D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.05.00B 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 电磁净化中间包传输特性的水模拟 王保军钟云波王赟雷作胜任维丽 任忠鸣 上海大学材料学院，上海市现代冶金与材料制备重点实验室，上海200072 摘要为了得到电磁净化中间包中流体的流动及传输特性，以及旋转运动在中间包净化钢液中所起的作用，采用中间包物 理模拟方法，对电磁净化中间包中不同控流装置配置和旋转速度下的停留时间分布曲线进行了测试，并对流场进行了显示实 验。结果表明：电磁净化中间包圆形腔中的旋转运动能够减小中间包中滞留区分数，增加活塞区比例，同时增长平均停留时 间，有利于中间包内夹杂物的去除：但旋转速度不是越高越好，存在一个最佳值 关键词电磁净化：中间包：RTD曲线；水模拟：流场形态 分类号T℉769.9 Water model on a tundish for electromagnetic purification WA NG Bao-jun,ZHONG Yun-bo,WA NG Yun.LEI Zuo-sheng.REN Wei-li,REN Zhong"ming Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy&Materials Processing.Material Engineering College.Shanghai University,Shanghai 200072.China ABSTRACT The effect of rotary motion on the fluid flow and the mixing characteristics in a tundish for electromagnetic purification were studied by a physical modeling method.The visualization of flow pattern and the measurement of residence time distribution (RTD)were performed under different rotation speeds and geometric configurations.The result shows that rotational flow in the cylindrical chamber can effectively decrease the dead volume and increase the plug volume.Meanwhile.the mean residence time is prolonged thereby promoting the removal of inclusions.The flow characteristics do not become better with the rise of rotation speed, but there exists an optimum value. KEY WORDS electromagnetic purification:tundish:residence time distribution curve;water modeling:flow characteristic 近年来，随着能源问题的日益突出以及循环经 情况下仍能得到高纯净度的钢液， 济理念的深入，生产高强度、高品质的钢铁材料成为 由日本川崎公司开发的中间包电磁净化钢液技 钢铁企业发展的必然趋势山，在各种提高钢铁材料 术取得了很好的效果，并已在该公司的生产中得到 性能的工艺中，提高材料的纯净度是重要环节之 应用[-0).该技术的基本原理是将中间包分成圆形 一[].中间包作为连接钢包和结晶器的中间容器， 腔和矩形腔，在圆形腔（大包水口注入区）的外围装 具有均匀温度、稳定流动及促进夹杂上浮等功能，对 置有一个半圆形的旋转磁场发生器，利用旋转磁场 钢液的洁净度提高起着至关重要的作用)，因此， 在钢液中感生洛仑兹力，驱动钢液旋转，由于钢液中 优化中间包结构，获得最佳流场和更长的平均停留 夹杂物密度比钢液小，在离心力作用下向钢液中心 时间，提高夹杂物的去除效率，成为中间包治金的主 迁移，钢液旋转中心区域夹杂物浓度不断增加，进而 要内容。提高中间包中夹杂物去除效率的主要方法 碰撞长大，上浮而进入渣层，从而使钢液得到净化· 有扩容、结构优化设计、底部吹氩、氩气保护以及等 根据Stokes定律可知，钢液中夹杂物上浮速度与夹 离子体加热等]；而随着高效连铸概念的提出，迫 杂物粒径平方成正比，因此这种促进夹杂物碰撞长 切需要更加高效的净化技术，以保证在高钢液流量 大的方法对提高夹杂物的去除效率非常有效山)， 收稿日期：2008-05-25 基金项目：上海市科委科技攻关重点项目(N。.065212079) 作者简介：王保军(1983-），男：硕士研究生，Emil:csu me@163.com:钟云波(1971一)，男，教授，博士
电磁净化中间包传输特性的水模拟 王保军 钟云波 王 雷作胜 任维丽 任忠鸣 上海大学材料学院上海市现代冶金与材料制备重点实验室上海200072 摘 要 为了得到电磁净化中间包中流体的流动及传输特性以及旋转运动在中间包净化钢液中所起的作用采用中间包物 理模拟方法对电磁净化中间包中不同控流装置配置和旋转速度下的停留时间分布曲线进行了测试并对流场进行了显示实 验．结果表明：电磁净化中间包圆形腔中的旋转运动能够减小中间包中滞留区分数增加活塞区比例同时增长平均停留时 间有利于中间包内夹杂物的去除；但旋转速度不是越高越好存在一个最佳值． 关键词 电磁净化；中间包；RTD 曲线；水模拟；流场形态 分类号 TF769∙9 Water model on a tundish for electromagnetic purification W A NG Bao-junZHONG Y un-boW A NG Y unLEI Zuo-shengREN We-i liREN Zhong-ming Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy ＆ Materials ProcessingMaterial Engineering CollegeShanghai UniversityShanghai200072China ABSTRACT T he effect of rotary motion on the fluid flow and the mixing characteristics in a tundish for electromagnetic purification were studied by a physical modeling method．