.过滤器是通过改变中间包 结构来促进夹杂物上浮的手段，其应用日益广 C=ms{1+015Re),0.4} (3) 泛).本文通过建立非均相多相流数学模型来模 拟浇注过程中中间包钢水内夹杂物的去除率及夹杂 式中，Re为雷诺数 物的运动轨迹，同时在某钢厂浇注过程中取中间包 夹杂物的去除率由下式定义： 入口及出口处试样，对试样进行夹杂物含量分析，来 f=如-I▣×100% (4) 验证模拟结果，使得模拟结果更加符合实际情况 式中，T入口和r出如分别为入口和出口处夹杂物的体积 1数学模型 分数. 1.1基本假设 1.3边界条件 由于中间包实际工况非常复杂，因此首先需对 (1)入口.根据结晶器出口面积及拉速计算出 模型进行条件允许内的假设0：(1)视液体不可压 中间包入口流量，夹杂物的含量通过分析试样取平 缩：(2)不考虑夹杂物间的聚合长大；(3)不考虑中 均值 间包顶面的液面波动：(4)浇注过程中拉速保持 (2)熔池表面.钢液自由流动，夹杂物无滑移. 不变 夹杂物通量为Tg×山，其中4为夹杂物的上浮 1.2数学模型 速率. 多相流模型动量方程： (3)壁面.钢液与夹杂物均设为无滑移条件 夹杂物浓度梯度为0 p.U)+.n.U.⑧U)= (4)出口和对称面.所有物理量沿出口和对称 -r Vpa+V.(rua (VU+(VU.)T))+ 面法线方向的梯度均设为0. 1.4模拟方法 Np -区)+S+M. (1) 以某钢厂300t大包浇注过程为研究对象，使用 多相流模型模拟浇注过程中带过滤器中间包钢水内 式中：t为时间；r。为相a的体积分数：P。为相a的 夹杂物的去除率.中间包结构如图1(a)所示，中间 密度；U,为相a的速度矢量：P。为相a的分压；u。 包为二流中间包，整体形状为T形，由于中间包的 为相α的黏性系数；N。为相个数：TUg-TU。为 对称性，模型仅需画出装置的一半，再使用对称的方 由相间质量传输带来的动量传输：S为由于外部体 法进行模拟.三个过滤器被置于坝内，单一过滤器 积力产生的动量源项：M。为界面张力 形貌如图1(b)所示 连续性方程： 项面 出口 过滤器 M0n10000 00501.00m 1N000000 0250.75 图1中间包结构图.(a)中间包：(b)过滤器 Fig.1 Configuration of a tundish:(a)tundish:(b)filter

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 流中间包坝堰位置和高度对夹杂物去除的影响，结 果表明粒径 60 ～ 80 μm 的夹杂物去除率为 90% ～ 98%［6］． 模拟结果的验证大多通过前人文献或观察 与检测铸坯中夹杂物来实现，显然铸坯的夹杂物受 结晶器内钢水流场影响较大，不能很好地反应中间 包对夹杂物去除的效果． 过滤器是通过改变中间包 结构来促进夹杂物上浮的手段，其 应 用 日 益 广 泛［7--9］． 本文通过建立非均相多相流数学模型来模 拟浇注过程中中间包钢水内夹杂物的去除率及夹杂 物的运动轨迹，同时在某钢厂浇注过程中取中间包 入口及出口处试样，对试样进行夹杂物含量分析，来 验证模拟结果，使得模拟结果更加符合实际情况． 1 数学模型 1. 1 基本假设 由于中间包实际工况非常复杂，因此首先需对 模型进行条件允许内的假设［10］: ( 1) 视液体不可压 缩; ( 2) 不考虑夹杂物间的聚合长大; ( 3) 不考虑中 间包顶面的液面波动; ( 4) 浇注过程中拉速保持 不变． 1. 2 数学模型 多相流模型动量方程:  t ( rα ραUα ) + Δ ·( rα ( ραUαUα ) ) = － rα Δ pα + Δ ·( rα μα ( Δ Uα + ( Δ Uα ) T) ) + ∑ Np β = 1 ( Γ + αβUβ － Γ + βαUα ) + SMα + Mα ( 1) 式中: t 为时间; rα 为相 α 的体积分数; ρα 为相 α 的 密度; Uα 为相 α 的速度矢量; pα 为相 α 的分压; μα 为相 α 的黏性系数; Np 为相个数; Γ + αβUβ － Γ + βαUα 为 由相间质量传输带来的动量传输; SMα为由于外部体 积力产生的动量源项; Mα 为界面张力． 连续性方程:  t ( rα ρα ) + Δ ·( rα ραUα ) = SMSα + ∑ Np β = 1 Γαβ ( 2) 式中，SMSα为质量源项，Γαβ为两相间发生质量传输 时单位体积内从相 β 到相 α 的质量流量速率． 相间曵力系数方程: CD = max { 24 Re ( 1 + 0. 15Re 0. 687 ) ，0. 44 } ( 3) 式中，Re 为雷诺数． 