D0I:10.13374/j.issn1001053x.2006.02.027 第28卷第2期 北京科技大学学报 Vol.28 No.2 2006年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2006 中间包内非等温流现象研究 彭世恒1)王建军2》仇圣桃)萧泽强3) 1)翻铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京1000812)安徽工业大学冶金学院，马骸山243006 3)东北大学钢铁冶金系，沈阳110006 摘要在专门设计的二维模型上对非等温流现象的形成条件进行了实验研究，定义了衡量非等 温流动出现的准数，并给出了临界值，以用来判断中间包内温度差对钢水流动的影响程度，对中间 包非等温流动的形成过程进行了数值模拟，并在40t中间包上做了生产现场的直接测量.结果表 明，在正常生产条件下，中间包内流体流动是一个典型的非等温过程 关键词中间包；非等温现象；钢液流动；自然对流；数值模拟 分类号TF777 中间包是连铸工艺中的一个重要设备，起着 直接测定 储存与合理分配钢水、改善夹杂物去除和调节温 度等作用.在钢的连铸生产过程中，由于熔炼炉 1理论分析 出钢温度不同，钢包、中间包散热条件不同，以及 中间包内钢水的流动通常属于重力作用下的 中间包加热或钢水成分调整，使得钢包钢水与中 强制流动.由于存在温度差，导致钢水密度变化， 间包内钢水的温度有差别.钢水温度不同则密度 引起局部或整体的自然对流，从而改变中间包流 也不同，从而形成热浮力，这种浮力在钢水流动过 动的基本特征.分析中间包内出现非等温流的可 程中引发的流体流动称为自然对流（或浮力流，非 能性时，可以对比流体的受力情况. 等温流动)，较强的自然对流可能对原有的流动状 引起自然对流的特征力为浮力F,引起强制 态产生影响. 对流的特征力为惯性力F:,在图1所示的流股 在时间和空间上的温度差对中间包内钢水流 中，流体流动方式主要受这两种力控制，把它们的 动的影响，在国际上已有一些研究工作者提出或 比例关系定义为Zb,即 进行过初步讨论[14)，但系统的理论分析和实验 Zb= F (1) 结果未见报导.本课题组从1994年起，开始对中 间包非等温流现象进行了研究[5]，初期研究结 F 果发表后[8-0)，引起了许多现场工程技术人员和 研究工作者的重视1-14].但前期研究只涉及钢 连铸中间包常见温差（取±20℃）下的非等温流 流体微团 动现象的水模型观察和CFD简要模拟，并未深入 图1中间包内流体微团的受力 分析中间包内非等温流形成过程、出现的临界条 Flg.1 Forces exerted on liquid steel In a CC tundish 件及其对实际中间包过程的影响， 流体所受的浮力为： 为了定量分析中间包内流动对钢水温度变化 Fb=△pgl3 (2) 的敏感程度，鉴别生产条件下中间包流动的基本 流体所受的惯性力为： 特性，以及非等温流出现的临界条件，利用CFD F;=pu212 (3) 软件和专门设计的二维物理模型进行了系列研 式中，△ρ为研究部位与周围流体的密度差；l为 究，并在梅钢40t连铸中间包上做了相关参数的 几何尺寸，m;g为重力加速度，m's2;u为速度， 收稿日期：2004-1022修回日期：2004-1209 ms1.故 基金项目：国家“九五”攻关项目 Apgl3 作者简介：彭世恒(1969一)，男，高级工程师，博士 Zb= pu222 (4)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 幼 。 。 。 中间包内非等温流现象研究 彭世恒 王 建军 仇 圣 桃 萧泽 强 钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心 ， 北京 安徽工业大学 冶金学院 ， 马鞍山 东北大学钢铁冶金系 ， 沈 阳 摘 要 在专 门设计 的二维模型上对非等温流现象的形成条件进行 了实验研 究 ， 定 义 了衡量非等 温流动 出现 的准数 ， 并给出了临界值 ， 以用来判断中间包 内温度差对钢水流动的影响程度 对 中间 包非等温流动的形成过程进行了数值模拟 ， 并在 中间包上做 了生产现场的直接测量 结果表 明 ， 在正常生产条件下 ， 中间包 内流体流动是一个典型 的非等温过程 关锐词 中间包 非等温现象 钢液流动 自然对流 数值模拟 分类号 了‘、 土 、了 一 端 凡 ﹃断 一 中间包是 连 铸工 艺 中的一个 重 要 设 备 ， 起 着 储存与合理分配钢 水 、 改 善 夹杂 物 去 除和 调 节 温 度等作用 在钢 的连 铸 生 产过 程 中 ， 由于熔 炼炉 出钢温度不 同 ， 钢包 、 中间包 散热条件不 同 ， 以及 中间包加热或钢水 成分调整 ， 使 得钢包钢水 与 中 间包 内钢水的温度有差别 钢水温 度不 同则 密度 也不 同 ， 从而形成热浮力 ， 这种浮力在钢水流动过 程 中引发的流体流动称为 自然对流 或浮力流 ， 非 等温流动 ， 较强 的 自然对流可能对原有的流动状 态产生影 响 在时间和空 间上 