T he visualization of flow pattern and the measurement of residence time distribution （RTD） were performed under different rotation speeds and geometric configurations．T he result shows that rotational flow in the cylindrical chamber can effectively decrease the dead volume and increase the plug volume．Meanwhilethe mean residence time is prolonged thereby promoting the removal of inclusions．T he flow characteristics do not become better with the rise of rotation speed but there exists an optimum value． KEY WORDS electromagnetic purification；tundish；residence time distribution curve；water modeling；flow characteristic 收稿日期：2008-05-25 基金项目：上海市科委科技攻关重点项目（No．065212079） 作者简介：王保军（1983—）男硕士研究生E-mail：csu-me＠163．com；钟云波（1971—）男教授博士 近年来随着能源问题的日益突出以及循环经 济理念的深入生产高强度、高品质的钢铁材料成为 钢铁企业发展的必然趋势［1］．在各种提高钢铁材料 性能的工艺中提高材料的纯净度是重要环节之 一［2］．中间包作为连接钢包和结晶器的中间容器 具有均匀温度、稳定流动及促进夹杂上浮等功能对 钢液的洁净度提高起着至关重要的作用［3］．因此 优化中间包结构获得最佳流场和更长的平均停留 时间提高夹杂物的去除效率成为中间包冶金的主 要内容．提高中间包中夹杂物去除效率的主要方法 有扩容、结构优化设计、底部吹氩、氩气保护以及等 离子体加热等［4—6］；而随着高效连铸概念的提出迫 切需要更加高效的净化技术以保证在高钢液流量 情况下仍能得到高纯净度的钢液． 由日本川崎公司开发的中间包电磁净化钢液技 术取得了很好的效果并已在该公司的生产中得到 应用［7—10］．该技术的基本原理是将中间包分成圆形 腔和矩形腔在圆形腔（大包水口注入区）的外围装 置有一个半圆形的旋转磁场发生器利用旋转磁场 在钢液中感生洛仑兹力驱动钢液旋转由于钢液中 夹杂物密度比钢液小在离心力作用下向钢液中心 迁移钢液旋转中心区域夹杂物浓度不断增加进而 碰撞长大上浮而进入渣层从而使钢液得到净化． 根据 Stokes 定律可知钢液中夹杂物上浮速度与夹 杂物粒径平方成正比因此这种促进夹杂物碰撞长 大的方法对提高夹杂物的去除效率非常有效［11］． 第31卷 第5期 2009年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．5 May2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．05．003
.626 北京科技大学学报 第31卷 此外，这种方法还具有无需与钢液接触、大型夹杂物 速度比： 去除效果明显及夹杂物可开路排放等特点而成为钢 Vm/V。=λ0.5=0.707. 液净化去除夹杂的一种颇具潜力的方法，本文对中 流量比： 间包电磁净化技术中，不同旋转速度和不同中间包 Qm/Q,=X2-5=0.177. 控流装置参数的流场特性进行了水模拟研究，以期 式中，入为几何相似比；Lm为模型几何尺寸，m;Lp 掌握电磁净化中间包的传输特点，为中间包电磁净 为原型几何尺寸，m;Vm为模型流体流速，ms一； 化技术的实际应用提供参考， V。为原型流体流速，ms;Qm为模型流体流量， 1实验原理和方案 Lh;Q。为原型流体流量，Lh1 根据上述比例关系，就可以由模型实验结果推 1.1实验原理 水模拟研究的依据是相似原理12]，即模型与原 断出实际生产条件下中间包的传输特性， 1.2实验装置 型中液体流动几何相似和动力相似，对于动力相 针对国内某厂18t中间包，用有机玻璃按照 似，要求模型与原型中的流体的雷诺准数R和弗 1:2的比例制作中间包模型；旋转室的漩流由插入 劳德准数F分别相等；相似原理认为，当模拟系统 圆形腔中带流线型挡板的有机玻璃圆桶旋转产生， 进入第二自模化区域，处于自模化状态，即该系统的 用来模拟旋转磁场驱动钢液旋转：旋转电机采用变 流动状态和流速与雷诺数无关.经计算，本实验的 频装置无极调速，转速可在0~60rmin1之间任意 原型与模型流体的雷诺数均已进入第2自模化区 设定，在大包长水口靠近大包底部处设置示踪剂加 域，因此只考虑保证模型与原型的弗劳德数相等，即 入口，在中间包出水口处设置电导电极，通过信号转 可达到动力相似，为了模拟更为真实和准确，根据 换，信号输入计算机可以实时记录水中盐水浓度变 实验条件，选择模型与原型的相似关系如下， 化情况，最小的采样时间间隔为100ms,实验装置 尺寸比： 如图1所示. Lm/Lp=入=0.5. 坝距 1一钢包：2一加示踪剂柱塞：3一电动机；4一旋转室；5一搅拌桨；6一挡墙；7一分配室；8一出口：9一挡坝： 10一电导探头：11一电导仪：12一塞棒；13一计算机处理终端 图1水模拟实验装置示意图 Fig-I Schematic of experimental devices of a water model 1.3实验方法 在中间包内的实际平均停留时间t3],计算式如 采用“刺激响应”技术，使用饱和KCl溶液为 下： 示踪剂，当中间包液面达到规定值，且流速稳定后， te(t)dt ∑tc()△ 在钢包长水口处迅速加入示踪剂，在示踪剂加入瞬 ta (1) ∠c(t)△t 间开始计时，并连续监测和记录（采样间隔：0.2s)中 c(t)dt 间包水口处流体的电导率变化，得出流体浓度随时 式中，t为停留时间，c(t)为t时间内的示踪剂的浓 间变化的分布曲线(RTD曲线)·根据RTD曲线， 度 得出从长水口注流加入示踪剂开始到流出中间包水 中间包内流体体积可分为分散活塞区体积、滞 口时的最小停留时间（响应时间）tmn和示踪剂浓度 流区体积和完全混合流体积，其中，滯流区体积分 c达到最大时的峰值间tpe,并以此计算出各微团 数Va由下式计算：