夹杂物的去除率由下式定义: f = r入口 － r出口 r入口 × 100% ( 4) 式中，r入口和 r出口分别为入口和出口处夹杂物的体积 分数． 1. 3 边界条件 ( 1) 入口． 根据结晶器出口面积及拉速计算出 中间包入口流量，夹杂物的含量通过分析试样取平 均值． ( 2) 熔池表面． 钢液自由流动，夹杂物无滑移． 夹杂物 通 量 为 rβ × uβz，其 中 uβz 为夹杂物的上浮 速率． ( 3) 壁面． 钢液与夹杂物均设为无滑移条件． 夹杂物浓度梯度为 0． ( 4) 出口和对称面． 所有物理量沿出口和对称 面法线方向的梯度均设为 0． 1. 4 模拟方法 以某钢厂 300 t 大包浇注过程为研究对象，使用 多相流模型模拟浇注过程中带过滤器中间包钢水内 夹杂物的去除率． 中间包结构如图 1( a) 所示，中间 包为二流中间包，整体形状为 T 形，由于中间包的 对称性，模型仅需画出装置的一半，再使用对称的方 法进行模拟． 三个过滤器被置于坝内，单一过滤器 形貌如图 1( b) 所示． 图 1 中间包结构图 . ( a) 中间包; ( b) 过滤器 Fig． 1 Configuration of a tundish: ( a) tundish; ( b) filter ·540·

第5期 赵新宇等：带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟 ·541· 2模拟结果和分析 2.1带过滤器中间包钢水内夹杂物运动轨迹 图2为带过滤器情况下中间包钢水内夹杂物的 在中间包内设置坝堰有助于促进夹杂物上浮， 运动轨迹图，此时工况为拉速1.4m·min-1,夹杂物 在坝上设置过滤器可以进一步促进夹杂物上浮，坝 粒径在50~100μm.图中轨迹分别为随机25条夹 堰结构的较优设置为堰距离对称面300mm,坝距离 杂物运动轨迹和典型的从出口离开、被壁面吸收及 对称面350mm),本文模拟均按此最优结构设计 被顶面吸收的夹杂物轨迹，轨迹线上的球形标记为 中间包模型. 时间标记，每两个球形标记间的时间尺度为5s 模拟实验因素分别考虑夹杂物粒径和时间，工 图2(c)、2(d)分别为经过过滤器而又被壁面和项 况具体参数如表1所示. 面吸收的夹杂物运动轨迹.从图中可以看出，经过 表1模拟因素及其对应值 过滤器夹杂物的运行时间明显要长于未经过过滤器 Table 1 Parameters for simulation and their values 夹杂物（图2(b))的运行时间.这是由于夹杂物穿 因素 相应数值 过过滤器后，受过滤器影响，夹杂物速率有所降低， 夹杂物粒径/μm 20,50,80,100,150,200 因此经过过滤器的夹杂物在中间包内的停留时间增 时间/s 0~1000 加，其被壁面和顶面吸附的概率也即增大 夹杂物速度 a 95 夹杂物速度山 SYS ■8.316x10 8.283×10-1 6.237×10H 6.212x101 4.158x10H 4.141×10 2.079x10 2.071×10 0 00.501.00m 0 …g 0.25075 m.s SYS 夹杂物速度 5 夹杂物速度 (d) ■8.283x10- ■8297x10-1 6213×10H 6.223×10 4.142×10H 4.149x10H 2.0m1×x1G 2.074×10+ 1.0m 00.501.00m m.s 0.5 025075y-x 图2夹杂物在带过滤器中间包内的轨迹.(a)总体夹杂物轨迹：(b)从出口离开的夹杂物轨迹：()被壁面吸收的夹杂物轨迹：(d)被 顶面吸收的夹杂物轨迹 Fig.2 Movement tracks of inclusions in the tundish with a filter:(a)tracks of total inclusions:(b)tracks of inclusions leaving from the outlet:(c) tracks of inclusions absorbed by the wall:(d)tracks of inclusions absorbed by the top surface 2.2浇注过程夹杂物去除率对比 120 图3为不同粒径夹杂物在不同时刻的去除率变 100 化曲线，图中L.D表示为夹杂物平均粒径，此时拉速 80 为1.4m·min1.从图中可以看出，浇注开始时刻， -1D804m 夹杂物去除率快速上升，在经过一段时间后，去除率 ◆-LD20um 一L.D100m 趋于稳定，达到稳定状态所用的时间与夹杂物粒径 。-1D50um -1.D 150 um 20 1.D 200 um 大小成反比.对于粒径在100μm以上的夹杂物，去 seussssasees 除率趋于稳定后，其值不再发生剧烈变化：而对于粒 20 径在80μm以下的夹杂物，去除率趋于稳定后，其值 200 400 600 800 1000 时间/s 依然存在较大波动，甚至在浇注中后期对于粒径为 图3夹杂物去除率随时间变化曲线 20m的夹杂物，在出口处还出现了增加，即出口处 Fig.3 Change in the removal rate of inclusions with time

