D0I:10.13374/i.issnl00103.2007.08.006 第29卷第8期 北京科技大学学报 Vol.29 No.8 2007年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2007 连铸中间包内夹杂物去除行为的水模型研究 张胜军郑淑国朱苗勇 东北大学材料与冶金学院，沈阳110004 摘要通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验，考察了控流装置、浇铸速度、夹杂物粒径对中间包内夹杂 物去除行为的影响规律.结果表明：挡墙一挡坝组合控流夹杂物去除效果最佳，中间包内强湍流区夹杂物的碰撞聚合以及向上 和表面流速的增加是主因：中间包注流区加入抑湍器，虽然其流体流动特征发生改变，但对夹杂物去除率的影响并不显著：较 高的浇铸速度下，单纯靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果· 关键词连铸中间包；流场：夹杂物：水模型 分类号TF777 中间包作为连铸过程控制钢液清洁度的关键环 式中，Qm和Q。分别为模型和原型的流体体积流 节，在现代炼钢生产中扮演着日益重要的角色，为 量，m3h1. 了充分利用中间包去除夹杂物的功能，国内外研究 表1原型和模型的主要参数 者主要采用水模型通过加示踪剂测定RTD(resident Table 1 Main parameters for model and prototype mm time distribution)曲线来优化中间包内的流场， 类别 中间包顶部尺寸中间包底部尺寸中间包高度 也有在水模型中用固体粒子来模拟夹杂物的去除行 原型 4500×1373 3692×821 1335 为山，但夹杂物碰撞聚合这一重要的物理行为均没 模型 900×275 738×164 267 有被考虑，最近，不少研究者采用数学模拟方法来 研究中间包内夹杂物行为一)，但由于在湍流碰撞 1.3模拟介质的确定 模型、碰撞概率模型等理论描述方面还没有获得实 采用水模拟钢液，乳状液滴模拟夹杂物，对于 质性进展，所给出的结果也大多是定性的，本文采 中间包内夹杂物的模拟，Sahai和Emi提出可，模型 用乳状液滴来模拟夹杂物，在中间包水模型中尝试 与原型中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及溶液密度存 模拟夹杂物的碰撞聚合行为，并考察控流装置、浇铸 在着定量关系，即： 0.5 速度以及夹杂物粒径对夹杂物去除的影响规律 o. 1实验 Rincam =)0.25 (2) Rinc-P 1.1几何相似 本实验以某钢厂30t中间包为原型，确定模型 式中，R为半径，m:p为密度，kgm-3;下标m和p 和原型的几何相似比入=1/5，主要参数见表1. 分别代表模型和原型，下标ic、st和w分别代表夹 1.2动力相似 杂物、钢液和水，由此式可知，模型与原型的夹杂物 密度不必严格满足相似第二定律要求，即模拟夹杂 在中间包系统中水的流动主要是重力和惯性力 物与水的密度之比等于夹杂物与钢液的密度之比， 起主导作用的湍流流动，只要保证模型和原型的整 体Froude准数相等，就能保证它们的动力相似，由 也可以近似模拟实际钢液中夹杂物的运动行为，本 实验采用一种无色、不溶于水、常温下不挥发且稳定 此计算出模型所对应于原型的体积流量，即： Qm=X2-50p (1) 的乳状液滴来模拟夹杂物·该乳状液滴不被水所润 湿，且多个液滴碰撞后会因为界面张力作用而形成 收稿日期：2007-03-04修回日期：2007-05-12 簇状物（如图1所示），这与钢液中非金属夹杂物碰 基金项目：国家自然科学基金与上海宝钢集团公司联合资助项目 撞并形成簇状夹杂物的过程是非常相似的，因此， (Na.50274022) 该乳状液滴能较好地模拟夹杂物的碰撞聚合行为 作者简介：张胜军(1980一)，男，硕士：朱苗勇(1965一)，男，教授， 实验有关参数见表2. 博士生导师
连铸中间包内夹杂物去除行为的水模型研究 张胜军 郑淑国 朱苗勇 东北大学材料与冶金学院沈阳110004 摘 要 通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验考察了控流装置、浇铸速度、夹杂物粒径对中间包内夹杂 物去除行为的影响规律．结果表明：挡墙－挡坝组合控流夹杂物去除效果最佳中间包内强湍流区夹杂物的碰撞聚合以及向上 和表面流速的增加是主因；中间包注流区加入抑湍器虽然其流体流动特征发生改变但对夹杂物去除率的影响并不显著；较 高的浇铸速度下单纯靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果． 关键词 连铸中间包；流场；夹杂物；水模型 分类号 TF777 收稿日期：2007-03-04 修回日期：2007-05-12 基金项目：国家自然科学基金与上海宝钢集团公司联合资助项目 （No．50274022） 作者简介：张胜军（1980－）男硕士；朱苗勇（1965－）男教授 博士生导师 中间包作为连铸过程控制钢液清洁度的关键环 节在现代炼钢生产中扮演着日益重要的角色．