连铸中间包钢水夹杂物浓度的数值模拟

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.03.006 第26卷第3期 北京科技大学学报 Vol.26 No.3 2004年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2004 连铸中间包钢水夹杂物浓度的数值模拟 张炯明”邓凤琴”王文科”王新华”牟济宁》唐海波)汪宁2) 1)北京科技大学冶金与生态学院，北京1000832)宝山钢铁公司炼钢部，上海201941 摘要以宝钢二连铸50t“T型”中间包为研究对象，采用有限差分方法，计算了中间包的三 维流场、温度场及量纲为1的夹杂物浓度的分布，分析了中间包的内部结构、中间包钢水液面 高度及夹杂物当量直径对夹杂物排出率的影响.结果表明，双坝、堰“T型”中间包对夹杂物上 浮十分有利. 关键词T型中间包：流场：浓度：夹杂物 分类号T℉777 中间包的流动控制是连俦中有效去除夹杂 稳态， 物的重要手段之一，中间包内钢水流动、传热的 1.2基本方程 数值模拟已成为中间包设计及优化的有效手段 根据质量及动量守恒原理，可写出直角坐标 Jo0S对槽型和楔型中间包温度场进行了模拟， 系下中间包内钢液三维湍流流动方程，详见文献 详细分析了中间包的坝、堰位置及尺寸对钢水流 [6:与流场耦合的温度夹杂物浓度方程的基本形 动的影响，进而对中间包结构进行优化四.Asai等 式如下： 应用三维数模模拟了中间包湍流流场，分析了湍 ∂T aT OT p.uOx+p.ytp.w 流对连铸中间包流场的的影响，并用此模型预报 a ,工r 0 (1) 了在各种操作条件下对非金属夹杂物的捕捉冈， dy bc Tacke和Ludwig论述了为计算浓度场和夹杂物 p Bytp.(wtw.)0 0z 的去除建立的方程与所作的假设，并利用此三维 品o要+o.+8o,沿 (2) 模型进行了模拟).文献[4,5]对矩形中间包流场 式中，p为钢液的密度，kgm';B为钢液的热膨胀系 也作过数值计算.本文以宝钢二连铸50t“T型” 数：T为中间包钢水的温度，℃：为钢水的导热系 中间包研究对象，采用C℉X商业软件，计算中间 数，Wm·℃)：P。为考虑到热浮力后钢水的密度， 包的三维流场、温度场及夹杂物的量纲为1的浓 kgm,计算流场及温度场时，考虑到温度对流场 度（以下简称浓度）的分布，分析了中间包的内部 的影响，流体密度p.=p[1-(T-T)小：C为夹杂物 结构、中间包钢水液面高度及夹杂物当量直径对 粒子浓度；D为夹杂物粒子有效扩散系数，ms, 夹杂物排出率的影响. D,=D+D,=总+。，Sc为层流的斯密特数，S为 计算所用到的参数为T型50t中间包，四壁 湍流的斯密特数：w,为夹杂物的上浮速度，m/s;T, 的倾斜角度为11.6°，计算所选用的钢液面高度为 为参考温度，取水口入口温度1500℃. L.=950-1150mm,钢液的密度p=7020kg/m,分 子粘性系数μ=0.00555kg/(ms). 2边界条件及数值求解 1数学模型 2.1边界条件 ()根据拉速，采用流量相等的原理，确定入 1.1假设条件 口速度，k,为速度的函数， (1)流体为不可压缩的粘性流体；(2)忽略中 (2)中间包出口.4，，w,ke,T,C各物理量沿 间包钢水液面的波动：(3)中间包钢水流动为 中间包出口法线方向的导数为零. 收稿日期2002-11-26张焖明男，38岁，副教授，博士