第 5 期 赵新宇等: 带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟 2 模拟结果和分析 在中间包内设置坝堰有助于促进夹杂物上浮， 在坝上设置过滤器可以进一步促进夹杂物上浮，坝 堰结构的较优设置为堰距离对称面 300 mm，坝距离 对称面 350 mm［11］，本文模拟均按此最优结构设计 中间包模型． 模拟实验因素分别考虑夹杂物粒径和时间，工 况具体参数如表 1 所示． 表 1 模拟因素及其对应值 Table 1 Parameters for simulation and their values 因素 相应数值 夹杂物粒径/μm 20，50，80，100，150，200 时间/s 0 ～ 1 000 2. 1 带过滤器中间包钢水内夹杂物运动轨迹 图 2 为带过滤器情况下中间包钢水内夹杂物的 运动轨迹图，此时工况为拉速 1. 4 m·min － 1 ，夹杂物 粒径在 50 ～ 100 μm． 图中轨迹分别为随机 25 条夹 杂物运动轨迹和典型的从出口离开、被壁面吸收及 被顶面吸收的夹杂物轨迹，轨迹线上的球形标记为 时间标记，每两个球形标记间的时间尺度为 5 s． 图 2( c) 、2( d) 分别为经过过滤器而又被壁面和顶 面吸收的夹杂物运动轨迹． 从图中可以看出，经过 过滤器夹杂物的运行时间明显要长于未经过过滤器 夹杂物( 图 2( b) ) 的运行时间． 这是由于夹杂物穿 过过滤器后，受过滤器影响，夹杂物速率有所降低， 因此经过过滤器的夹杂物在中间包内的停留时间增 加，其被壁面和顶面吸附的概率也即增大． 图 2 夹杂物在带过滤器中间包内的轨迹 . ( a) 总体夹杂物轨迹; ( b) 从出口离开的夹杂物轨迹; ( c) 被壁面吸收的夹杂物轨迹; ( d) 被 顶面吸收的夹杂物轨迹 Fig． 2 Movement tracks of inclusions in the tundish with a filter: ( a) tracks of total inclusions; ( b) tracks of inclusions leaving from the outlet; ( c) tracks of inclusions absorbed by the wall; ( d) tracks of inclusions absorbed by the top surface 2. 2 浇注过程夹杂物去除率对比 图 3 为不同粒径夹杂物在不同时刻的去除率变 化曲线，图中 I． D 表示为夹杂物平均粒径，此时拉速 为 1. 4 m·min － 1 ． 从图中可以看出，浇注开始时刻， 夹杂物去除率快速上升，在经过一段时间后，去除率 趋于稳定，达到稳定状态所用的时间与夹杂物粒径 大小成反比． 对于粒径在 100 μm 以上的夹杂物，去 除率趋于稳定后，其值不再发生剧烈变化; 而对于粒 径在 80 μm 以下的夹杂物，去除率趋于稳定后，其值 依然存在较大波动，甚至在浇注中后期对于粒径为 20 μm 的夹杂物，在出口处还出现了增加，即出口处 图 3 夹杂物去除率随时间变化曲线 Fig． 3 Change in the removal rate of inclusions with time ·541·

·542· 北京科技大学学报 第33卷 夹杂物体积分数大于入口处体积分数.夹杂物的上 物则被钢液带走，从而造成夹杂物去除率的波动 浮为非稳态过程. 同时上浮的夹杂物主要集中在中间包出口上方，且 对于钢液内的夹杂物来讲，其主要受到两种力 并不能完全被覆盖剂吸收，随着浇注的进行，此处形 控制，其一为由密度差造成的浮力，另一种为由动量 成了夹杂物的积聚，对于粒径小于20μm的小型夹 传递造成的拖曳力.夹杂物受到的浮力在其粒径确 杂物来讲，其受钢液湍流影响则更加明显，在钢液湍 定后则为常数，而拖曳力与钢液的湍动能有关，因此 动能异常变化过程中，聚集的夹杂物被钢液带出中 夹杂物处于一种不稳定的平衡状态，当局部钢液湍 间包，从而形成小型夹杂物在出口处的增加，其过程 动能增加，夹杂物受到的拖曳力大于其浮力时，夹杂 如图4所示. 