为 了充分利用中间包去除夹杂物的功能国内外研究 者主要采用水模型通过加示踪剂测定 RTD（resident time distribution）曲线来优化中间包内的流场［1－4］ 也有在水模型中用固体粒子来模拟夹杂物的去除行 为［1］但夹杂物碰撞聚合这一重要的物理行为均没 有被考虑．最近不少研究者采用数学模拟方法来 研究中间包内夹杂物行为［5－17］但由于在湍流碰撞 模型、碰撞概率模型等理论描述方面还没有获得实 质性进展所给出的结果也大多是定性的．本文采 用乳状液滴来模拟夹杂物在中间包水模型中尝试 模拟夹杂物的碰撞聚合行为并考察控流装置、浇铸 速度以及夹杂物粒径对夹杂物去除的影响规律． 1 实验 1∙1 几何相似 本实验以某钢厂30t 中间包为原型确定模型 和原型的几何相似比 λ＝1／5主要参数见表1． 1∙2 动力相似 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只要保证模型和原型的整 体 Froude 准数相等就能保证它们的动力相似．由 此计算出模型所对应于原型的体积流量即： Qm＝λ2∙5Qp （1） 式中Qm 和 Qp 分别为模型和原型的流体体积流 量m 3·h －1． 表1 原型和模型的主要参数 Table1 Main parameters for model and prototype mm 类别 中间包顶部尺寸 中间包底部尺寸 中间包高度 原型 4500×1373 3692×821 1335 模型 900×275 738×164 267 1∙3 模拟介质的确定 采用水模拟钢液乳状液滴模拟夹杂物．对于 中间包内夹杂物的模拟Sahai 和 Emi 提出［6］模型 与原型中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及溶液密度存 在着定量关系即： Rincm Rincp ＝λ0∙25 1－ ρincp ρst 1－ ρincm ρw 0∙5 （2） 式中R 为半径m；ρ为密度kg·m －3 ；下标 m 和 p 分别代表模型和原型下标 inc、st 和 w 分别代表夹 杂物、钢液和水．由此式可知模型与原型的夹杂物 密度不必严格满足相似第二定律要求即模拟夹杂 物与水的密度之比等于夹杂物与钢液的密度之比 也可以近似模拟实际钢液中夹杂物的运动行为．本 实验采用一种无色、不溶于水、常温下不挥发且稳定 的乳状液滴来模拟夹杂物．该乳状液滴不被水所润 湿且多个液滴碰撞后会因为界面张力作用而形成 簇状物（如图1所示）这与钢液中非金属夹杂物碰 撞并形成簇状夹杂物的过程是非常相似的．因此 该乳状液滴能较好地模拟夹杂物的碰撞聚合行为． 实验有关参数见表2． 第29卷 第8期 2007年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．8 Aug．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．08．006
,782 北京科技大学学报 第29卷 得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系， 对Al203, Rincm=Dincm=3.6 Rine.p Dine.p (3) 对Si02, Rinem=Dincsm-4.28 Rine.p Dine.p (4) 式中，D为直径，m,实验中乳状液滴的初始粒径及 粒径分布如图2所示，其当量直径为200m,则由 式(3)和(4)可知，该乳状液滴可以模拟初始当量直 径为55.6m的A203和46.7m的Si02夹杂物. 400m 表2原型和模型的有关参数 Table 2 Relevant parameters for model and prototype 图1夹杂物碰撞聚合放大图 类别 液体密度/(kgm-3夹杂物密度/(kgm-) Fig-1 Amplified diagram of collision and aggregation among sev- 原型 7000(钢液) 3900/2700(Al203/Si02) eral inclusion particles 模型 1000(水溶液) 985(乳状溶液) 将λ=1/5及表2中有关数据代入式(2)，可以 ( (b) 50 40 0 30 / 200μm 0 50 100 150 200 250 直径仙m 图2乳状液滴形貌(a)及初始粒径分布(b) Fig.2 Morphology (a)and initial size distribution (b)of emulsion drops 1.4实验方法 达到稳定状态后，一定量的乳状液通过特定的方法 实验装置如图3所示，中间包模型为有机玻璃 均匀分散在中间包内，随着流体的流动，每隔一定 制成.流体从钢包经长水口流入中间包内，待流动 时间收集上浮至表面的夹杂物和水的混合物，通过 特定方法分离得到纯乳状液，则该条件下的夹杂物 稳压计 钢包 空气压缩机 去除率为： 注时器 流量计 u-0 (5) 挡墙 严片光源 式中，为特定方案的去除率；△t为时间间隔；Vo 中间包 摄像系统 为初始加入的乳状液的体积，mL:V△，为△t时间间 挡坝 隔内去除的乳状液的体积，mL, 透气梁 实验整体设备由供水系统、片光源系统、摄像系 挡坝 统和夹杂物收集系统组成，对实验中重要的物理现 象，利用高速数码摄像系统进行详细的拍摄和记录， 图3实验装置示意图 Fig-3 Schematic diagram of the experimental set-up 旨在更好地揭示中间包内夹杂物的去除机理