第 2 6 卷 第 3 期 2 0 0 4 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l 0 f U n vi e r s yit o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o yg B e ij i n g V b l . 2 6 N o . 3 J U n 。 2 0 0 4 连铸 中间包钢水夹杂物浓度 的数值模拟 张炯 明 ” 邓凤琴 ” 王 文 科 ” 王新 华 ” 牟济 宁 ” 唐海 波 2 , 汪 宁 2 , l) 北 京科技大 学冶金 与 生态学 院 , 北京 10 0 0 8 3 2) 宝 山钢 铁 公 司炼钢 部 , 上海 加 19 41 摘 要 以宝钢 二连 铸 5 0 t ` ,T 型 ” 中间包 为研 究 对象 , 采用 有 限差 分方 法 , 计算 了中 间包 的三 维流场 、 温度 场及 量纲 为 1 的夹杂物 浓度 的分 布 , 分 析 了 中间包 的 内部 结构 、 中间包钢 水液 面 高度及 夹杂 物 当量直 径对 夹杂物 排 出率 的影 响 . 结 果表 明 , 双 坝 、 堰 ` ,T 型 ” 中间包 对夹 杂物 上 浮 十分 有 利 . 关键 词 T 型 中间包 ; 流场 ; 浓度 ; 夹 杂物 分类号 T F 7 7 7 中 间包 的 流 动 控 制 是 连铸 中 有 效 去 除 夹 杂 物 的重要 手 段 之一 , 中 间包 内钢 水流 动 、 传 热 的 数 值模 拟 己成 为 中间包 设 计及 优化 的有效 手段 . oJ 0 S 对 槽 型 和楔 型 中 间包温度 场 进 行 了模 拟 , 详 细 分析 了 中 间包 的坝 、 堰位 置及 尺 寸对 钢水 流 动 的影 响 , 进而 对 中间包 结构 进 行优 化「l] . A s ia 等 应 用 三维 数模 模拟 了中 间包湍 流流 场 , 分 析 了湍 流 对 连铸 中 间包流 场 的 的影 响 , 并用此 模 型预 报 了在 各种 操 作 条 件下 对 非金 属 夹 杂物 的捕捉 `2] . aT c ke 和 uL dw ig 论 述 了 为计 算浓 度 场 和夹 杂 物 的去 除建 立 的方程与 所作 的假设 , 并 利用 此三 维 模 型进 行 了模 拟 `3, . 文献 4[, 5] 对 矩形 中间 包流 场 也 作过 数值 计 算 . 本文 以宝钢 二 连 铸 50 t “ T 型 ” 中 间包 研 究对 象 , 采用 C F X 商 业 软件 , 计 算 中 间 包 的三 维流 场 、 温度 场及 夹 杂物 的量 纲 为 1 的浓 度 ( 以下 简称 浓度 ) 的分布 ,分 析 了 中间包 的 内部 结 构 、 中 间包钢 水液 面 高度 及夹 杂物 当量 直 径对 夹杂物排 出率 的影 响 . 计算 所 用 到 的参 数为 T 型 50 t 中 间包 , 四壁 的倾斜 角度 为 n . o6 , 计算 所选 用 的钢液 面 高度 为 L : = 9 5 0一 1 15 0 n , 钢 液 的密度 P = 7 02 0 k g/ m 3 , 分 子 粘 性 系数召 = .0 0 5 5 叼m( · 5) . 稳 态 . 1 .2 基 本方 程 根据 质 量及 动 量 守恒 原 理 , 可 写 出直 角坐 标 系 下 中 间包 内钢 液 三 维湍 流 流动 方 程 ,详 见文 献 6[ 」; 与 流场 藕合 的温 度 夹杂 物浓 度 方程 的基 本形 式 如下 : , n U 知 日 , _ a C ’ 、 . 刁 , 。 刁C ` 、 . 刁 , 。 刁C ’ 、 气 叹- 一叹丈夕厂二可一一 J十 , 苏厂一 LL 沪〔 , 苏下一 )十 , 石万一气L 沪巴一苏产一 , o x ’ U x 一 口 y 一 口少 口 z 口 z , 。 a T 、 t式一胃尸一 J ! l j 0 2 - ( 2) 式 中 , p 为钢 液 的密度 , k g /in 3 ; 刀为钢 液 的热膨 胀 系 数 ; T为 中 间包钢 水 的温 度 , ℃ ; 又为 钢水 的导热 系 数 , W/ m( · ℃ ) ; P 。 为考 虑 到 热 浮 力后 钢 水 的密 度 , gk m/ , , 计 算 流 场及 温度 场 时 , 考 虑 到 温度 对 流 场 的影 响 , 流 体 密度 p 。 = 凤1一 斑-T 大) ] ; c ’ 为夹 杂 物 粒 子 浓度 ; eD 为夹 杂 物粒 子 有 效扩 散系 数 , 耐s/ , cD 一 D +tD 一 素 十金 , cS 为 层 流 的 斯 密 特 数 , ctS 为 湍 流 的斯 密 特数 ; w r 为夹 杂物 的上浮 速度 , 耐 s ; 界 为参 考 温度 , 取 水 口 入 口 温 度 15 0 ℃ . 1 数 学 模 型 L l 假 设 条件 ( l) 流 体 为不 可压 缩 的粘性 流 体 ; ( 2) 忽略 中 间 包 钢 水 液 面 的 波 动 ; ( 3) 中 间 包 钢 水 流 动 为 收稿 日期 2 0 -2 n 一6 张炯 明 男 , 38 岁 , 副教 授 , 博士 2 边 界 条件 及 数 值 求 解 .2 1 边 界 条 件 ( l) 根 据拉 速 , 采 用 流量 相等 的原理 , 确 定入 口 速 度 , k , 。 为 速 度 的 函数 . (2 ) 中 间包 出 口 . u , v , w , k, 。 , T, ’C 各 物 理量 沿 中 间包 出 口 法线 方 向的 导数 为 零 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 03. 006

·248. 北京科技大学学报 2004年第3期 ou dv ok de (3)中间包钢液顶面.z222w0: 22数值求解 钢液顶面的热流量为q,夹杂物的通量为C4. 由于中间包的形状较为复杂，C℉X分块中共 (4)固体壁面上的速度为0：k,ε采用壁面函数 分109块，每块同时计算，最终组成整体中间包. 法来计算：钢液顶面的热流量为qm:夹杂物浓度 所划分的网格数量为78×(45-20)×20，如图1所 为0. 示.二连铸中间包结构比较复杂，回流范围比较 (⑤)入口，入口处速度根据拉速折算成中间包 大，得到收敛的速度场很困难，为此在各方程4， 入口处速度，规定温度为一常数，规定夹杂物浓 V,w,k,e,p,T采用变欠松驰因子，初始速度假定 度为1. 为零.计算时质量源项残差为0.001. (a)计算区域的主网格 b)入口、出口处的的计算网格 图1差分网格 Fig.1 Difference grids 3 计算结果 1537℃，进出口温差仅为3℃.这些截面的等温线 的形状受到钢水的流动速度的影响. 3.1中间包流场与温度场的计算结果 3.2中间包钢水夹杂物浓度分布计算结果 图2为液面高度为1050mm时中间包内钢水 图4为中间包钢水液面高度为1050mm,双 不同截面流场.由此可见，y=0,xoz截面钢水经过 坝、堰情况下，100m夹杂物浓度在中间包内各 一道坝向斜上方流动，之后再经过堰向斜下方流 个截面分布的等势线.由此可见，钢水从大包长 动，在堰的右边形成一回流区，而在靠近左部包 水口进入中间包后，在长水口下方很小的区域， 壁产生一相对小些的回流区：y=1.45m,xoz截面 夹杂物浓度较大（在0.8~1.0之间），之后快速减 的流动回流区较为明显.x=0,y0z截面中间包入口 小，如图4(b),(c)所示.由于钢水的流速相对较大、 处的速度很大，进入中间包后钢水的速度迅速降 时间较短，流进中间包内钢水的夹杂物上浮率相 低，钢水的回流并不明显， 对也较低.在此以后，由于中间包内钢水的速度 图3为液面高度为1050mm时中间包钢水不 方向的变化，夹杂物排除率有所增加，最终流进 同截面温度分布，由此可见，中间包钢水的顶面 结晶器浸入式水口的夹杂物浓度为0.30左右，如 温度要比其他位置低些，如果大包长水口处钢水 图4(a)所示. 的注入温度为1540℃（最高温度），则中间包内钢 33工艺因素对中间包钢水夹杂物排出率的影响 水的最低温度约为1530℃，钢水最低温度的位置 (1)不同夹杂物颗粒尺寸对排除率的影响， 在y一0，xoz截面中间包钢水顶面的右上角，如 图5为中间包内钢水高度1050mm,双坝、堰情况 图2(a)所示.在中间包出口处钢水的温度约为 下，对应不同夹杂物当量直径的夹杂物排出率. x=0 y=1.45 (a) (b) (c) 图2中间包钢水各个截面的流场 Fig.2 Flow fields of various sections in the tundish