夹杂物体积分数 (a) 夹杂物体积分数 b (112.133x10 (112.133x10- (102.016x10 (102.016x10 9)1.900x10- (91900x10H 81.783x10H 8)1,783×10+ 71667104 71.667x10+ (61550x10- 61550x10+ (5)1.434×10 51.434×10 (41.317x10- 41317×10H 31201×10-0 1.0 2.0m 31201×10- 2.0m 2L084x10H 05 15 21.084×10H (19.678×103 (19.678x10 图4小粒径夹杂物去除率波动示意图.()顶面夹杂物聚集：(b)聚集夹杂物被卷出 Fig.4 Fluctuation of percentage of inclusion removal for inclusions with fewer diameters:(a)assemble of inclusions at top surface:(b)inclusions assembling is taken away 浸泡试样的电解质溶液中，通直流电时，两极分别发 3实验验证结果 生电极反应，溶解液中阴、阳离子在电场作用下，分 在国内某钢厂浇注过程中取样，治炼工况为 别向两极移动，阳极使少部金属以离子形式转入溶 拉速1.4m·min-,中间包结构为带有过滤器的 液，而夹杂物将沉集于阳极泥中.然后再通过淘洗、 最优结构，大包吨数为300t.在浇注前在中间包 磁选和筛选等方法得到粒径在53μm以上的大型夹 入口处取提桶样，大包浇注剩余200t时，在中间 杂物.对夹杂物称重、分级，将试样原始质量减去电 包浸入式水口处取提桶样，大包浇注剩余100t 解后残样质量得到电解质量，再将夹杂物质量与10 时，在中包浸入式水口处取提桶样.对提桶样进 倍的电解质量相比，得出各级大型夹杂物及夹杂总 行大样电解 量在每10kg试样中的比例.大样电解结果数据如 大样电解是根据电化学原理，把两个电极插入 表2所示. 表2带过滤器中间包中夹杂物含量 Table 2 Content of inclusions in the tundish with a filter 取样 电解 夹杂 不同等级夹杂物含量/(mg~kg1) 夹杂总量/ 位置 质量/kg 质量/m唱 53~106μm 106150um >150μm (mgkg-1) 中间包入口处 0.349 21.7 0.02 0.10 2.05 62.18 大包剩余200t时中包浸入式水口处 0.308 1.5 0.01 0.03 0.11 4.87 大包剩余100：时中包浸入式水口处 0.429 1.1 0.01 0.02 0.08 2.56 图5为浇注过程中夹杂物去除率的对比图，折 4结论 线为模拟数据，取点为实验数据，其中模拟计算 500s对应实验大包剩余200t时刻，模拟计算1000s (1)通过对夹杂物运动轨迹的分析发现，穿过 对应实验大包剩余100t时刻.从图中可以看出，模 过滤器的夹杂物受过滤器影响速率降低，在中间包 拟数据与实验数据有较好的吻合度，说明模型有一 内的停留时间增大，去除率增加 定的准确性，对现场生产有一定的指导意义. (2)中间包对粒径小于20um的夹杂物去除不

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 夹杂物体积分数大于入口处体积分数． 夹杂物的上 浮为非稳态过程． 对于钢液内的夹杂物来讲，其主要受到两种力 控制，其一为由密度差造成的浮力，另一种为由动量 传递造成的拖曳力． 夹杂物受到的浮力在其粒径确 定后则为常数，而拖曳力与钢液的湍动能有关，因此 夹杂物处于一种不稳定的平衡状态，当局部钢液湍 动能增加，夹杂物受到的拖曳力大于其浮力时，夹杂 物则被钢液带走，从而造成夹杂物去除率的波动． 同时上浮的夹杂物主要集中在中间包出口上方，且 并不能完全被覆盖剂吸收，随着浇注的进行，此处形 成了夹杂物的积聚，对于粒径小于 20 μm 的小型夹 杂物来讲，其受钢液湍流影响则更加明显，在钢液湍 动能异常变化过程中，聚集的夹杂物被钢液带出中 间包，从而形成小型夹杂物在出口处的增加，其过程 如图 4 所示． 图 4 小粒径夹杂物去除率波动示意图 . ( a) 顶面夹杂物聚集; ( b) 聚集夹杂物被卷出 Fig． 4 Fluctuation of percentage of inclusion removal for inclusions with fewer diameters: ( a) assemble of inclusions at top surface; ( b) inclusions assembling is taken away 3 实验验证结果 在国内某钢厂浇注过程中取样，冶炼工况为 拉速 1. 