的温度差对 中间包 内钢水流 动的影响 ， 在 国际 上 已有 一 些 研 究工 作者提 出或 进行过初 步讨 论 〔‘一 ， 但 系统 的理 论 分析 和 实 验 结果未见报导 本课题组从 年起 ， 开始对 中 间包非等温 流 现 象进 行 了研 究〔’川 ， 初 期 研 究结 果发表后 一 ， 引起 了许 多现 场工 程 技术人 员和 研 究工作者 的重 视〔” 一 但 前期 研 究 只 涉 及 钢 连铸 中间包 常见 温 差 取 土 ℃ 下 的 非 等温 流 动现象 的水模型观察和 简要模拟 ， 并未 深 入 分析 中间包 内非等温 流 形 成过 程 、 出现 的临界条 件及其对实际 中间包过程的影 响 为 了定量分析中间包 内流动对钢水温度变化 的敏感程度 ， 鉴别生产条件下 中间包 流 动的基 本 特性 ， 以及 非等温 流 出现 的 临界 条 件 ， 利 用 软件和专 门设 计 的二 维 物 理 模 型 进 行 了 系 列 研 究 ， 并在梅钢 连 铸 中间包 上做 了相 关参 数 的 收稿 期 一 一 修回 期 一 刃 荃金项 目 国家 “ 九五 ” 攻关项 目 作者简介 彭世恒 一 ， 男 ， 高级工程师 ， 博士 直接测定 理论分析 中间包 内钢水的流动通 常属 于重力作用下的 强制流 动 由于存在温度差 ， 导致钢水密度变化 ， 引起局部或整 体 的 自然 对 流 ， 从而 改变 中间包 流 动的基本特征 分析 中间包 内出现 非等温流 的可 能性时 ， 可以对 比流体的受力情况 引起 自然对流的特征力为浮力 ， 引起强制 对流 的特 征 力 为惯性 力 在 图 所 示 的流 股 中 ， 流体流动方式主要 受这两种力控制 ， 把它 们的 比例关系定义为 ， 即 图 中间包内流体徽团的受力 川 流体所受的浮力为 、 △四 流体所受的惯性力为 ‘ 户 式 中 ， △ 为研 究部位 与周 围流 体的密度差 为 几何尺寸 ， 为重力加速 度 ， · 一 为速 度 ， · 一 故 ， △ 乙白 一一不气下一 气件 ‘ ，‘ 尸 ‘ DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．02．027
·114· 北京科技大学学报 2006年第2期 将式(4)分子和分母同乘以ρ/μ2，得： 流出，用流量计控制流量.钢包中水温T1,中间 △pgl2p △pgl2p 包水温T2,以及它们的温差△T用电阻元件加热 自来水控制.中间包内选择10个特征点(1~10 Zb= pul2 Re2 (5) 点)装有连续测温装置，由数据采集系统实时显示 4 并记录和处理，得到中间包内各点温度的变化. 由流体膨胀系数P的定义可知： 在实验中对入流染色并作连续拍照，以观察中间 ={, 包内的宏观流动特征 p△T (6) 则有： (1)T △glp=9△Tglp=g9AT (/p)2= 接口 照相机 热电偶 gUBAT 计算机 Gr y2 7 故式(5)可以变成： 图2实验装置示意图 2五= (8) Fig.2 Schematic diagram of the non-lsothermal water modeling Re2 system 上式中，分子和分母都是无因次准数.G为格拉 晓夫准数，表示流体流动的浮力和粘性力的比值； 2.2实验方案 Re为雷诺准数，为流体流动的惯性力和粘性力的 实验对不同操作条件下的中间包进行了模 比值.因此，2弘也是一个无因次的数组，把它定 拟.由前述可知，影响中间包准数b的因素包括 义为中间包准数，表示浮力和惯性力的大小关系， 温度差、液面高度及流量（速度）等.为了方便，把 用来判定流动对温度变化的敏感程度，显然，当 多数参数固定，主要改变入流与中间包内的温度 浮力与惯性力的作用相近时，流动受二者共同控· 差△T.模型实验主要参数：熔池深度为0.35m, 制.当流体受到的热浮力远大于惯性力时，流动 长度为0.83m,流量分别为160,300,600L· 以自然对流为主.反之，当流体受到的热浮力远 h-',温差△T分别为±20℃，±15℃，±10℃， 小于惯性力时，则惯性力起主要作用，流动以强制 ±7℃，±4℃，±3℃，±2℃，±1℃，0℃（等温）. 对流为主，这时温度差对流体流动的影响可以忽 3实验结果 略不计 如果温差取绝对值，得到乃与温度的关系式： 3,1正温差的实验结果 图3是温差为+20℃，+10℃，+4℃，+2℃ glBl△Tl 和0℃（入流与包内水温相等）得到的照片.图中 v2 Bgl 2 (9) Re2 黑色示踪剂显示的流股表示入流在中间包水模型 内的流动情况.在等温条件下（图3(）)，由于有 从式(9)可以看出，连铸中间包流动可能对温 上下挡板的存在，入流进入中间包后，在注入口附 度的变动十分敏感.因而设计了一套中间包内非 近产生强烈搅拌和混合.主流股在挡板的引导 等温流动出现、存在和消失的临界条件的实验测 下，越过下挡板后上扬，沿熔池上部流向出口，在 试装置 接近出口区上方开始改变方向，以接近于抛物线 2实验条件 的路径流向出口，在中间包右半部形成一个顺时 针的回流，在下挡板右方和中间包的右上角各有 2.1水力模型和实验装置 一个死区（图中的白色区域）.这种流动图形代表 根据相似理论，保证模型与原型的几何相似、 了等温条件下中间包内流体流动的主要趋势和走 动力相似和热相似，设计了一个中间包的二维水 向，流体的流动是一个强制对流过程，从图3(a) 力学模型，在如图2所示的实验装置上对中间包 中可以清楚地看到，在非等温条件下（入流水温比 内非等温体系下钢水的流动过程进行研究 中间包内水温高20℃)，流体在中间包内的流动 图2中，水从钢包(1)注入中间包(2)，由出口 方式发生了变化，带色的入流存在明显的上浮现