此外这种方法还具有无需与钢液接触、大型夹杂物 去除效果明显及夹杂物可开路排放等特点而成为钢 液净化去除夹杂的一种颇具潜力的方法．本文对中 间包电磁净化技术中不同旋转速度和不同中间包 控流装置参数的流场特性进行了水模拟研究以期 掌握电磁净化中间包的传输特点为中间包电磁净 化技术的实际应用提供参考． 1 实验原理和方案 1∙1 实验原理 水模拟研究的依据是相似原理［12］即模型与原 型中液体流动几何相似和动力相似．对于动力相 似要求模型与原型中的流体的雷诺准数 Re 和弗 劳德准数 Fr 分别相等；相似原理认为当模拟系统 进入第二自模化区域处于自模化状态即该系统的 流动状态和流速与雷诺数无关．经计算本实验的 原型与模型流体的雷诺数均已进入第2自模化区 域因此只考虑保证模型与原型的弗劳德数相等即 可达到动力相似．为了模拟更为真实和准确根据 实验条件选择模型与原型的相似关系如下． 尺寸比： L m／Lp＝λ＝0∙5． 速度比： V m／V p＝λ0∙5＝0∙707． 流量比： Qm／Qp＝λ2∙5＝0∙177． 式中λ为几何相似比；L m 为模型几何尺寸m；Lp 为原型几何尺寸m；V m 为模型流体流速m·s —1 ； V p 为原型流体流速m·s —1 ；Qm 为模型流体流量 L·h —1 ；Qp 为原型流体流量L·h —1． 根据上述比例关系就可以由模型实验结果推 断出实际生产条件下中间包的传输特性． 1∙2 实验装置 针对国内某厂18t 中间包用有机玻璃按照 1∶2的比例制作中间包模型；旋转室的漩流由插入 圆形腔中带流线型挡板的有机玻璃圆桶旋转产生 用来模拟旋转磁场驱动钢液旋转；旋转电机采用变 频装置无极调速转速可在0～60r·min —1之间任意 设定．在大包长水口靠近大包底部处设置示踪剂加 入口在中间包出水口处设置电导电极通过信号转 换信号输入计算机可以实时记录水中盐水浓度变 化情况最小的采样时间间隔为100ms．实验装置 如图1所示． 1—钢包；2—加示踪剂柱塞；3—电动机；4—旋转室；5—搅拌桨；6—挡墙；7—分配室；8—出口；9—挡坝； 10—电导探头；11—电导仪；12—塞棒；13—计算机处理终端 图1 水模拟实验装置示意图 Fig．1 Schematic of experimental devices of a water model 1∙3 实验方法 采用“刺激—响应”技术使用饱和 KCl 溶液为 示踪剂．当中间包液面达到规定值且流速稳定后 在钢包长水口处迅速加入示踪剂在示踪剂加入瞬 间开始计时并连续监测和记录（采样间隔：0∙2s）中 间包水口处流体的电导率变化得出流体浓度随时 间变化的分布曲线（RTD 曲线）．根据 RTD 曲线 得出从长水口注流加入示踪剂开始到流出中间包水 口时的最小停留时间（响应时间） tmin和示踪剂浓度 c 达到最大时的峰值间 tpeak并以此计算出各微团 在中间包内的实际平均停留时间 ta ［13］．计算式如 下： ta＝∫ ∞ 0 tc（ t）d t ∫ ∞ 0 c（ t）d t ＝ ∑tc（ t）Δt ∑c（ t）Δt （1） 式中t 为停留时间c（ t）为 t 时间内的示踪剂的浓 度． 中间包内流体体积可分为分散活塞区体积、滞 流区体积和完全混合流体积．其中滞流区体积分 数 V d 由下式计算： ·626· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第5期 王保军等：电磁净化中间包传输特性的水模拟 .627. Vd=1-0 (2) 深度、大包流速以及出口的位置、大小等措施，测定 活塞区体积分数V。由下式计算： 不同圆形腔钢液转速下中间包RTD曲线，然后计算 V。-9a+0a 得出活塞区、滞留区、混合区体积分数以及实际平均 2 (3) 停留时间、最小停留时间、峰值时间等流体流动特性 混合流体积分数V:由下式计算： 参数，同时通过加入甲基兰示踪剂，直观观察流动情 Va=1-Vp-Va (4) 况，最终确定离心中间包的内腔结构以及操作参数 式中，0min为量纲1的最小停留时间；0pea为峰值浓 的最佳值， 度时量纲1的时间；0为量纲1的平均停留时间. 1.4实验方案 量纲1的最小停留时间、峰值浓度时量纲1的 实验模拟的电磁净化中间包的流场湍动程度比 时间和从活塞流区和完全混合流区流出流体的量纲 传统中间包更剧烈，流动形式更复杂，因此该中间包 1的平均停留时间用下面公式计算： 的结构和操作参数都需要重新确定，圆形腔中钢液 Opeak=Lpeak/ts (5) 旋转后，钢液从旋转室到分配室的初速度较大，如果 Omin-tmin/ta (6) 没有坝的阻挡，极易形成短路流，同时停留时间也会 Ony=ta/ts (7) 大大缩短，因此，实验直接从有坝中间包入手，设计 式中，t,为理论平均停留时间，t,=V/Qm;V为中 了挡坝位置变化、液位深度变化、流速变化以及出口 间包体积；Qm为中间包流量 宽度变化等八种方案，测定了60组数据，实验方案 实验过程中，通过改变中间包内挡坝位置、液面 如表1. 表1实验方案 Table 1 Experimental schemes 编号 挡坝距水口侧包壁距离/mm 开口宽度 开口位置 流量/(Lh) 液位深度/mm 1 490 128mm×128mm 正中 1700 380 9 590 128mm×128mm 正中 1700 380 % 690 128mm×128mm 正中 1700 380 590 128mm×208mm 正中 1700 380 590 128mm×128mm 正中 1500 380 590 128mm×128mm 正中 1900 380 7 590 128mm×128mm 正中 1700 300 8 590 128mm×128mm 正中 1700 430 2实验结果与分析 690mm的位置在较高转速下混流区比较大，但它的 活塞流区最小，同时滞留区也是三方案中最大的， Ahula和Sahail14认为，在长期的水模拟实验 从图中可以看出在低转速下590mm坝距的平均停 中，为了保证在中间包中钢液与杂质的分离效果最 留时间较大，因此距水口侧包壁距离为590mm的 好，应尽量延长流体的平均停留时间，且使滞留区尽 坝距比较合适， 可能小，活塞流与滞留区比例值尽可能大，混流区尽 2.2不同出口大小的流动特性分析 可能大，还要具有一定指向液面的流动，要保证钢液 大包钢液注流必须从圆形腔底部出口进入矩形 液面保持平静.本文采用上述标准对电磁净化中间 腔，而圆形腔底部出口的大小对该处的流速影响较 包的流动特性优劣进行判断 大·实验考察了不同出口宽度对中间包RTD曲线 2.1不同坝距的流动特性分析 的影响，影响规律如图3所示.由图3可知，出口宽 由图2可以看到，坝在不同位置所得到的流动 度较小时，特别是在较低转速下，可以获得更高的活 特性也不同.通过比较可知，坝的三个位置中，距中 塞流区，同时可以获得更小的滯留区，活塞流区和滯 包水口侧包壁距离为590mm的位置在整体上活塞 留区的比值较大，因此，相对而言，较小的出口更有 区体积分数最高，而滞留区体积分数最低，而且在 利于钢液中夹杂物去除. 10~20rmin较低转速下滞留区几乎为零.虽然