4 m·min － 1 ，中间包结构为带有过滤器的 最优结构，大包吨数为 300 t． 在浇注前在中间包 入口处取提桶样，大包浇注剩余 200 t 时，在中间 包浸入式水口处取提桶样，大 包 浇 注 剩 余 100 t 时，在中包浸入式水口处取提桶样． 对提桶样进 行大样电解． 大样电解是根据电化学原理，把两个电极插入 浸泡试样的电解质溶液中，通直流电时，两极分别发 生电极反应，溶解液中阴、阳离子在电场作用下，分 别向两极移动，阳极使少部金属以离子形式转入溶 液，而夹杂物将沉集于阳极泥中． 然后再通过淘洗、 磁选和筛选等方法得到粒径在 53 μm 以上的大型夹 杂物． 对夹杂物称重、分级，将试样原始质量减去电 解后残样质量得到电解质量，再将夹杂物质量与 10 倍的电解质量相比，得出各级大型夹杂物及夹杂总 量在每 10 kg 试样中的比例． 大样电解结果数据如 表 2 所示． 表 2 带过滤器中间包中夹杂物含量 Table 2 Content of inclusions in the tundish with a filter 取样 位置 电解 质量/kg 夹杂 质量/mg 不同等级夹杂物含量/( mg·kg － 1 ) 53 ～ 106 μm 106 ～ 150 μm ＞ 150 μm 夹杂总量/ ( mg·kg － 1 ) 中间包入口处 0. 349 21. 7 0. 02 0. 10 2. 05 62. 18 大包剩余 200 t 时中包浸入式水口处 0. 308 1. 5 0. 01 0. 03 0. 11 4. 87 大包剩余 100 t 时中包浸入式水口处 0. 429 1. 1 0. 01 0. 02 0. 08 2. 56 图 5 为浇注过程中夹杂物去除率的对比图，折 线为 模 拟 数 据，取点为实验数据，其 中 模 拟 计 算 500 s对应实验大包剩余 200 t 时刻，模拟计算 1 000 s 对应实验大包剩余 100 t 时刻． 从图中可以看出，模 拟数据与实验数据有较好的吻合度，说明模型有一 定的准确性，对现场生产有一定的指导意义． 4 结论 ( 1) 通过对夹杂物运动轨迹的分析发现，穿过 过滤器的夹杂物受过滤器影响速率降低，在中间包 内的停留时间增大，去除率增加． ( 2) 中间包对粒径小于 20 μm 的夹杂物去除不 ·542·

第5期 赵新宇等：带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟 ·543· [3]Zhang J M,Deng F Q,Wang W K,et al.Numerical simulation of 120 dimensionless inclusion concentration in T-shape tundishes.J Univ 100 4 Sci Technol Beijing,2004,26(6):247 80 (张炯明，邓凤琴，王文科，等.连铸中间包钢水夹杂物浓度的 数值模拟.北京科技大学学报，2004,26(6)：247) 名 ④] Zhang L F,Wang Y,Zhou D G,et al.Numerical simulation of % fluid flow and inclusion movement in a continuous casting tundish. 。模拟数据S0-100m 。实验数据100-150m 20 ,实验数据50-100um 一模拟数据>150m Iron Steel,2004,39(Suppl)515 模拟数据100-1S0m +实验数据>150Hm (张立峰，王勇，周德光，等.连铸中间包钢水流动及夹杂物运 200 400 600 800 1000 动的数值模拟.钢铁，2004,39（增刊）：515) 时间： [5] Zhang S J,Zheng S G,Zhu M Y.Water model study on the 图5浇注过程夹杂物去除率模拟值与实测值的对比图 mechanism of inclusion removal in a continuous casting tundish. Fig.5 Comparisons between simulated and measured inclusion-e- Unie Sci Technol Beijing,2007.29(8):781 moval rates in continuous casting (张胜军，郑淑国，朱苗勇.连铸中间包内夹杂物去除行为的 水模型研究.