图1 夹杂物碰撞聚合放大图 Fig．1 Amplified diagram of collision and aggregation among several inclusion particles 将 λ＝1／5及表2中有关数据代入式（2）可以 得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系． 对 Al2O3 Rincm Rincp ＝ Dincm Dincp ＝3∙6 （3） 对 SiO2 Rincm Rincp ＝ Dincm Dincp ＝4∙28 （4） 式中D 为直径m．实验中乳状液滴的初始粒径及 粒径分布如图2所示其当量直径为200μm则由 式（3）和（4）可知该乳状液滴可以模拟初始当量直 径为55∙6μm 的 Al2O3 和46∙7μm 的 SiO2 夹杂物． 表2 原型和模型的有关参数 Table2 Relevant parameters for model and prototype 类别 液体密度／（kg·m －3） 夹杂物密度／（kg·m －3） 原型 7000（钢液） 3900／2700（ Al2O3／SiO2） 模型 1000（水溶液） 985（乳状溶液） 图2 乳状液滴形貌（a）及初始粒径分布（b） Fig．2 Morphology （a） and initial size distribution （b） of emulsion drops 图3 实验装置示意图 Fig．3 Schematic diagram of the experimental set-up 1∙4 实验方法 实验装置如图3所示中间包模型为有机玻璃 制成．流体从钢包经长水口流入中间包内待流动 达到稳定状态后一定量的乳状液通过特定的方法 均匀分散在中间包内．随着流体的流动每隔一定 时间收集上浮至表面的夹杂物和水的混合物通过 特定方法分离得到纯乳状液则该条件下的夹杂物 去除率为： ηΔt＝ VΔt V0 （5） 式中ηΔt为特定方案的去除率；Δt 为时间间隔；V0 为初始加入的乳状液的体积mL；VΔt为Δt 时间间 隔内去除的乳状液的体积mL． 实验整体设备由供水系统、片光源系统、摄像系 统和夹杂物收集系统组成．对实验中重要的物理现 象利用高速数码摄像系统进行详细的拍摄和记录 旨在更好地揭示中间包内夹杂物的去除机理． ·782· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第8期 张胜军等：连铸中间包内夹杂物去除行为的水模型研究 .783. 流措施最有利于夹杂物的上浮；其中，在初始粒径为 2结果与讨论 400m时（即与实际所对应111.1m的A03、 2.1控流装置和浇铸速度对夹杂物去除行为的 93.4m的Si02),挡墙一挡坝控流的夹杂物去除率 影响 比无任何控流装置条件下高出25.5%，且明显优于 图4为控流装置和浇铸速度对夹杂物去除率的 挡墙挡坝一冲击槽组合. 影响规律。从图中可以看出，无论是无任何控流装 置、挡墙一挡坝控流还是挡墙挡坝一冲击槽控流，均 心 ■空包 有相似的夹杂去除规律，即随着浇铸速度的增加，夹 60 ☐挡墙-挡坝 挡墙-挡坝一抑瑞器 杂物的去除率呈递减趋势.其中，在挡墙挡坝控流 条件下，随浇铸速度增加，夹杂物去除率下降较为明 40 显，浇铸速度从1.2mmin增大到1.8mmin, 去除率降低了15%；而无任何控流装置条件下，夹 杂物去除率则变化平缓.此外，在固定浇铸速度的 条件下，发现挡墙一挡坝组合控流的去夹杂效果要 200 300 400 500 直径m 不同程度地优于挡墙一挡坝一冲击槽组合控流以及 空包条件下的去夹杂效果；加入冲击槽，虽然缓和了 图5夹杂物初始粒径对去除行为的影响 长水口主流股对中间包底部的冲刷，一定程度上抑 Fig.5 Effect of initial inclusion particle diameter on inclusion re- moval ratio 制了注流区剧烈的湍流，但从夹杂物的去除率来看， 效果并不明显：甚至在浇铸速度为1.6mmin-1和 2.3夹杂物去除的机理 1.8mmin-1时，夹杂物去除效果几乎等同与无任何 图6显示了夹杂物颗粒碰撞聚合图片，本实验 控流装置条件，本实验条件下，在浇铸速度为 中观测中间包内的流体流动发现：采用挡墙一挡坝 1.8mmin时，控流装置的优化已经对夹杂物去 控流装置后，流股冲击到包底，进而沿包壁向上流 除效果的影响很小， 动，随着流体的不断流入，靠近挡坝的一侧，流体通 40r 9空包 过控流装置，进入右侧区域，相对于不加入控流装 35F -●-挡墙-挡坝 置而言，流体入口湍动被控制在注流区较小的范围 30 ·。