V d＝1—θav （2） 活塞区体积分数 V p 由下式计算： V p＝ θmin＋θpeak 2 （3） 混合流体积分数 V d 由下式计算： V d＝1— V p— V d （4） 式中θmin为量纲1的最小停留时间；θpeak为峰值浓 度时量纲1的时间；θav为量纲1的平均停留时间． 量纲1的最小停留时间、峰值浓度时量纲1的 时间和从活塞流区和完全混合流区流出流体的量纲 1的平均停留时间用下面公式计算： θpeak＝tpeak／ts （5） θmin＝tmin／ts （6） θav＝ta／ts （7） 式中ts 为理论平均停留时间ts＝ V／Qm；V 为中 间包体积；Qm 为中间包流量． 实验过程中通过改变中间包内挡坝位置、液面 深度、大包流速以及出口的位置、大小等措施测定 不同圆形腔钢液转速下中间包 RTD 曲线然后计算 得出活塞区、滞留区、混合区体积分数以及实际平均 停留时间、最小停留时间、峰值时间等流体流动特性 参数同时通过加入甲基兰示踪剂直观观察流动情 况最终确定离心中间包的内腔结构以及操作参数 的最佳值． 1∙4 实验方案 实验模拟的电磁净化中间包的流场湍动程度比 传统中间包更剧烈流动形式更复杂因此该中间包 的结构和操作参数都需要重新确定．圆形腔中钢液 旋转后钢液从旋转室到分配室的初速度较大如果 没有坝的阻挡极易形成短路流同时停留时间也会 大大缩短．因此实验直接从有坝中间包入手设计 了挡坝位置变化、液位深度变化、流速变化以及出口 宽度变化等八种方案测定了60组数据．实验方案 如表1． 表1 实验方案 Table1 Experimental schemes 编号 挡坝距水口侧包壁距离／mm 开口宽度 开口位置 流量／（L·h —1） 液位深度／mm 1 490 128mm×128mm 正中 1700 380 2 590 128mm×128mm 正中 1700 380 3 690 128mm×128mm 正中 1700 380 4 590 128mm×208mm 正中 1700 380 5 590 128mm×128mm 正中 1500 380 6 590 128mm×128mm 正中 1900 380 7 590 128mm×128mm 正中 1700 300 8 590 128mm×128mm 正中 1700 430 2 实验结果与分析 Ahula 和 Sahai ［14］ 认为在长期的水模拟实验 中为了保证在中间包中钢液与杂质的分离效果最 好应尽量延长流体的平均停留时间且使滞留区尽 可能小活塞流与滞留区比例值尽可能大混流区尽 可能大还要具有一定指向液面的流动要保证钢液 液面保持平静．本文采用上述标准对电磁净化中间 包的流动特性优劣进行判断． 2∙1 不同坝距的流动特性分析 由图2可以看到坝在不同位置所得到的流动 特性也不同．通过比较可知坝的三个位置中距中 包水口侧包壁距离为590mm 的位置在整体上活塞 区体积分数最高而滞留区体积分数最低而且在 10～20r·min —1较低转速下滞留区几乎为零．虽然 690mm 的位置在较高转速下混流区比较大但它的 活塞流区最小同时滞留区也是三方案中最大的． 从图中可以看出在低转速下590mm 坝距的平均停 留时间较大因此距水口侧包壁距离为590mm 的 坝距比较合适． 2∙2 不同出口大小的流动特性分析 大包钢液注流必须从圆形腔底部出口进入矩形 腔而圆形腔底部出口的大小对该处的流速影响较 大．实验考察了不同出口宽度对中间包 RTD 曲线 的影响影响规律如图3所示．由图3可知出口宽 度较小时特别是在较低转速下可以获得更高的活 塞流区同时可以获得更小的滞留区活塞流区和滞 留区的比值较大．因此相对而言较小的出口更有 利于钢液中夹杂物去除． 第5期 王保军等： 电磁净化中间包传输特性的水模拟 ·627·
.628 北京科技大学学报 第31卷 0.24F 0.40 坝距mm 036 坝距mm 0.20 ■-490 -490 -590 -590 0.16 4-690 0.32 4-690 0.12 0.28 0.08 0.24 0.04 0.20 0 0.16 10 2030 40 50 10203040 50 转速rmn 转速r,min) (a)滞留区体积分数 b)话塞流区体积分数 0.76 0.68 450 0.64 400 0.60 圳距mm 坝距mm 0.56 -490 350 -量-490 。-590 ◆-590 0.52 690 +690 300 0.48 20 30 50 20 30 40 50 转速rmin) 转速r,min) (©)混流区体积分数 (d)平均停留时间 图2坝距对中间包流动特性的影响 Fig.2 Effect of dam space on the flow characteristics of a tundish 028 0.38 。-开口128mm×128mm 0.24 ◆-开口128mm×208mm .20 -开口128mm×128mm 0.34 是 ◆-开口128mm×208mm 是 0.16 030 0.12 0.08 0.26 0.04 022 0 10 20 30 0.18 40 50 10 20 30 40 转速rmin 转速r,min (a)滞留区体积分数 )活塞流区体积分数 0.70 500 0.65 0.60 460 0.55 40 0.50 420 。-开口128mm×128mm 400 。-开口128mm×128mm 0.45 ◆开口128mm×208mm ◆开口128mm×208mm 380 0.40 360 340 10 2030 40 10 20 30 40 50 转速r,min) 转速rmin) (©)混流区体积分数 (d)平均停留时间 图3开口宽度对中间包流动特性的影响 Fig.3 Effect of opening width on the flow characteristics of a tundish