北 京 科 技 大 学 学 报 ‘ 年第 期 将式 分子和分母 同乘以 川产 ， 得 △蒯 △脚 产 尸 ， 、 一 由流体膨胀系数 尹的定义可知 。 二 一 厂 习 业 △ 、 一 工 竺旦 △ 流 出 ， 用流量 计控 制流 量 钢 包 中水 温 ， 中间 包水温 ， 以及它 们的温差 △ 用 电阻元件加热 自来水控制 中间包 内选 择 个 特征 点 一 点 装有连续测温装置 ， 由数据采集系统实时显示 并记录 和 处 理 ， 得到 中间包 内各 点温 度 的变化 在实验 中对入 流染色 并 作连续 拍 照 ， 以观察 中间 包 内的宏观流 动特征 则有 △蒯 一 产 砂△ 抢 一 群 解 夕△ 产 户 解 月△ 二 卿 一 工 「一一刁 」 碑 一 ③ ② 热电偶 昌 ‘ ，兀 故式 可以变成 ， 乙 二一百 尺召‘ 图 实验装里示意图 址哑 川目旧 址 加 · 好日妞 上式 中 ， 分子和分母都是无 因次准数 为格拉 晓夫准数 ， 表示 流体流动的浮力和粘性力的比值 。 为雷诺准数 ， 为流体流动 的惯性力和粘性 力 的 比值 因此 ， 也是 一 个 无 因次 的数 组 ， 把 它 定 义为 中间包准数 ， 表示 浮力和惯性力的大小关系 ， 用来判定流 动对 温 度变化 的敏感 程 度 显 然 ， 当 浮力与惯性力 的作用 相近 时 ， 流动受二 者共 同控 制 当流体受到 的热 浮 力远大 于惯性力 时 ， 流 动 以 自然对 流 为主 反 之 ， 当流 体受到 的热 浮力远 小于 质性力时 ， 则惯性力起 主要作用 ， 流动以强制 对流为主 ， 这时温度差 对 流体流 动 的影 响可 以 忽 略不计 如果温差取绝对值 ， 得到 乃 与温度的关系式 尹 △ ， 了气 口作 了 夕 弓 ‘ ， 、 口 一 ， 一 “ 上 、 ， 找 一 卫三 一 从式 可以看 出 ， 连 铸中间包流动可能对温 度的变动十分敏感 因而设计 了一套 中间包 内非 等温流动出现 、 存在 和 消失 的临界条件的实验 测 试装置 实验条件 水力模型和实验装置 根据相似理 论 ， 保证模型与原型 的几何相似 、 动力相似和热相似 ， 设计 了一个 中间包 的二 维水 力学模型 ， 在如图 所示 的实验装置 上 对 中间包 内非等温体系下钢水的流动过 程进行研究 图 中 ， 水从钢包 注入 中间包 ， 由出 口 实验方案 实验对 不 同操 作条 件 下 的 中间包进 行 了模 拟 由前述可知 ， 影响中间包准数 的因素包括 温度差 、 液面高度及流量 速度 等 为了方便 ， 把 多数参数固定 ， 主 要 改变入 流 与 中间包 内的温 度 差 △ 模型实验 主要参数 熔 池 深度为 ， 长度 为 ， 流 量 分 别 为 ， ， · 一 ’ ， 温差 △ 分别为 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， ℃ 等温 实验结果 正温差的实验结果 图 是温差为 十 ℃ ， 十 ℃ ， ℃ ， 十 ℃ 和 ℃ 入 流与包 内水 温相等 得 到 的照 片 图 中 黑色示踪剂显示 的流股表示入流在 中间包水模型 内的流动情况 在等温条件 下 图 ， 由于 有 上下挡板 的存在 ， 入流进入 中间包后 ， 在注入 口 附 近 产 生 强 烈搅拌 和 混 合 主 流 股 在 挡板 的引导 下 ， 越 过 下挡板后 上 扬 ， 沿熔 池上 部流 向出 口 ， 在 接近 出 口 区上 方开 始改变方 向 ， 以接近 于抛 物 线 的路径流 向出 口 ， 在 中间包右半部形 成 一 个 顺 时 针的回流 ， 在 下挡板 右方和 中间包 的右上 角各有 一个死 区 图中的白色 区域 这种流动 图形 代表 了等温条件下 中间包 内流体流动的主要趋势和走 向 ， 流体的流动是一 个 强 制对 流过 程 从 图 中可以清楚地看到 ， 在非等温条件下 入流水温 比 中间包 内水温 高 ℃ ， 流 体 在 中间包 内的流 动 方式发 生 了变化 ， 带 色 的入 流 存在 明显 的上 浮现