北京科技大学学报，2007,29(8)：781) 明显，甚至在出口处出现增加，这是由于浇注过程 ⑨ Jha P K,Rao PS,Dewan A.Effect of height and position of dams 中，夹杂物聚集在出口上方，且不能完全被覆盖剂吸 on inclusion removal in a six strand tundish.IS//Int,2008,48 附，在钢液湍流作用下，部分夹杂物被再次带入，造 (2):154 Ali S,Mutharasan R,Apelian D.Physical refining of steel melts 成小粒径夹杂物在出口处的突然增大 by filtration.Metall Mater Trans B,1985,16(4):725 (3)在钢液湍流作用下，对于粒径小于80μm [8]Cummings M A,MePherson S C.Application of ceramic foam fil- 的夹杂物，其去除率在浇注过程中依然有较大波动. ters in continuous casting.Electr Furn Conf Proc,1988,46:445 对于粒径大于100um的夹杂物，去除率趋于稳定 9]Lu Y Q,Zhang C M,Dai Y D,et al.Study on the result of inclu- 后，其值不再发生剧烈变化 sion's filtration with Ca0 ceramic filters in tundish.Energy Metall (4)模拟结果与实验数据吻合较好，模型有一 1nd,2003,22(6):9 (卢艳青，张崇民，戴云朵，等.中间包C0质陶瓷过滤器滤除 定的准确性. 夹杂效果的研究.治金能源，2003,22(6)：9) 1o] Wang SL Research Methods of Simulation Experiment on Ferrous 参考文献 Metallurgy.Shenyang:Northeastem University of Technology [Wang JJ.Metallurgy in Tundish.Beijing:Metallurgy Industry Pres5,1991 Press,1996 (王舒黎.钢铁治金模拟实验研究方法.沈阳：东北工学院 (王建军.中间包治金学.北京：治金工业出版社，1996) 出版社，1991) 2] Zhang C J,Zhao T C,Ai L Q,et al.Mathematical simulation of [11]Zhao X Y,Zhang J M,Wu S Z.Influence of filter in structure T steel flow and trajectory of inclusions in FTSC tundish.J Unie Sci tundish on inclusion-temoval//2009 Special Steel Annual Confer- Technol Beijing,2006,28(11):1014 ence.Qingdao,2009:311 (张彩军，赵铁成，艾立群，等.FTSC薄板坯连铸中间包内流场 (赵新宇，张炯明，吴苏州.T型中间包过滤器对夹杂物去除 及夹杂物运动轨迹的数值模拟.北京科技大学学报，2006,28 的影响112009特钢年会论文集.青岛，2009：311) (11):1014)

第 5 期 赵新宇等: 带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟 图 5 浇注过程夹杂物去除率模拟值与实测值的对比图 Fig． 5 Comparisons between simulated and measured inclusion-re￾moval rates in continuous casting 明显，甚至在出口处出现增加，这是由于浇注过程 中，夹杂物聚集在出口上方，且不能完全被覆盖剂吸 附，在钢液湍流作用下，部分夹杂物被再次带入，造 成小粒径夹杂物在出口处的突然增大． ( 3) 在钢液湍流作用下，对于粒径小于 80 μm 的夹杂物，其去除率在浇注过程中依然有较大波动． 对于粒径大于 100 μm 的夹杂物，去除率趋于稳定 后，其值不再发生剧烈变化． ( 4) 模拟结果与实验数据吻合较好，模型有一 定的准确性． 参 考 文 献 ［1］ Wang J J． Metallurgy in Tundish． Beijing: Metallurgy Industry Press，1996 ( 王建军． 