图2 坝距对中间包流动特性的影响 Fig．2 Effect of dam space on the flow characteristics of a tundish 图3 开口宽度对中间包流动特性的影响 Fig．3 Effect of opening width on the flow characteristics of a tundish ·628· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第5期 王保军等：电磁净化中间包传输特性的水模拟 629 2.3不同流量下的流动特性分析 h的活塞流区比例最大，滞留区的比例最小，活塞 由图4可知，随着流量的增加，有旋转时钢液在 流区和滯留区的比值是最大的，混流区比例与 中间包中的平均停留时间逐渐减小，但较低的流量 1900Lh1下的基本相同，都比流量为1500Lh-1 会使钢包的浇铸时间延长，导致工作效率的降低] 时大.因此对现有容量的中间包而言，1700Lh1 (本处流量的确定来自于钢厂的实际生产数据)·从 的流量下流动状况最为理想， 图4还可以看出，在较低转速下，流量为1700L· 035 0.38 -1500L-h-1 0.30 。-1700L-ht 0.36 -1500L-h ◆1700L-b 4-1900L-h 4-1900L-h1 025 020 0.15 0.10 0.05 0 20 30 40 20 30 转速r,min) 转速r,min) (@)滞留区体积分数 b)活塞流区体积分数 0.80 600 。-1500L-h 0.75 -。-1700L-h 4-1900L-h 520 0.70 0.65 440 360 -1500L-h 。-1700L-h 0.50 280 4-1900L·h 0.45 200 10 2030 40 50 10 20 30 40 50 转速(rmin) 转速r-min (©)混流区体积分数 (d)平均停留时间 图4流量对中间包流动特性的影响 Fig-4 Effect of flow rate on the flow characteristics of a tundish 2.4不同液位深度的流动特性分析 深度下，坝距水口侧包壁距离为590mm、开口在中 由图5可知，平均停留时间随着液位深度的增 间位置且为128mm×128mm时，平均停留时间较 加而增大，430mm液位下的平均停留时间最长，高 大，滞留区比例相对较小，同时活塞区和混流区比例 液位下的滞留区整体上明显比其他两种较低液位 较大 大，而混流区最小，因此不是最佳液位深度，在 2.5电磁净化中间包及常规中间包中流动形态观 300mm的低液位下，虽然混流区比例相对较大，但 察 平均停留时间以及活塞区比例都是最小的，流动特 为进一步了解电磁净化中间包对传输行为的影 性不是很理想.在380mm的液位下，较低转速下滞 响机理，采用甲基兰示踪剂，对中间包中不同位置处 留区最小，活塞流区较大，活塞流区与滞留区的比值 的流场进行了观察，结果如图6所示，为便于对比， 相对较大，同时混流区以及平均停留时间都比低液 本实验中分别进行了圆形腔无旋转和转速为40 位下大，依据判断标准，380mm的液位流动特性较 rmin时的流场形貌观察.由图6可以看出，在圆 好.因此对于本中间包，380mm的液位是相对理想 形腔中，当无旋转时，大包水口注流直接冲击到包底 的液位深度. (图6(a),然后产生向上的回流，部分直接进入圆 综上所述，在流量为1700Lh-1、380mm液位 形腔出口，进入矩形腔；当施加旋转时，大包水口注
2∙3 不同流量下的流动特性分析 由图4可知随着流量的增加有旋转时钢液在 中间包中的平均停留时间逐渐减小但较低的流量 会使钢包的浇铸时间延长导致工作效率的降低［15］ （本处流量的确定来自于钢厂的实际生产数据）．从 图4还可以看出在较低转速下流量为1700L· h —1的活塞流区比例最大滞留区的比例最小活塞 流区和滞留区的比值是最大的混流区比例与 1900L·h —1下的基本相同都比流量为1500L·h —1 时大．因此对现有容量的中间包而言1700L·h —1 的流量下流动状况最为理想． 图4 流量对中间包流动特性的影响 Fig．4 Effect of flow rate on the flow characteristics of a tundish 2∙4 不同液位深度的流动特性分析 由图5可知平均停留时间随着液位深度的增 加而增大430mm 液位下的平均停留时间最长高 液位下的滞留区整体上明显比其他两种较低液位 大而混流区最小因此不是最佳液位深度．在 300mm的低液位下虽然混流区比例相对较大但 平均停留时间以及活塞区比例都是最小的流动特 性不是很理想．在380mm的液位下较低转速下滞 留区最小活塞流区较大活塞流区与滞留区的比值 相对较大同时混流区以及平均停留时间都比低液 位下大依据判断标准380mm 的液位流动特性较 好．因此对于本中间包380mm 的液位是相对理想 的液位深度． 综上所述在流量为1700L·h —1、380mm 液位 深度下坝距水口侧包壁距离为590mm、开口在中 间位置且为128mm×128mm 时平均停留时间较 大滞留区比例相对较小同时活塞区和混流区比例 较大． 2∙5 电磁净化中间包及常规中间包中流动形态观 察 为进一步了解电磁净化中间包对传输行为的影 响机理采用甲基兰示踪剂对中间包中不同位置处 的流场进行了观察结果如图6所示．为便于对比 本实验中分别进行了圆形腔无旋转和转速为40 r·min —1时的流场形貌观察．由图6可以看出在圆 形腔中当无旋转时大包水口注流直接冲击到包底 （图6（a））然后产生向上的回流部分直接进入圆 形腔出口进入矩形腔；当施加旋转时大包水口注 第5期 王保军等： 电磁净化中间包传输特性的水模拟 ·629·
.630 北京科技大学学报 第31卷 026F 038 液位mm 0.22 液位mm 0-300 。-300 ◆-380 034 ◆380 0,18 +-430 4-430 0.14 030 0.10 026 0.06 022 0.02 10 203040 50 10 2030 40 50 转速r-min) 转速r,min) (@)滞留区体积分数 b)活塞流区体积分数 600 0.75 500 0.70 400r 0.65 300 0.60 液位mm 液位mm 0.55 。-300 200 。一300 ◆-380 -·一380 0.50 4-430 100 4-430 0.45 10 2030 40 50 10 2030 40 50 转速rmin) 转速/rmin) (©)混流区体积分数 (d平均停留时间 图5液位对中间包流动特性的影响 Fig-5 Effect of liquid level on the flow characteristics of a tundish 流在旋转力下，产生水平旋转（图6(b),沿圆形腔 加了一个旋转场，注流从出口出来时有一个较大的 中作水平漩流往下，旋转若干圈以后进入圆形腔水 初速度，同时方向也是偏向一侧，旋转速度越高，偏 口，再进入矩形腔，显然这将有助于延长钢液的平均 转也越厉害，因此，旋转磁场的转速对流场特性影 停留时间，在圆形腔出口，当无旋转中时，圆形腔出 响也很大，从上述各方案的实验结果可知，随着转 口水流垂直于挡坝表面（图6(c);而旋转时，圆形 速的增加，响应时间逐渐减小，这是因为转速的增 腔出口水流沿圆形腔的斜线进入矩形腔，与挡坝表 加，使出口处的注流初速度增加，可以更快地到达出 面成锐角（图6(d),由于圆形腔出口水流出现偏 水口，响应时间也就相应减小.