Vol.28 No.2 彭世恒等：中间包内非等温流现象研究 115· 象.入流进入中间包以后，主流在流过下挡板上 出现明显的上浮（自然对流）现象，包内流体流动 扬，只沿着熔池的表面流动，越过出口上方直接流 的方式与温差为+20℃（图3(a)时相似.但是， 向右侧端墙，然后沿墙而下流向出口，这样，中间 当温差进一步减小时，自然对流作用减弱，强制对 包右上部死区消失，下挡板后方的死区扩大（见图 流作用增强.当温度相差约2℃（图3(d))时，中 中白色部分).这种流动方式是自然对流占主导 间包内的上浮现象就不太明显，流动状态与等温 作用. 条件（图3(e)相近.因此认为这是一个临界条 为了研究中间包内自然对流产生的临界条 件，此时中间包准数Z弘之值为临界值 件，实验中逐步减小入流与中间包流体的温差， 中间包内特征点的温度记录也证实了上述观 从图中可以看出，当入流与包内水温相差大于+5 察.图4所示为温差+20℃，+10℃，+4℃和 ℃（图3(b)和(c)时，中间包内的流体流动都会 +2℃时，特征点温度随时间变化的曲线 (a)+20℃ b)+10℃ (c)+4℃ (d+2℃ ()等混 图3正温差时，中间包内流体的流动照片 Fig.3 A series of photographs taken during pouring hot water into the tundish model 45(a)4T=+20℃ 351 (b)4T=+10℃ 40 30 …2 25 25 44· n &6 6 -6 …6 20 -…9 0 100 200 300 400 15 050100150200250300 时间s 时间s 30- (c)△T=+4℃ 32 (d△T=+2℃ .2 28 +3 30 4-3 8 …6 26 26 ……8 4 -9 24 22 6 ewrrw 8, 0 18 16 18 0 100 200300 400 0100200300400 时间s 时间s 图4不同正温差亲件下中间包内特征点温度的变化 Fig.4 Temperature measurement results at selected points under positive temperature difference 如图4所示，当入流温度比中间包内水温度 最下层，温度也最低，由此可以看出，来流主流经 高20℃时，1点和2点的温度迅速升高，下挡板后 过上下挡板后，沿着熔池的表层流动，与拍摄照片 温度最先开始上升的是9点和10点，然后是8 所示结果相同. 点、7点，最后上升的是3点，在整个实验过程中， 减小入流与中间包内液体的温差至4℃，中 从上至下温度逐渐降低，3号热电偶处于熔池的 间包内温度分层现象还十分明显，上层温度高下
。 彭世恒等 中间包内非等温流现象研究 象 ， 入流 进 入 中间包 以 后 ， 主流 在流 过 下 挡板 上 扬 ， 只沿着熔池 的表面流动 ， 越过 出 口 上方直接流 向右侧端墙 ， 然后沿墙而 下 流 向出 口 ， 这 样 ， 中间 包右上部死 区 消失 ， 下挡板后方的死 区扩大 见 图 中白色部分 这种 流 动方 式 是 自然 对 流 占主 导 作用 为了研 究 中 间包 内 自然 对 流 产 生 的 临 界 条 件 ， 实验 中逐 步 减 小 入 流 与 中 间包 流 体 的温 差 从图中可以看 出 ， 当入流与包 内水温相差大于 十 ℃ 图 和 。 时 ， 中间包 内的流体 流 动都会 出现 明显 的上浮 自然对 流 现 象 ， 包 内流 体 流 动 的方式与温差为 ℃ 图 时相似 ， 但是 ， 当温差进一 步减小时 ， 自然对流作用减弱 ， 强制对 流作用增强 当温度相 差 约 ℃ 图 时 ， 中 间包 内的上 浮现 象 就 不太 明显 ， 流 动状 态 与等温 条件 图 ” 相 近 因此 认 为这 是 一 个 临界 条 件 ， 此 时 中间包准数 之值为临界值 中间包 内特征点的温度记录也证实了上述观 察 图 所示 为温 差 十 ℃ ， 十 ℃ ， 十 ℃ 和 十 ℃ 时 ， 特征 点温度随时间变化的曲线 图 正通差时 ， 中间包内流体的流动照片 昭 址 比 ‘ △ △ ℃ ，‘，︸ 一、﹄ 护 侧蛆护、 侧 鸡 乙‘，， 、‘︸ 一 △ ℃ 一 二 一 一 多寸矛 时间 一 △升十 ℃ －一 一 … 一 一一 … 一 二藕渊萨糯御哪， 铭 侧护店、 ，，‘ 八曰 赵护店︸ 时间 日寸间 ﹄ 图 不同正沮差条件下中间包内特征点温度的变化 · 眠 吐比 吐 附 州 碑 如图 所 示 ， 当入 流温 度 比 中 间包 内水 温 度 最 下层 ， 温度也最 低 由此 可以看 出 ， 来流主 流经 高 ℃ 时 ， 点和 点的温度迅速升高 ， 下挡板后 过上 下挡板后 ， 沿着熔 池的表层 流动 ， 与拍摄照片 温度 最 先 开 始 上 升的 是 点 和 点 ， 然 后 是 所示结果相 同 点 、 点 ， 最后 上 升的是 点 ， 在整个 实验过 程 中 ， 减小入流与 中间包 内液 体 的温 差 至 ℃ ， 中 从上 至下温 度 逐 渐 降低 ， 号 热 电偶 处 于 熔 池 的 间包 内温度分 层现 象还 十分 明显 ， 上 层温 度高下