一 2 4 8 北 京 - a 己 日 v u 刁￡ k 2 4 科 技 大 学 学 报 年 第 期 3 0 0 ( 中 间包钢 液顶 面 3 ) . = 毛百飞牙 不 二 下 = w 二 0 钢液 顶 面 的热 流量 为 q l ; 夹 杂 物 的通c 量 为 公 [ ] 7 5 . ( 4 固体 壁 面上 的速 度 为 ) 0 ; , k : 采 用壁 面 函 数 法 来计 算 ; 钢 液顶 面 的热 流 量 为创 7] ; 夹 杂物 浓度 为 0 . (5 )入 口 . 入 口 处速 度 根据 拉速折 算 成 中间包 入 口 处 速度 , 规 定温 度 为一 常 数 , 规 定夹 杂 物浓 度 为 1 . .2 2 数 值 求解 由于 中间包 的形 状 较 为复 杂 , C F X 分块 中 共 分 109 块 , 每 块 同 时计算 , 最终 组 成整 体 中 间包 . 所划 分 的 网 格 数量 为 7 8 X (4 5一 2 0 ) x Z o , 如 图 l 所 示 . 二 连 铸 中 间包 结构 比较 复 杂 , 回流 范 围 比 较 大 , 得 到 收敛 的速度 场 很 困难 , 为此 在 各方 程 u , 、 , w , k , 。 , p , T采用 变 欠 松 驰 因子 , 初 始速 度 假 定 为零 . 计算 时质量 源 项残 差 为 .0 0 01 . J 、 产 / 、 ! J , 图 1 差分 网格 F i g . 1 D i fe er n c e g r i d s 3 计 算结 果 15 37 ℃ , 进 出 口 温 差仅 为 3oC . 这 些截 面 的等温 线 的形 状 受 到钢 水 的流 动速 度 的影 响 . 3 . 1 中间包 流场 与 温度 场 的计 算 结 果 3 .2 中间包 钢水 夹 杂物 浓 度 分布 计 算结 果 图 2 为液 面 高度 为 1 05 0 m m 时 中间包 内钢水 图 4 为 中间包 钢 水液 面 高度 为 1 05 0 ~ , 双 不 同截 面流 场 . 由此 可见 , y = 0 , x oz 截 面钢 水 经过 坝 、 堰 情 况下 , 10 0 林m 夹 杂物 浓度 在 中 间包 内各 一道 坝 向斜 上方 流动 , 之 后 再经 过堰 向斜 下 方流 个截 面 分布 的等势 线 . 由此 可见 , 钢 水 从大 包 长 动 , 在堰 的右边 形 成一 回流 区 , 而 在 靠近 左 部包 水 口 进 入 中 间包后 , 在 长水 口 下 方很 小 的 区 域 , 壁产 生 一相 对 小些 的 回流 区 ; y =l , 45 m , x 二截 面 夹杂 物 浓度 较 大 ( 在 0 . 8一 1 . 0 之 间) , 之后 快 速减 的流 动 回流 区较 为 明显 . =x o , y oz 截 面 中间包 入 口 小 , 如 图4 (b) , ( c) 所 示 . 由 于钢水 的流 速相 对较 大 、 处 的速度 很 大 , 进入 中 间包后 钢 水 的速度 迅速 降 时 间较 短 , 流进 中 间包 内钢 水 的夹 杂物 上浮 率相 低 , 钢 水 的回 流并 不 明显 . 对 也 较 低 . 在此 以后 , 由于 中间包 内钢水 的速 度 图 3 为 液面 高度 为 1 0 5 0 ~ 时 中间包 钢 水不 方 向的 变化 , 夹 杂物 排 除 率 有所 增加 , 最 终 流进 同截 面温 度 分 布 . 由此 可见 , 中 间包钢 水 的顶 面 结 晶器浸 入 式水 口 的夹 杂物 浓度 为 .0 30 左 右 , 如 温度 要 比 其他 位 置低 些 , 如 果大包 长 水 口 处 钢水 图 4 ( a) 所示 . 