相对于零转速下的 转，导致坝后上方的水流也产生偏流，此时在坝后上 情况，旋转运动的施加，增加了活塞区的体积，降低 方形成水平环流，且由于流动的惯性，在坝后下方也 了滞留区的体积分数，因此对提高钢液中夹杂物去 形成相似的环流，导致坝后的滞留区内仍然存在一 除效率更为有利：但旋转速度并不是越高越好，存在 定的流动，这可以从图6(h)观察出来，而无旋转时 一个最佳值，根据实验结果，在10~30 rad'min的 坝后的染料长时间无法散开（图6(g),说明此处确 范围内，活塞区比例大，滞留区很小，某些情况甚至 实为滞留区；此外，从图6()和G)也可看出，圆形腔 接近于零，效果非常好；但当转速增大到一定值后， 中无旋转时，坝后出现明显的无染料区，而圆形腔中 高流速的注流经过坝的阻挡向上的冲击力过大，会 施加旋转后，坝后方全部被染蓝，说明确实存在流动 冲开液面，导致液面不是很平稳，同时回流的速度减 将染料带至坝后方，圆形腔中旋转流动的产生对降 小，滞留区的体积增大，在实际冶炼过程中，高转速 低矩形腔中的滞留区非常有效，这些都表明，此种 会导致钢液冲开保护渣，使钢液二次氧化，因此转速 方案有利于钢液中夹杂物的去除，根据上述流场结 也不宜过高，从RTD曲线上可以看出，旋转运动的 构推断出的整个中间包中的流场形态如图7所示， 施加，降低了击穿流比例，增加了活塞区比例，对钢 电磁净化中间包与传统中间包最大的不同在于 液在中包中的温度均匀分布也更加有利，平均停留
图5 液位对中间包流动特性的影响 Fig．5 Effect of liquid level on the flow characteristics of a tundish 流在旋转力下产生水平旋转（图6（b））沿圆形腔 中作水平漩流往下旋转若干圈以后进入圆形腔水 口再进入矩形腔显然这将有助于延长钢液的平均 停留时间．在圆形腔出口当无旋转中时圆形腔出 口水流垂直于挡坝表面（图6（c））；而旋转时圆形 腔出口水流沿圆形腔的斜线进入矩形腔与挡坝表 面成锐角（图6（d））．由于圆形腔出口水流出现偏 转导致坝后上方的水流也产生偏流此时在坝后上 方形成水平环流且由于流动的惯性在坝后下方也 形成相似的环流导致坝后的滞留区内仍然存在一 定的流动这可以从图6（h）观察出来而无旋转时 坝后的染料长时间无法散开（图6（g））说明此处确 实为滞留区；此外从图6（i）和（j）也可看出圆形腔 中无旋转时坝后出现明显的无染料区而圆形腔中 施加旋转后坝后方全部被染蓝说明确实存在流动 将染料带至坝后方圆形腔中旋转流动的产生对降 低矩形腔中的滞留区非常有效．这些都表明此种 方案有利于钢液中夹杂物的去除．根据上述流场结 构推断出的整个中间包中的流场形态如图7所示． 电磁净化中间包与传统中间包最大的不同在于 加了一个旋转场注流从出口出来时有一个较大的 初速度同时方向也是偏向一侧旋转速度越高偏 转也越厉害．因此旋转磁场的转速对流场特性影 响也很大．从上述各方案的实验结果可知随着转 速的增加响应时间逐渐减小．这是因为转速的增 加使出口处的注流初速度增加可以更快地到达出 水口响应时间也就相应减小．相对于零转速下的 情况旋转运动的施加增加了活塞区的体积降低 了滞留区的体积分数因此对提高钢液中夹杂物去 除效率更为有利；但旋转速度并不是越高越好存在 一个最佳值．根据实验结果在10～30rad·min —1的 范围内活塞区比例大滞留区很小某些情况甚至 接近于零效果非常好；但当转速增大到一定值后 高流速的注流经过坝的阻挡向上的冲击力过大会 冲开液面导致液面不是很平稳同时回流的速度减 小滞留区的体积增大．在实际冶炼过程中高转速 会导致钢液冲开保护渣使钢液二次氧化因此转速 也不宜过高．从 RTD 曲线上可以看出旋转运动的 施加降低了击穿流比例增加了活塞区比例对钢 液在中包中的温度均匀分布也更加有利．平均停留 ·630· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第5期 王保军等：电磁净化中间包传输特性的水模拟 .631. (a) h d 图6电磁净化中间包水模拟流场形态.(a),(c),(e),(g),6)无旋转；(b),(d),(),(h),(G)旋转速度40rmin1;(a),(b)圆形腔（示 踪剂在大包水口出口处)；(c),(d)示踪剂加在圆形腔出口处；(e),()示踪剂在矩形腔上方（挡坝后上方）：(g),(h)示踪剂在挡坝后方 (近包底)：()，G)中间包示踪剂侧面形貌（示踪剂加在圆形腔大包水口出口处） Fig6 Flow patterns in a tundish of water modeling:(a).(c).(e).(g).(i)without rotation:(b).(d).(f).(h).(j)with 40rmin (a). (b)cylindrical chamber:(c),(d)exit of the cylindrical chamber:(e).(f)behind the dam and near the liquid surface:(g).(h)behind the dam and near the bottom:(i).(j)flanks of the water model 时间是影响夹杂物去除的一个重要因素，由以上几 转速下的那样笔直，而是在中间包中有一个大的回 幅图片的数据分析可以看到，在有转速的情况下，中 流（见图7），使注流的运动路程增加，从而使注流的 间包的平均停留时间远大于零转速下的平均停留时 平均停留时间增加，当转速过大时，即使注流的运 间，虽然旋转运动的施加，使注流在中间包中的运 动路程增加，但因为流速很大，平均停留时间也会降 动速度增加，但同时也使注流的运动路线不再像无 低，因此旋转速度不宜过高