·116· 北京科技大学学报 2006年第2期 层温度低.温差为2℃（图4(d)时，分层现象不 部分的液体基本不流动，出现较大的死区（图中的 再明显， 白色部分)，可见，该条件下中间包内流体流动主 3.2负温差的实验结果 要是受自然对流作用的控制.入流与中间包内液 图5是负温差」中间包内流体流动的照片， 体的温差越大，这种现象越明显.随着二者温差 图中显示，中间包内流动状态与正温差时完全不 的减小，自然对流的作用慢慢减弱，强制对流的作 同，尽管有下挡板的存在，主流股跨越下挡板后并 用增强.但是，只要二者的温差大于一3℃，中间 不上浮，而是流向中间包的底层，沿着包底流向出 包内的自然对流都很明显.实验发现，一2℃是负 口.在中间包上部，由于温度较高，密度较小，该 温差中间包内出现非等温流动的另一个临界点. (-20℃ b)-10℃ ()-4℃ (d-1℃ 图5负温整时，中间包内流体的流动照片 Flg.5 A series of photographs taken during pouring cool water into tundish model 同样，可以测定中间包内特征点温度随时间 层成为一个死区.这种分层的程度由-20℃实验 变化的情况，如图6所示.由图6中热偶1~10 温差下十分明显减小到一3℃以下的不明显，这 的记录曲线可以看出，当入流与中间包内液体的 与较热（钢）水进入中间包引起的温度分层现象十 温差为负时，挡墙后方形成上热下凉的温度分层， 分相似，但一个入流在上，一个入流在下，均严重 较冷入流翻越挡墙贴底流向出口.整个中间包上 恶化中间包内混合和夹杂物净化作用 45@4T=-20℃ 0 b)47=-10℃ 40 8 9 35 心 30 0 28 6 2 25 24 2 3 ⑧ 18 16 0 100 200300 400 0 100200300400 时间s 时间s (Cc)△T=-4℃ 30f(d④△T=-2℃ 30 26h 9 25 224 6 学" 20 ,气2产连 20 1 2 1 16- 15L 100200300 400 0 100200300 400 时间s 时间s 图6不同负温楚条件下中间包内特征点温度的变化 Fig.6 Temperature measurement results at selected points under negative temperature difference
北 京 科 技 大 学 学 报 ‘ 年第 期 层温度低 温差为 ℃ 图 时 ， 分 层 现象 不 再 明显 负温差的实验结果 图 是负温差 中间包 内流体 流动 的照 片 图中显示 ， 中间包 内流 动状 态与正 温 差 时完全 不 同 ， 尽管有下挡板 约存在 ， 主流股跨越下挡板后并 不上浮 ， 而是流 向中间包的底层 ， 沿着包底流 向出 口 在 中间包上 部 ， 由于 温 度较高 ， 密度较 小 ， 该 部分的液体基本不流动 ， 出现较大的死 区 图中的 白色部分 可见 ， 该条件下 中间包 内流体流 动 主 要是受 自然对流作用的控制 人流 与中间包 内液 体的温差 越 大 ， 这种现 象越 明显 随着 二 者温 差 的减小 ， 自然对流 的作用慢慢减弱 ， 强制对流 的作 用增强 但是 ， 只要 二者 的温 差大于 一 ℃ ， 中间 包 内的 自然对流都很 明显 实验发现 ， 一 ℃ 是 负 温差 中间包 内出现 非等温 流动的另一个临界点 图 负沮睡时 ， 中间包内流体的流动照片 · 韶 七 娘 如山 如 州 目血 闭 同样 ， 可以测 定 中间包 内特 征 点温度 随 时间 变化的情况 ， 如图 所 示 由图 中热偶 一 的记录 曲线可 以看 出 ， 当入 流 与 中间包 内液 体 的 温差 为负时 ， 挡墙后方形成上热下凉的温度分层 ， 较冷入流翻越挡墙贴底流 向出 口 整个 中间包上 层成为一个死 区 这种分层 的程度 由 一 ℃ 实验 温差 下十分明显 减 小到 一 ℃ 以 下 的不 明显 这 与较热 钢 水进入 中间包引起 的温度分层现象十 分相似 ， 但一个入 流在上 ， 一个入 流 在下 ， 均严重 恶化 中间包 内混 合和 夹杂物净化作用 △ 砚 ℃ △了 一 ℃ 一 ‘ 乙 一 ， “ 、 ‘ · 二 一 几讯、 伙 爪歹‘ 不不二长 几 决 ， 线义纷 竺 、 伪 气 加 侧蛆护、 加 侧蛆尸、 时间 时间 △界 ℃ ，‘‘山冉 ，八”汽‘﹄︸八 侧蛆尸、 △介礴℃ 一 攀敛三 时间 时间 图 ‘ 不同负沮睡条件下中间包内特征点通度的变化 件， 眼 明比” 叹姆 旧 咤 枕 五众比 伙 ︺佗一、一砂八曰‘ ︸八，山﹄谧，且一、︸ 侧明护
Vol.28 No.2 彭世恒等：中间包内非等温流现象研究 ·117· 3.3Zb的临界值 4.240t板坯中间包内钢水流动特征 根据中间包内非等温流动出现的临界条件， 从20世纪50年代中间包开始工业应用以 由水模型的实验条件，可以计算出相应的Z弘值. 来，多数工程技术人员和研究工作者一直将中间 水的密度与温度的关系式为： 包当作一种等温反应器处理[2].但上述研究指 Pw=1000.63-0.056556t-0.00384857t2, 出：只有在钢包和中间包温差小于2~3℃才是等 则40℃时水的膨胀系数为3.673×10~4，由式 温流动，多数条件下应该把中间包看作是非等温 (9)可以得到中间包准数的计算式： 反应器. 26=Bgl 1999年装备40t中间包的板坯连铸机在梅 IATI= 钢投产，车间组织了对中间包内典型工艺参数的 3.673×104×9.81x0.35×1△T1= 直接测定， (8.3×10-3)2 (1)包内上下层温度，在浇铸过程中，选择 18.31×|△T1 中间包内距液面分别为200mm和800mm上下 实验得到的入流与中间包内流体之间温差 两点，插入热电偶探头在历时30min连续测量钢 士2℃是中间包内出现自然对流（非等温流动）的 水温度.