·挡墙-挡坝-抑湍器 内，包内活塞流区域增大，促进了夹杂物的上浮去 25 除；且流体通过挡墙一挡坝后，在右侧形成了贴近流 005 体表层的运动轨迹，流体的流线变长，停留时间增 10 10 加，有利于夹杂物的充分上浮.另外，挡墙挡坝控 5 流条件下，中间包注流区湍动较为剧烈，存在夹杂物 1.21.3 1.41.51.61.71.8 颗粒碰撞聚合为夹杂物簇的现象（如图6所示），且 拉速(mmin) 由于该点簇状夹杂物颗粒的当量直径相对小颗粒 图4不同控流装置下中间包流量对夹杂物去除行为的影响 Fig-4 Effect of tundish flow rate on inclusion removal ratio with different flow control devices 2.2夹杂物初始粒径对夹杂物去除行为的影响 为充分考察操作条件对夹杂物去除行为的影 响，本文在保持浇铸速度1.4mmin不变，对不同 夹杂物藤 夹杂物初始粒径在不同控流装置条件下的去除情况 进行了研究，实验结果见图5.从图中可以看出，随 。。 着夹杂物初始粒径的增大，夹杂物去除率显著增加， 这主要是因为大颗粒夹杂物受流体流动的干扰较 图6夹杂物颗粒的碰撞聚合图片 小，上浮速度快所致；对于不同初始粒径的夹杂物， Fig.6 Picture showing the collision and aggregation of inclusion 控流装置对其去除的影响是一致的，挡墙一挡坝控 particles
2 结果与讨论 2∙1 控流装置和浇铸速度对夹杂物去除行为的 影响 图4为控流装置和浇铸速度对夹杂物去除率的 影响规律．从图中可以看出无论是无任何控流装 置、挡墙－挡坝控流还是挡墙－挡坝－冲击槽控流均 有相似的夹杂去除规律即随着浇铸速度的增加夹 杂物的去除率呈递减趋势．其中在挡墙－挡坝控流 条件下随浇铸速度增加夹杂物去除率下降较为明 显浇铸速度从1∙2m·min －1增大到1∙8m·min －1 去除率降低了15％；而无任何控流装置条件下夹 杂物去除率则变化平缓．此外在固定浇铸速度的 条件下发现挡墙－挡坝组合控流的去夹杂效果要 不同程度地优于挡墙－挡坝－冲击槽组合控流以及 空包条件下的去夹杂效果；加入冲击槽虽然缓和了 长水口主流股对中间包底部的冲刷一定程度上抑 制了注流区剧烈的湍流但从夹杂物的去除率来看 效果并不明显；甚至在浇铸速度为1∙6m·min －1和 1∙8m·min －1时夹杂物去除效果几乎等同与无任何 控流 装 置 条 件．本 实 验 条 件 下在 浇 铸 速 度 为 1∙8m·min －1时控流装置的优化已经对夹杂物去 除效果的影响很小． 图4 不同控流装置下中间包流量对夹杂物去除行为的影响 Fig．4 Effect of tundish flow rate on inclusion removal ratio with different flow control devices 2∙2 夹杂物初始粒径对夹杂物去除行为的影响 为充分考察操作条件对夹杂物去除行为的影 响本文在保持浇铸速度1∙4m·min －1不变对不同 夹杂物初始粒径在不同控流装置条件下的去除情况 进行了研究实验结果见图5．从图中可以看出随 着夹杂物初始粒径的增大夹杂物去除率显著增加 这主要是因为大颗粒夹杂物受流体流动的干扰较 小上浮速度快所致；对于不同初始粒径的夹杂物 控流装置对其去除的影响是一致的挡墙－挡坝控 流措施最有利于夹杂物的上浮；其中在初始粒径为 400μm 时（即与实际所对应111∙1μm 的 Al2O3、 93∙4μm 的 SiO2）挡墙－挡坝控流的夹杂物去除率 比无任何控流装置条件下高出25∙5％且明显优于 挡墙－挡坝－冲击槽组合． 图5 夹杂物初始粒径对去除行为的影响 Fig．5 Effect of initial inclusion particle diameter on inclusion removal ratio 图6 夹杂物颗粒的碰撞聚合图片 Fig．6 Picture showing the collision and aggregation of inclusion particles 2∙3 夹杂物去除的机理 图6显示了夹杂物颗粒碰撞聚合图片．本实验 中观测中间包内的流体流动发现：采用挡墙－挡坝 控流装置后流股冲击到包底进而沿包壁向上流 动随着流体的不断流入靠近挡坝的一侧流体通 过控流装置进入右侧区域．相对于不加入控流装 置而言流体入口湍动被控制在注流区较小的范围 内包内活塞流区域增大促进了夹杂物的上浮去 除；且流体通过挡墙－挡坝后在右侧形成了贴近流 体表层的运动轨迹流体的流线变长停留时间增 加有利于夹杂物的充分上浮．另外挡墙－挡坝控 流条件下中间包注流区湍动较为剧烈存在夹杂物 颗粒碰撞聚合为夹杂物簇的现象（如图6所示）且 由于该点簇状夹杂物颗粒的当量直径相对小颗粒 第8期 张胜军等： 连铸中间包内夹杂物去除行为的水模型研究 ·783·