的注 入温度 为 1 5 40 ℃ ( 最 高温度 ) , 则 中 间包 内钢 3 .3 工 艺 因 素对 中间包 钢水 夹杂 物排 出率的 影响 水 的最低温 度 约 为 1 53 0 ℃ , 钢 水最 低温 度 的位 置 ( l) 不 同夹 杂 物 颗 粒 尺 寸 对 排 除率 的影 响 . 在厂0 , x 二 截 面 中 间 包 钢 水 顶 面 的 右 上 角 , 如 图 5 为 中间包 内钢水 高度 1 0 5 0 m m , 双 坝 、 堰情 况 图 2 (a) 所 示 . 在 中 间 包 出 口 处 钢 水 的温 度 约 为 下 , 对 应不 同夹杂 物 当量 直径 的夹 杂物 排 出率 . ùóō 耳猾. 卜一 门叮! } 一 : 料黑戳{ }二下犷 7即启〔刁 2 叫 2宁【一田 那 百日E刃2 田 习日〔 〔2 的 习二E + OD 黑豁 宁 黔 1一 一 J ` 了 护 ` 产 J / ’ J 犷 , , ` , f 了; 、 一 、 「 、 一 」 . . ` 、 `一 ’一 ; {) ; . !…{ 」 ) i 图 2 中 间包钢 水各个 截面 的流 场 F i g . 2 F l o w if e l d s o f v a r i o u s s e e t i o n s i n t h e t u n d is h

VoL.26 No.3 张炯明等：连铸中间包钢水夹杂物浓度的数值模拟 ·249· b) (c) 50E+0 y=0 比=0 v=1.45 图3中间包钢水各个戴面的温度场 Fig.3 Temperature distributions of various sections in the tundish 1a0006+0 (b) () 进0架5列 2230延0 66E-0 =0 S000E-01 x=0 y=1.45 图4中间包钢水各个截面的夹杂物浓度 Fig.4 Dimensionless inclusion concentration distributions of various sections in the tundish 80 50 中间包出口处夹杂物浓度可以用公式：C出如= 70 残留率 45 60 40 1-C,A,/g来描述，增加液面高度相当于增加中间 50 35 础 包顶部钢液面的面积（中间包壁具有锥度），这样 40 排除率 30 夹杂物的出口浓度将有所减小，由于小尺寸夹杂 25 物顶面的浓度较低，所以钢液面高度对其排除率 20 20 0 % 100 150 影响显著，对大尺寸夹杂物刚好相反.此外，中间 夹杂物当量直径μm 包内钢水液面高度由950mm增加到1050mm对 图5夹杂物当量直径对中间包夹杂物排出率的影响 夹杂物排除率的影响要比由1050mm增加到 Fig.5 Influence of effective diameter on the floating rate 1150mm时的影响明显，即当液面高度增加到一 of inclusion 定程度时，再靠增加液面高度来确保夹杂物的去 可以看出，随夹杂物当量直径的增加，夹杂物的 除，其效果不理想 排除率也相应增加，且影响较为显著，当夹杂物 80 当量直径由20μm增加到50μm时，夹杂物的排 液面高度m 70 ◇-1.15 除率仅增加2%，而当夹杂物当量增加到50μm以 ●-1.05 60 上时，夹杂物的排除率增加得更为显著，夹杂物 ±-0.95 当量直径为150um时，夹杂物的排除率高达 50 75%. 40 0 50 100 150 200 (2)不同钢液面高度对夹杂物排除率的影响. 夹杂物当量直径um 图6表示中间包内钢水液面高度对各种尺寸夹杂 物的排除率的影响.随着中间包内钢水液面高度 图6各种液面高度下，不同尺寸夹杂物的排除率 Fig.6 Influence of the depth of liquid steed on the floating 的增加，夹杂物排除率相应有所增加，在夹杂物 rate of inclusion 尺寸较小时，液面高度的增加对夹杂物的去除更 为有利，夹杂物颗粒的当量直径为20μm时，中间 (3)中间包结构对夹杂物排除率的影响.