结果发现，中间包熔池内上下层存在明 临界温差，则相应的临界Zb为36.62.即当Z弘 显温差，见图8 大于36.62时，中间包内存在非等温流动，Zb的 1620 值越大，非等温流动越明显；当Zb小于36.62 1610 时，中间包内不存在明显的非等温流动，Zb的值 1600 钢包温度 越小，强制对流越明显；当Zb的值在36.62左右 1590 1580 上部湿度 时，中间包内的自然对流现象不太明显，此时流体 雅1570 下部温度 流动形态受自然对流和强制对流共同控制 1560 1550 4讨论 15400 200 400 600 8001000 时间s 4,1中间包非等温流的数值模拟 图840t中间包内温度分层现象 图7所示为中间包内存在温差时钢水流动情 Fig.8 Temperature stratification in a 40t slab tundish by di- rect measurement 况的数值模拟结果，数值模拟描述的中间包内非 (2)停留时间.在相同条件下，利用向入流 等温流过程与水模拟观察结果十分吻合，其对临 加入铜屑作示踪剂、在结晶器内多次（每5s一次） 界条件的模拟也证实了水模型研究结果 取钢水样分析的方法，直接测定钢水在40t板坯 中间包内的停留时间.图9是测得的示踪剂的质 量分数曲线.图中可见，即使没有挡板，中间包内 也没有短路流动，测得的平均停留时间与等温条 件下的结果相差较大，值得指出的是，车间为了 延长钢水停留时间，按等温水模拟提出的方案，在 0.08 80.07 0.05 无挡板 0.04 有挡板 0.03 0.02 0.01 0 2004006008001000 (@正温差 b)负温差 时间s 图7中间包非等温流动的数值模拟 图940t中间包内钢水停留时间的测量结果 Fig.7 Numerical simulation of non-isothermal flow in a Fig.9 Measured results of steel resident time distri-bution in a tundish 40 t slab tundish
。 彭世恒等 中间包内非等温流现象研究 的临界值 根据 中间包 内非等温 流 动出现 的临界 条 件 ， 由水模型 的实验条 件 ， 可 以计算 出相应 的 值 水的密度与温度 的关系式为 尸 “ 一 一 ， 则 ℃ 时水 的膨 胀 系 数 为 ’ 由式 可以得到 中间包准数 的计算式 ， 禽 乙白 一一百 ‘ 一 △ 一 火 · 一 ， △ △ 二 实验得 到 的入 流 与 中间包 内流 体 之 间温 差 士 ℃ 是 中间包 内出现 自然 对 流 非等温 流 动 的 临界温差 ， 则 相 应 的临界 为 即 当 大于 时 ， 中间包 内存在 非 等温 流 动 ， 的 值越 大 ， 非 等 温 流 动越 明 显 当 小 于 时 ， 中间包 内不 存在 明显 的非 等温 流 动 ， 的值 越小 ， 强制对 流越 明显 当 的值在 左 右 时 ， 中间包 内的 自然对流现象不太 明显 ， 此 时流体 流动形态受 自然对流和强 制对流共 同控制 讨论 中间包非等温流的数值模拟 图 所示 为中间包 内存在温差 时钢水流动情 况 的数值模拟 结果 数值模拟 描述 的中间包 内非 等温流过程 与水模拟 观察结果 十分吻 合 ， 其对 临 界条件的模拟也证实了水模型研究结果 板坯 中间包内钢水流动特征 从 世 纪 年代 中 间包 开 始 工 业 应 用 以 来 ， 多数工 程技术 人 员 和 研 究工 作 者一 直将 中间 包 当作 一 种等温 反 应 器 处 理〔 ’ 〕 但 上述研 究指 出 只有在钢包和 中间包温差 小于 一 ℃ 才是等 温流 动 ， 多数条 件下 应该把 中间包看 作是 非 等温 反应器 ‘ 年 装备 中间包 的板 坯 连 铸机 在 梅 钢投 产 ， 车间组 织 了对 中间包 内典 型工 艺参数 的 直接测定 包 内上 下层 温 度 在 浇铸过 程 中 ， 选 择 中间包 内距液 面 分别 为 和 上 下 两 点 ， 插入热 电偶探头在 历 时 连 续测 量钢 水温 度 结果发 现 ， 中间包熔 池 内上 下层 存在 明 显温 差 ， 见 图 沪 侧 明 二 八 一 八 沪了八 尹卜嗽二玩、 、 、淤丫、 二书厂交 上疵菠 了 下部温度 一 时间 中间包内温度分层现象 · 已 图 碑 山 · 停 留时 间 在 相 同条 件下 ， 利用 向入 流 加入铜屑作示踪剂 、 在结晶器 内多次 每 一次 取钢水样分析的方 法 ， 直接测 定钢水在 板坯 中间包 内的停 留时间 图 是测得 的示 踪剂 的质 量分数曲线 图中可见 ， 即使没有挡板 ， 中间包 内 也没有短路流 动 ， 测 得 的平均 停 留时 间与等温条 件下 的结果 相 差 较大 值得 指 出的是 ， 车 间为 了 延长钢水停 留时间 ， 按等温水模拟 提 出的方 案 ， 在 级尔鸽酬名买货岭芝 时间 中间包非等温流动的数值模拟 图 ， 中间包内钢水停留时间的测 结果 朋 图 ， 皿 。 · · 自 · ” 口