,784 北京科技大学学报 第29卷 大，上浮速度加快，从而也一定程度上促进了夹杂物 参考文献 的去除；加入冲击槽以后，流股冲击到槽内，由于限 [1]Cho JS,Lee H G.Cold model study on inclusion removal from 制了向包底四周运动，从而在冲击槽出口上方形成 liquid steel using fine gas bubbles.ISIJ Int.2001.41(2):151 了较为剧烈的湍动，随着流体的不断注入，该部分流 [2]谢健，郑淑国，吴永来，等。五流T型中间包内控流装置优化的 体被冲散，大部分直接通过挡墙一挡坝，进入右侧活 水模型实验.材料与冶金学报，2002,1(4)：285 [3]钟良才，张立，黄耀文，等.湍流控制装置的结构对中间包流体 塞区域；与挡墙挡坝控流措施相比，流体经大包长 流动特性的影响.钢铁研究学报，2002,14(4)：6 水口注入后，在注流区的停留时间减少，虽然注流区 [4]樊俊飞，张清朗，朱苗勇，等，六流T型连铸中间包内控流装置 的湍动得到抑制，但某种程度上也减少了小颗粒夹 优化的水模型研究.钢铁，1998,33(5)：24 杂物碰撞聚合的机会，同时也不利于大颗粒夹杂物 [5]Sinha A K.Sahai Y.Mathematical modeling of inclusion transport 在注流区域的上浮去除，因此，合理控制中间包注 and removal in continuous casting tundishes.ISIJ Int,1993.33 (5).556 流区的湍流流动情况，决定着夹杂物的去除效果，特 [6]Sahai Y,Emi T.Criteria for water modeling of melt flow and in- 别是较小颗粒夹杂物的去除 clusion removal in continuous casting tundishes.ISIJ Int.1996. 36(9):1166 3结论 [7]Martinez E.Maeda M,Heaslip L J.Effects of fluid flow on the in- (1)中间包内加入控流装置后，流体流动特征 clusion separation in continuous casting tundish.Trans ISIJ. 1986,26:724 变化显著，其中，在挡墙一挡坝控流条件下，注流区 [8]Tozawa H.Kato Y,Sorimachi K,et al.Agglomeration and flota- 湍动较为剧烈，存在小颗粒夹杂物碰撞聚合为簇的 tion of alumina clusters in molten steel.ISIJ Int,1999.39(5): 现象，一定程度上促进了夹杂物的去除，在挡坝后 426 侧，流体通过挡墙一挡坝后，形成了贴近流体表层的 [9]Miki Y.Thomas B G.Modeling of inclusion removal in a tundish. 弧形运动轨迹，流体的流线变长，停留时间增加，有 Metall Mater Trans B.1999,30,639 利于夹杂物的上浮去除 [10]Zhang L F,Taniguchi S.Cai KK.Fluid flow and inclusion re moval in continuous casting tundish.Metall Mater Trans B. (2)采用挡墙挡坝控流措施后夹杂物的去除 2000,31:253 效果最佳，对于200m(对应50m左右)的夹杂物 [11]张邦文，邓康，雷作胜，等，连铸中间包中夹杂物聚合与去除 颗粒，挡墙一挡坝控流比空包条件下夹杂物的去除 的数学模型.金属学报，2004,40(8)：623 率提高13.5%.加入冲击槽后，虽然流股对包底的 [12]薛正良，王义芳，王立涛，等.用小气泡从钢液中去除夹杂物 冲击减轻，但对夹杂物去除率的影响并不明显， 颗粒.金属学报，2003,39(4)：431 [13]张炯明，邓风琴，王文科，等.连铸中间包钢水夹杂物浓度的 (③)中间包内夹杂物主要是通过上浮的方式去 数值模拟.北京科技大学学报，2004,26(3)：247 除，同时存在碰撞聚合为簇状夹杂物再上浮的方式， [14]赵连钢，刘坤.连铸中间包内钢水夹杂物运动行为的数学模 这就需要合理地控制包内流体流动特征以及注流区 拟.钢铁研究学报，2002,14(6)：19 的湍动情况，从而达到最佳效果 [15]王建军.中间包夹杂物运动行为的数模研究.炼钢，2001,17 (4):40 (4)较高的浇铸速度，仅仅优化控流装置，已不 [16们张婕字，贺友多，刘建辉.首钢中间包优化设计（Ⅱ）·包头钢 能显著改善夹杂物的去除效果，应进一步开发去除 铁学院学报，2001,20(2)：111 细小颗粒夹杂物的新技术，以保证浇铸钢液的纯 [17]文光华，唐萍，祝明妹，等.板坯连铸中间包钢液洁净度的水 净度 力学模拟和应用.特殊钢，2004,25(1)：9 (下转第826页)