中间 包钢水液面高度由950mm增加到1150mm,增加 包内钢液面高度为1050mm的情况下，中间包结 了200mm,中间包钢水中夹杂物的排除率由 构对夹杂物排除率的影响如图7所示.中间包内 45.8%增加到51.8%，增加了6%.但夹杂物颗粒尺 设置坝、堰后，中间包内钢液的流动形式发生改 寸较大时，中间包内钢液面高度对夹杂物去除影 变，同时中间包内钢水的停留时间增长，有利于 响得不显著，夹杂物当量直径为150μm时，中间 夹杂物的上浮，对于尺寸较小的夹杂物，中间包 包内钢水液面高度增加200mm,夹杂物排除率仅 内设置挡墙对其排出率影响得不显著，中间包设 增加不到1%.假定中间包入口处浓度等于1，则 置三坝、堰（在宝钢原有中间包T型交接处增设一

M 〕1 . 2 6 N 0 . 3 张炯 明 等 : 连 铸 中间 包钢水 夹 杂物 浓度 的数 值 模拟 . 2 4 , . 图 4 中 间包钢 水各 个截面 的夹 杂物 浓度 F i g · 4 D ha e n s i o n l e s s i n e l u s i o n c o n e e n t r a ti o n d is t r i b u t i o n s o f v a ir o u s s e e it o n s i n t h e t u n d is h 哥田徽导嵌袱芝 n ō I é八”以、 气曰`nnJ à 月斗4 内玛jJ 22 八”U0 曰 00 兄ù nU 7 了O ō工J 4 八j ,` 瓣渔ù不导锻深求、 研些一不娜铁袱芝 0 5 0 1 0 0 15 0 夹 杂物 当 量直径 /卿 图 5 夹 杂物 当量 直径 对 中 间包夹 杂物 排 出率 的影 响 F ig · 5 I n flu e n c e o f e fe e t ive d i a m e t e r o n ht e fl o a t in g r a et o f in C l u s i o n 可 以看 出 , 随夹 杂物 当量 直径 的增 加 , 夹杂物 的 排 除率也 相应 增 加 , 且 影 响较 为 显 著 . 当夹 杂 物 当量 直 径 由 2 0 脚 增 加 到 50 林In 时 , 夹 杂 物 的排 除率 仅 增 加 2% , 而 当夹 杂物 当量增 加 到 50 林In 以 上 时 , 夹杂 物 的 排 除率 增 加得 更 为 显著 , 夹 杂 物 当 量 直 径 为 150 p n l 时 , 夹 杂 物 的 排 除 率 高 达 75 % . (2 )不 同钢 液面高 度对 夹 杂物 排 除 率 的影 响 . 图 6表 示 中 间包 内钢 水液面 高度对 各 种尺 寸夹 杂 物 的排 除 率 的影 响 . 随着 中间包 内钢 水 液 面高 度 的增 加 , 夹 杂 物 排 除率 相应 有 所 增 加 . 在 夹杂 物 尺 寸较 小 时 , 液面 高度 的增 加对 夹 杂物 的去 除更 为有 利 , 夹 杂物 颗 粒 的 当量直 径 为 20 林m 时 , 中 间 包钢 水 液 面 高度 由 9 50 r n r 。 增 加 到 1 150 ~ ,增 加 了 加 0 ~ , 中 间包 钢 水 中夹 杂 物 的 排 除 率 由 45 . 8% 增 加 到 51 . 8% , 增 加 了 6 % . 但 夹 杂物 颗粒 尺 寸较大时 , 中间包 内钢 液面 高度对 夹杂 物 去 除影 响得 不 显 著 , 夹杂 物当量 直 径为 巧 0 卿 时 , 中 间 包 内钢水 液 面高 度增 加 2 0 ~ , 夹 杂物 排 除率 仅 增加 不 到 1% . 假 定 中间包 入 口 处浓 度 等于 1 , 则 中 间 包 出 口 处 夹 杂 物 浓 度 可 以用 公 式 日1 : C 出口 二 1一 sC sA v z 勺来 描述 , 增 加液 面 高度 相 当于增 加 中 间 包 顶 部钢 液 面 的面积 ( 中间包 壁具 有 锥 度 ) , 这 样 夹杂 物 的 出 口 浓 度 将 有所 减 小 , 由于 小尺 寸 夹杂 物 顶 面 的浓 度较 低 , 所 以钢 液面 高度 对 其 排 除率 影 响显著 , 对 大尺 寸夹 杂 物 刚好 相反 . 