118· 北京科技大学学报 2006年第2期 包内安置了挡墙.而对带挡墙的中间包直接测 当作非等温反应器来处理 定，钢水停留时间不是增长反而有所缩短（平均停 参考文献 留时间由640s减少到620s),这一现象可以用非 [1]Chakraborty S,Sahai Y.Effect of varying ladle stream tem- 等温流理论作出解释， perature on the melt flow and heat transfer in continuous cast. (3)流场.在直接测定证明中间包内钢水流 ing tundishes.ISIJ Int,1991,31(9):960 动为非等温流动控制后，数值模拟预测的梅钢40 [2]Joo S,Guthrie R I L.Inclusion behavior and heat-transfer t板坯中间包内钢水流动的速度场如图10所示. phenomena in steelmaking tundish operations:part I-part I,Aqueous modeling.Met Trans B,1993,24B(5):755 补入多相流模拟，可以进一步分析中间包的夹杂 [3]Lowry M L.Sahai Y.Modeling of thermal effects in liquid 物净化能力 steel flow in tundishes.Steelmaking Conf Proc,1991,74:505 [4]Sahai Y,Emi T.Physical modeling of melt flow in continuous casting tundishes//Proceedings of the International Conference on Modeling and Simulation Metallurgical Engineering and Materials Science.Beijing,1996:323 [5】盛东源.冶金过程流体流动、燃烧、传热分析中C℉D技术的 图1040t中间包内非等温条件下的流场 应用[学位论文].沈阳：东北大学，1997 Fig.10 Mathematically predicted velocity fleld in a 40 t siab [6]王建军.中间包冶金过程计算机三维数值模拟[学位论 tundish under non-lsothermal condition 文].北京：钢铁研究总院，1998 [7]彭世恒，中间包等温和非等温过程的基础研究和数值模拟 5结论 [学位论文】.长沙：中南大学，2000 [8] Wang J J,Peng S H.Hsiao T C.Analysis for flow and tem (1)根据受力分析，提出了用反应热浮力与 perature pattern in three-strand tundish of Guangzhou Steel 惯性力大小关系的无因次准数Zb作为分析中间 Works//Proceedings of the 2nd International Conference on 包内流动形态的特征准数. Continuous Casting of Steel.Wuhan,1997:101 (2)水模型实验发现，中间包内钢水流动形 [9]Sheng D Y,Hsiao T C.Study on the non-isothermal fluid flow in continuous casting tundishes.ISIJ Int,1998,38(8): 态对温度差十分敏感，中间包内出现非等温流动 843 的临界条件为26=36.62.Zb的值越大（温差越 [10]王建军，萧泽强.钢水峦度对板坯中间包流场影响的数学 大)，非等温流动现象越明显；Zb的值越小，非等 模型.钢铁研究学报，1998,10(3)：13 温流动越不明显，而强制对流作用占据主要地位. [11] 程乃良.40t中间包治金特性的实验室和工业条件下实验 (3)数值模拟和工业生产现场直接测定的结 研究[学位论文].北京：钢铁研究总院，2000 [12]Mazumdar D,Guthrie R IL.The physical and mathematical 果也验证了水模型实验的结论 modelling of continuous casting tundish systems.ISIJ Int, (4)由于炼钢车间钢坯生产环节的连接性和 1999,39(6):524 热工作条件不同，钢包与中间包之间钢水总是存 [13]Sheng D Y,Jonsson L.Investigation of transient fluid flow 在温差，2b值经常大于非等温流出现的临界值. and heat transfer in a continuous casting tundish by numerical 因此，实际中间包（尤其是大容量中间包）往往存 analysis verified with non-isothermal water model experi- ment.Met Trans B,1999,30B(5):979 在明显的非等温流动.