图6 电磁净化中间包水模拟流场形态．（a）（c）（e）（g）（i）无旋转；（b）（d）（f）（h）（j）旋转速度40r·min —1；（a）（b）圆形腔（示 踪剂在大包水口出口处）；（c）（d）示踪剂加在圆形腔出口处；（e）（f） 示踪剂在矩形腔上方（挡坝后上方）；（g）（h）示踪剂在挡坝后方 （近包底）；（i）（j）中间包示踪剂侧面形貌（示踪剂加在圆形腔大包水口出口处） Fig．6 Flow patterns in a tundish of water modeling：（a）（c）（e）（g）（i） without rotation；（b）（d）（f）（h）（j） with40r·min —1；（a） （b） cylindrical chamber；（c）（d） exit of the cylindrical chamber；（e）（f） behind the dam and near the liquid surface；（g）（h） behind the dam and near the bottom；（i）（j） flanks of the water model 时间是影响夹杂物去除的一个重要因素．由以上几 幅图片的数据分析可以看到在有转速的情况下中 间包的平均停留时间远大于零转速下的平均停留时 间．虽然旋转运动的施加使注流在中间包中的运 动速度增加但同时也使注流的运动路线不再像无 转速下的那样笔直而是在中间包中有一个大的回 流（见图7）使注流的运动路程增加从而使注流的 平均停留时间增加．当转速过大时即使注流的运 动路程增加但因为流速很大平均停留时间也会降 低因此旋转速度不宜过高． 第5期 王保军等： 电磁净化中间包传输特性的水模拟 ·631·
.632. 北京科技大学学报 第31卷 液面 液面 (a)无旋转 )有旋转 图7采用流场示踪方法确定的中间包注流在有无转速下的流动示意图 Fig.7 Schematics of flow pattern in a tundish with and without rotation [5]Liu L,Zeng J Q.Development of clean steel and its production 3结论 process.Steelmaking.2000.35(3):68 (刘浏，曾加庆.纯净钢及其生产工艺的发展.钢铁.2000,35 (1)旋转磁场在中间包上的应用，增加了活塞 (3):58) 区的体积，降低了滞留区的体积分数，因此对提高钢 [6]LiZ B.New progress of super clean steel.J Mater Metall, 液中夹杂物去除效率更为有利， 2002,1(3):161 (2)在本文条件下，当流量为1700Lh-1、液位 (李正邦.超洁净钢的新进展。材料与冶金学报.2002,1(3)： 为380mm、坝距水口侧包壁距离为590mm、开口在 161) 中间位置且为128mm×128mm时中间包的滞留区 [7]Xiao Y L.Cleaning molten steel with the centrifugal flow tundish.Wide Heavy Plate,2001.7(4):39 最小，活塞区最大，平均停留时间较长，最有利于钢 (肖英龙.利用离心式中间包提高钢液纯净度.宽厚板，2001， 液中夹杂物的上浮去除 7(4):39) (③)电磁净化中间包中，钢液旋转速度不宜过 [8]Miki Y.Shibata H.Bessho N.et al.Cleaning molten steel with 高，否则会导致液面的波动以及滯留区的增加，因此 the centrifugal flow tundish.Tetsuto-Hagne.2000.86(4):37 旋转速度存在一个最佳值；此外，旋转运动的施加， [9]Miki Y,Kitaoka H.SakurayaT,et al.Mechanism for separating inclusions from molten steel stirred with a rotating electro magnet- 降低了击穿流比例，增加了混流区比例，对钢液在中 ic field.1SJ1t,1992,32(1):142 包中的温度均匀分布也更加有利. [10]Zhong Y B.Physical simulation of purifying the molten steel by centrifugal flow tundish.Shanghai Met,2006.28(1):14 参考文献 (钟云波。离心中间包净化钢液的物理模拟.上海金属.2006， [1]Zhang S R.The tendency of world steel industry in the first 2 28(1):14) decades of 21st century and the challenges facing Chinese steel in- [11]Qu Y.Principle of Steelmaking.Beijing:Metallurgical Indus- dustry /Proceedings of CSM2007 Annual Meeting.Beijing. try Press,1980:135 2007:107 (曲英，炼钢学原理.北京：冶金工业出版社，1980：135) (张寿荣，21世纪前期钢铁工业的发展趋势及我国面临的挑 [12]Wang JJ.Metallurgy in Tundish for Continuous Casting.Bei- 战∥2007中国钢铁年会论文集.北京，2007：107) jing:Metallurgical Industry Press,2001:45 [2]Liu Z Z.Cai KK.Purity steel production technology.Iron (王建军.中间包治金学.北京：治金工业出版社，2001：45) Steel,2000,35(2):64 [13]Mazumdar D.Guthrie R I L.Physical and mathematical mod- (刘中柱，蔡开科.纯净钢生产技术.钢铁，2000,35(2)：64) elling of continuous casting tundish systems.ISIJInt,1999.39 [3]Qu Y,Liu J.Introduction of Metallurgical Reaction Engineer- (6):524 ing.Beijing:Metallurgical Industry Press.1988 [14]Sahai Y,Ahuja R.Fluid flow and mixing of melt in steelmaking (曲英，刘今，治金反应工程学导论，北京：冶金工业出版社， tundishes.Ironmaking Steelmaking:1986.13:241 1988) [15]Wang L T,LiZ B.XueZ L,et al.Flow control technology and [4]Gao Y M.Ni H W.Advanced tundish techniques for improving flow feature of liquid steel in tundish for concasting Spec Steel, steel cleanliness.Steelmaking.2000.35(4):55 2001,25(2):32 (高运明，倪红卫·改善钢水洁净度的中间包新技术.炼钢， (王立涛，李正邦，薛正良，等.连铸中间包内钢液流动特性及 2000,35(4):55) 控流技术.特殊钢，2004,25(2)：32)