此外 , 中 间 包 内钢 水 液面 高 度 由 9 50 ~ 增加 到 I O5 0 m m 对 夹 杂 物 排 除 率 的 影 响 要 比 由 1 0 50 ~ 增 加 到 1 巧 0 ~ 时 的影 响 明 显 , 即 当液 面 高度 增 加 到一 定程 度 时 , 再靠 增 加液 面 高度来 确 保夹 杂 物 的去 除 , 其 效 果不 理 想 . 二 鬓剔 户 5 0 1 0 0 1 5 0 夹 杂物 当量 直径 /娜 图 6 各种 液 面高度 下 , 不 同尺寸 夹 杂物的排 除 率 F ig . 6 I n fl u e n c e o f t h e d e P th o f il q u id s t e e d o n t h e fl o a t in g r a t e o f in e lu s i o n (3 ) 中间包 结 构对 夹 杂物 排 除率 的影 响 . 中 间 包 内钢 液 面 高度 为 1 05 0 ~ 的情况下 , 中间包 结 构对 夹 杂 物 排 除率 的 影 响如 图 7 所 示 . 中 间包 内 设置 坝 、 堰 后 , 中 间包 内钢 液 的流动 形 式 发 生 改 变 , 同时 中 间包 内钢 水 的停 留 时 间增长 , 有利于 夹 杂物的 上浮 . 对 于尺 寸 较小 的夹 杂物 , 中 间包 内设 置挡 墙 对其排 出率影 响得不 显 著 , 中 间包 设 置三 坝 、 堰 (在宝 钢 原有 中间包 T 型交接处 增 设一

·250· 北京科技大学学报 2004年第3期 高450mm的坝)与无坝、堰相比，20m的夹杂物 率也相应增加，且夹杂物尺寸对其排除率影响较 的排出率由47.1%增加到49.6%，仅增加了2.5%， 为显著，当夹杂物当量直径较小时，夹杂物排除 而150μm的夹杂物排出率却由69.4%增加到 率变化不大；但当夹杂物尺寸较大时，夹杂物排 82%,增加了12.6%.显然这是由于中间包内钢水 除率会明显增高， 的流动对尺寸大的夹杂物影响更显著所致.三 (4)中间包内钢水的液面高度对夹杂物的排 坝、堰的中间包内钢水较双坝、堰的中间包内钢 除率有影响，增加钢水液面高度，能够增加夹杂 水各种夹杂物的平均排除率增加3.22%（假定夹 物的排除率，但钢液面高度对小尺寸夹杂物排除 杂物平均分布)，对于100m以上的夹杂物，优 率的影响更为显著. 化后中间包去除夹杂物的效果就更为明显，夹杂 (5)中间包的结构对中间包内钢水夹杂物的 物平均排除率增加了5.41% 排除率有影响.三坝、堰中间包较双坝、堰的中间 90 包能够显著提高大尺寸夹杂物的排除率， 80 0-三坝、堰 ·双坝、堰 70 参考文献 ★无坝、堰 60 1 Joo S,Guthrie RI L.Heat flow and inclusion behaviour in 50 a tundish for slab casting [J].Can Metall Q,1991,30(4): 40 261 0 50 100 150 200 2 Asai S,Szekely J.Tundish flow and its effects in continu- 夹杂物当量直径μm 图7各种坝、堰组合情况下，不同尺寸夹杂物的排除率 ous casting [J].Ironmaking steelmaking,1975(3):205 3 Fig.7 Influence of the structure of dam and weir on the Tacke K H,Ludwig J C.Steel flow and inclusion separ- ation in continous casting tundish [J].Steel Res,1987,58 