大上浮速度加快从而也一定程度上促进了夹杂物 的去除；加入冲击槽以后流股冲击到槽内由于限 制了向包底四周运动从而在冲击槽出口上方形成 了较为剧烈的湍动随着流体的不断注入该部分流 体被冲散大部分直接通过挡墙－挡坝进入右侧活 塞区域；与挡墙－挡坝控流措施相比流体经大包长 水口注入后在注流区的停留时间减少虽然注流区 的湍动得到抑制但某种程度上也减少了小颗粒夹 杂物碰撞聚合的机会同时也不利于大颗粒夹杂物 在注流区域的上浮去除．因此合理控制中间包注 流区的湍流流动情况决定着夹杂物的去除效果特 别是较小颗粒夹杂物的去除． 3 结论 （1） 中间包内加入控流装置后流体流动特征 变化显著．其中在挡墙－挡坝控流条件下注流区 湍动较为剧烈存在小颗粒夹杂物碰撞聚合为簇的 现象一定程度上促进了夹杂物的去除．在挡坝后 侧流体通过挡墙－挡坝后形成了贴近流体表层的 弧形运动轨迹流体的流线变长停留时间增加有 利于夹杂物的上浮去除． （2） 采用挡墙－挡坝控流措施后夹杂物的去除 效果最佳对于200μm（对应50μm 左右）的夹杂物 颗粒挡墙－挡坝控流比空包条件下夹杂物的去除 率提高13∙5％．加入冲击槽后虽然流股对包底的 冲击减轻但对夹杂物去除率的影响并不明显． （3） 中间包内夹杂物主要是通过上浮的方式去 除同时存在碰撞聚合为簇状夹杂物再上浮的方式 这就需要合理地控制包内流体流动特征以及注流区 的湍动情况从而达到最佳效果． （4） 较高的浇铸速度仅仅优化控流装置已不 能显著改善夹杂物的去除效果应进一步开发去除 细小颗粒夹杂物的新技术以保证浇铸钢液的纯 净度． 参 考 文 献 ［1］ Cho J SLee H G．Cold model study on inclusion removal from liquid steel using fine gas bubbles．ISIJ Int200141（2）：151 ［2］ 谢健郑淑国吴永来等．五流 T 型中间包内控流装置优化的 水模型实验．材料与冶金学报20021（4）：285 ［3］ 钟良才张立黄耀文等．湍流控制装置的结构对中间包流体 流动特性的影响．钢铁研究学报200214（4）：6 ［4］ 樊俊飞张清朗朱苗勇等．六流 T 型连铸中间包内控流装置 优化的水模型研究．钢铁199833（5）：24 ［5］ Sinha A KSahai Y．Mathematical modeling of inclusion transport and removal in continuous casting tundishes．ISIJ Int199333 （5）：556 ［6］ Sahai YEmi T．Criteria for water modeling of melt flow and inclusion removal in continuous casting tundishes．ISIJ Int1996 36（9）：1166 ［7］ Martinez EMaeda MHeaslip L J．Effects of fluid flow on the inclusion separation in continuous casting tundish．Trans ISIJ 198626：724 ［8］ Tozawa HKato YSorimachi Ket al．Agglomeration and flotation of alumina clusters in molten steel．ISIJ Int199939（5）： 426 ［9］ Miki YThomas B G．Modeling of inclusion removal in a tundish． Metall Mater Trans B199930：639 ［10］ Zhang L FTaniguchi SCai K K．Fluid flow and inclusion removal in continuous casting tundish．Metall Mater Trans B 200031：253 ［11］ 张邦文邓康雷作胜等．连铸中间包中夹杂物聚合与去除 的数学模型．金属学报200440（8）：623 ［12］ 薛正良王义芳王立涛等．用小气泡从钢液中去除夹杂物 颗粒．金属学报200339（4）：431 ［13］ 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200426（3）：247 ［14］ 赵连钢刘坤．连铸中间包内钢水夹杂物运动行为的数学模 拟．钢铁研究学报200214（6）：19 ［15］ 王建军．中间包夹杂物运动行为的数模研究．炼钢200117 （4）：40 ［16］ 张婕宇贺友多刘建辉．首钢中间包优化设计（Ⅱ）．包头钢 铁学院学报200120（2）：111 ［17］ 文光华唐萍祝明妹等．板坯连铸中间包钢液洁净度的水 力学模拟和应用．特殊钢200425（1）：9 （下转第826页） ·784· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