图7 采用流场示踪方法确定的中间包注流在有无转速下的流动示意图 Fig．7 Schematics of flow pattern in a tundish with and without rotation 3 结论 （1） 旋转磁场在中间包上的应用增加了活塞 区的体积降低了滞留区的体积分数因此对提高钢 液中夹杂物去除效率更为有利． （2） 在本文条件下当流量为1700L·h —1、液位 为380mm、坝距水口侧包壁距离为590mm、开口在 中间位置且为128mm×128mm 时中间包的滞留区 最小活塞区最大平均停留时间较长最有利于钢 液中夹杂物的上浮去除． （3） 电磁净化中间包中钢液旋转速度不宜过 高否则会导致液面的波动以及滞留区的增加因此 旋转速度存在一个最佳值；此外旋转运动的施加 降低了击穿流比例增加了混流区比例对钢液在中 包中的温度均匀分布也更加有利． 参 考 文 献 ［1］ Zhang S R．The tendency of world steel industry in the first 2 decades of21st century and the challenges facing Chinese steel industry ∥ Proceedings of CSM2007 A nnual Meeting．Beijing 2007：107 （张寿荣21世纪前期钢铁工业的发展趋势及我国面临的挑 战∥2007中国钢铁年会论文集．北京2007：107） ［2］ Liu Z ZCai K K．Purity steel production technology． Iron Steel200035（2）：64 （刘中柱蔡开科．纯净钢生产技术．钢铁200035（2）：64） ［3］ Qu YLiu J．Introduction of Metallurgical Reaction Engineering．Beijing：Metallurgical Industry Press1988 （曲英刘今．冶金反应工程学导论．北京：冶金工业出版社 1988） ［4］ Gao Y MNi H W．Advanced tundish techniques for improving steel cleanliness．Steelmaking200035（4）：55 （高运明倪红卫．改善钢水洁净度的中间包新技术．炼钢 200035（4）：55） ［5］ Liu LZeng J Q．Development of clean steel and its production process．Steelmaking200035（3）：68 （刘浏曾加庆．纯净钢及其生产工艺的发展．钢铁．200035 （3）：68） ［6］ Li Z B．New progress of super clean steel． J Mater Metall 20021（3）：161 （李正邦．超洁净钢的新进展．材料与冶金学报．20021（3）： 161） ［7］ Xiao Y L． Cleaning molten steel with the centrifugal flow tundish．Wide Heav y Plate20017（4）：39 （肖英龙．利用离心式中间包提高钢液纯净度．宽厚板2001 7（4）：39） ［8］ Miki YShibata HBessho Net al．Cleaning molten steel with the centrifugal flow tundish．Tetsu-to-Hagne200086（4）：37 ［9］ Miki YKitaoka HSakuraya Tet al．Mechanism for separating inclusions from molten steel stirred with a rotating electro-magnetic field．ISIJ Int199232（1）：142 ［10］ Zhong Y B．Physical simulation of purifying the molten steel by centrifugal flow tundish．Shanghai Met200628（1）：14 （钟云波．离心中间包净化钢液的物理模拟．上海金属．2006 28（1）：14） ［11］ Qu Y．Principle of Steelmaking．Beijing：Metallurgical Industry Press1980：135 （曲英．炼钢学原理．北京：冶金工业出版社1980：135） ［12］ Wang J J．Metallurgy in T undish for Continuous Casting．Beijing：Metallurgical Industry Press2001：45 （王建军．中间包冶金学．北京：冶金工业出版社2001：45） ［13］ Mazumdar DGuthrie R I L．Physical and mathematical modelling of continuous casting tundish systems．ISIJ Int199939 （6）：524 ［14］ Sahai YAhuja R．Fluid flow and mixing of melt in steelmaking tundishes．Ironmaking Steelmaking198613：241 ［15］ Wang L TLi Z BXue Z Let al．Flow control technology and flow feature of liquid steel in tundish for concasting．Spec Steel 200425（2）：32 （王立涛李正邦薛正良等．连铸中间包内钢液流动特性及 控流技术．特殊钢200425（2）：32） ·632· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