中间包冶金学． 北京: 冶金工业出版社，1996) ［2］ Zhang C J，Zhao T C，Ai L Q，et al． Mathematical simulation of steel flow and trajectory of inclusions in FTSC tundish． J Univ Sci Technol Beijing，2006，28( 11) : 1014 ( 张彩军，赵铁成，艾立群，等． FTSC 薄板坯连铸中间包内流场 及夹杂物运动轨迹的数值模拟． 北京科技大学学报，2006，28 ( 11) : 1014) ［3］ Zhang J M，Deng F Q，Wang W K，et al． Numerical simulation of dimensionless inclusion concentration in T-shape tundishes． J Univ Sci Technol Beijing，2004，26( 6) : 247 ( 张炯明，邓凤琴，王文科，等． 连铸中间包钢水夹杂物浓度的 数值模拟． 北京科技大学学报，2004，26( 6) : 247) ［4］ Zhang L F，Wang Y，Zhou D G，et al． Numerical simulation of fluid flow and inclusion movement in a continuous casting tundish． Iron Steel，2004，39( Suppl) : 515 ( 张立峰，王勇，周德光，等． 连铸中间包钢水流动及夹杂物运 动的数值模拟． 钢铁，2004，39( 增刊) : 515) ［5］ Zhang S J，Zheng S G，Zhu M Y． Water model study on the mechanism of inclusion removal in a continuous casting tundish． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( 8) : 781 ( 张胜军，郑淑国，朱苗勇． 连铸中间包内夹杂物去除行为的 水模型研究． 北京科技大学学报，2007，29( 8) : 781) ［6］ Jha P K，Rao P S，Dewan A． Effect of height and position of dams on inclusion removal in a six strand tundish． ISIJ Int，2008，48 ( 2) : 154 ［7］ Ali S，Mutharasan R，Apelian D． Physical refining of steel melts by filtration． Metall Mater Trans B，1985，16( 4) : 725 ［8］ Cummings M A，McPherson S C． Application of ceramic foam fil￾ters in continuous casting． Electr Furn Conf Proc，1988，46: 445 ［9］ Lu Y Q，Zhang C M，Dai Y D，et al． Study on the result of inclu￾sion’s filtration with CaO ceramic filters in tundish． Energy Metall Ind，2003，22( 6) : 9 ( 卢艳青，张崇民，戴云朵，等． 中间包 CaO 质陶瓷过滤器滤除 夹杂效果的研究． 冶金能源，2003，22( 6) : 9) ［10］ Wang S L． Research Methods of Simulation Experiment on Ferrous Metallurgy． Shenyang: Northeastern University of Technology Press，1991 ( 王舒黎． 钢铁冶金模拟实验研究方法． 沈阳: 东北工学院 出版社，1991) ［11］ Zhao X Y，Zhang J M，Wu S Z． Influence of filter in structure T tundish on inclusion-removal / /2009 Special Steel Annual Confer￾ence． Qingdao，2009: 311 ( 赵新宇，张炯明，吴苏州． T 型中间包过滤器对夹杂物去除 的影响/ /2009 特钢年会论文集． 青岛，2009: 311) ·543·