.826. 北京科技大学学报 第29卷 Numerical simulation of inert gas flow in ladle furnace lid WEN Liangying,CHEN Dengfu,ZHA NG Shengfu;BAI Chenguang,LONG Zhanjun Materials Science and Engineering School,Chongqing University,Chongqing 400030,China ABSTRACI Based on the coupling numerical solving method,the velocity distribution and flow behavior of Ar in a ladle furnace lid was calculated and analyzed by numerical simulation.The results show that the appropriate off-gas pressures in the periods of emerged arc and submerged arc are-200--250 Pa and-120 Pa,respec- tively.When the bottom blowing rate is very small,argon cannot disperse on the top of the molten steel surface: as the Arbottom blowing rate increases to 20-50m3h,argon can be dispersive and its flow distribution is similar near the molten steel surface,which is in favor of retaining inactive gas Ar.With the augment of the dis- tance from the molten steel surface to the top ladle edge,the circulating region of Ar enlarges on the top of the molten steel surface,which is in favor of avoiding the increase of [O]or [N]in molten steel. KEY WORDS furnace lid;gas flow:numerical simulation:inert gas;off -gas pressure (上接第784页) Water model study on the mechanism of inclusion removal in a continuous casting tundish ZHA NG Shengjun,ZHENG Shuguo,ZHU Miaoyong Materials and Metallurgy School.Northeastern University.Shenyang 110004.China ABSTRACI The effects of flow control devices,casting speed of liquid steel and inclusion size on inclusion re- moval in a continuous casting tundish were investigated by choosing emulsion drops to simulate inclusions in a water model.The results show that the efficiency of inclusion removal in the tundish with weir and dams is rela- tively high due to the collision and aggregation of inclusions in high turbulence region and the improvement of flow field in the tundish.Although adding turbulence inhibitor into the tundish changes fluid flow little in pour- ing region,it has not much effect on the efficiency of inclusion removal.It seems to be difficult to improve the efficiency of inclusion removal only by optimizing the flow control devices in the tundish with high casting speed of liquid steel. KEY WORDS continuous casting tundish;flow filed;inclusion;water modeling