在研究中间包内各种传递 [14】王建军，包燕平，曲英，中间包冶金学，北京：冶金工业出 过程和开发有关控制技术时，首先应该将中间包 版社，2001 Study on the formation of non-isothermal flow in a CC tundish PENG Shiheng,WANG Jianjun2),QIU Shengtao),XIAO Zeqiang 1)Central Iron&Steel Research Institute,Beijing 100081,China 2)Anhui University of Technology,Ma'anshan 243006,China 3)Northeastern University,Shenyang 110006,China ABSTRACT The formation of non-isothermal flow in a tundish was investigated in a special designed 2D water modelling system.The critical condition of the formation of non-isothermal flow was proposed to be a number Zb evaluating the sensitivity of tundish flow to temperature difference.CFD simulation of the trac- ing pattern in a water model described in the initial formation condition of non-isothermal flow.A direct measurement of temperature stratification in a 40 t tundish confirmed the existence of the non-isothermal flow. KEY WORDS tundish;non-isothermal;flow of steel;natural convection;numerical simulation
北 京 科 技 大 学 学 报 年第 期 包 内安 置 了 挡墙 而 对 带挡墙 的 中间包直 接 测 定 ， 钢水停 留时间不是增长反 而有所缩 短 平均停 留时间 由 减少到 ， 这一现象可 以用非 等温流理论作出解释 流场 在直接测定证 明 中间包 内钢水流 动为非等温流 动控制后 ， 数值模拟 预测 的梅钢 板坯 中间包 内钢水流 动 的速 度场 如 图 所示 补入多相流模拟 ， 可 以进 一 步分析 中间包 的夹杂 物净化 能力 图 中间包内非等沮条件下的流场 加耽 盆 泪 · 吐 山 结论 根 据受力分析 ， 提 出 了用 反 应 热 浮力 与 惯性力大小关系的无 因次准 数 作为分析 中间 包 内流动形 态的特征准数 水 模型 实验 发 现 ， 中间包 内钢水 流 动形 态对温度差十分敏感 ， 中间包 内出现 非等温 流 动 的临界条件为 的值越 大 温 差越 大 ， 非等温流动现 象 越 明显 的值越 小 ， 非 等 温流动越不 明显 ， 而强制对流作用 占据主要地位 数值模拟和工业 生 产现 场直接测定 的结 果也验证 了水模型 实验 的结论 由于炼钢车间钢 坯 生产环节 的连接性和 热工作条件不 同 ， 钢包 与 中间包之 间钢水 总是 存 在温差 值经常大于非等温 流 出现 的临界值 因此 ， 实际 中间包 尤 其是 大容量 中间包 往 往 存 在 明显 的非等温流动 在研 究 中间包 内各种 传递 过程和开发有关 控 制技术 时 ， 首先 应 该将 中间包 当作非等温反应器来处理 参 考 文 献 ， 苗 畔 公 】 川 ， ， ， 一 呢 一 班 ， 昭 因 ， ， ， 《记 卿 曰 日懈 远 山 如阁记嗯 〔 ” 犯 ， ， 巨 ， 眼 访 呢 飞 碰 飞 昭 ， 【 盛东源 冶金过程流体流动 、 燃烧 、 传热分析中 技术的 应用 学位论文 〕 沈阳 东北大学 ， 【 王 建军 中间包 冶金 过 程计算 机三 维数值模拟 【学 位论 文 北京 钢铁研究总院 〔 〕 彭世恒 中间包等温和非等温过程的基础研究和数值模拟 【学位论文〕 长沙 中南大学 ， 」 眼 ， 一 昭 冶 ， 了 ， 一 主 助 眼 巧 玩 ， ， 【 」 王建军 ， 萧泽强 钢水密度对板坯 中间包流场影 响的数学 模型 钢铁研究学报 ， ， 【 〕 程乃 良 中间包冶金特性的实验室和工业条件下实验 研究〔学位论文 〕 北京 钢铁研究总院 ， 二 ， 吃 ， 这 ‘ 衍 外 一 · 介 ， ， 【 」 王建军 ， 包燕平 ， 曲英 中间包冶金学 北京 冶金工 业 出 版社 ， 一 咫 、 人 ， ， 人 脚 ， 认 ， 吃 ， 】 ， ， ， ， ， 一 一 一 一 一