Numerical simulation of inert gas flow in ladle furnace lid WEN L iangyingCHEN Dengf uZHA NG Shengf uBAI ChenguangLONG Zhanjun Materials Science and Engineering SchoolChongqing UniversityChongqing400030China ABSTRACT Based on the coupling numerical solving methodthe velocity distribution and flow behavior of Ar in a ladle furnace lid was calculated and analyzed by numerical simulation．The results show that the appropriate off-gas pressures in the periods of emerged arc and submerged arc are －200 －250Pa and －120Parespectively．When the bottom blowing rate is very smallargon cannot disperse on the top of the molten steel surface； as the Ar-bottom blowing rate increases to20 50m 3·h －1argon can be dispersive and its flow distribution is similar near the molten steel surfacewhich is in favor of retaining inactive gas Ar．With the augment of the distance from the molten steel surface to the top ladle edgethe circulating region of Ar enlarges on the top of the molten steel surfacewhich is in favor of avoiding the increase of ［O］ or ［N］ in molten steel． KEY WORDS furnace lid；gas flow；numerical simulation；inert gas；off-gas pressure （上接第784页） Water model study on the mechanism of inclusion removal in a continuous casting tundish ZHA NG ShengjunZHENG ShuguoZHU Miaoyong Materials and Metallurgy SchoolNortheastern UniversityShenyang110004China ABSTRACT The effects of flow control devicescasting speed of liquid steel and inclusion size on inclusion removal in a continuous casting tundish were investigated by choosing emulsion drops to simulate inclusions in a water model．The results show that the efficiency of inclusion removal in the tundish with weir and dams is relatively high due to the collision and aggregation of inclusions in high turbulence region and the improvement of flow field in the tundish．Although adding turbulence inhibitor into the tundish changes fluid flow little in pouring regionit has not much effect on the efficiency of inclusion removal．It seems to be difficult to improve the efficiency of inclusion removal only by optimizing the flow control devices in the tundish with high casting speed of liquid steel． KEY WORDS continuous casting tundish；flow filed；inclusion；water modeling ·826· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