floating rate of inclusion (6:226 4 4结论 Chakraborty S,Sahai Y.Mathematical modeling of trans. port phenomena in continuous casting tundishes:Part 2 (1)本文采用CFX商业软件，计算宝钢50t Transient effects owning to varying ladle stream tempera “T型”中间包的流场、温度场及夹杂物的量纲为 ture []Ironmaking Steelmaking,1992,19(6):488 1的浓度分布，计算结果与其他文献的计算结果 5贺友多，Sahai Y.不同因素对连铸机中间包流场的 影响[】.金属学报，1989,25(4)：53 一致， 6刘中兴，贺友多，板坯连铸机中间包流场研究[) (2)在大包长水口入口温度不随时间变化的 化工冶金，1993,14(2)：102 前提下，虽然中间包内钢水的最大温降接近10℃ 7 Joo S.Han J W,Guthrie RIL.Inclusion behavior and heat- (最高与最低温度之差)，但中间包出口与入口的 transfer phenomena in steelmaking tundish operations: 温差相对较小，仅为3℃ Part III,Applications-computational approach to tundish (3)随夹杂物当量直径的增加，夹杂物的排除 design [J].Metall Trans B,1993,24B:779 Numerical Simulation of Dimensionless Inclusion Concentration in T-Shape Tun- dishes ZHANG Jiongming",DENG Fenggin,WANG Wenke,WANG Xinhua,MOU Jining,TANG Haibo, WANG Ning 1)Metallurgical and Ecological School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Steel-making Department,BaoSteel Co,Shanghai 201941,China ABSTRACT The three-dimensional flow field,the temperature distribution and the dimensionless inclusion con- centration in a T-shape tundish was studied by SIMPLE method.The influences of particles diameter,inner structure of the tundish and the depth of liquid steel on the ratio of removed inclusion particles were discussed.The results indicated that inclusions could be removed easily from liquid steel with double dam and weir in T-shape tundishes

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 4 年 第 3 期 高 4 50 ~ 的坝 )与无 坝 、 堰 相 比 , 20 林m 的夹 杂物 的排 出率 由 47 . 1% 增加 到 4 .9 6% , 仅增 加 了 .2 5% , 而 150 林m 的 夹 杂 物 排 出率 却 由 6 9 . 4% 增 加 到 8 2% , 增 加 了 12 . 6% . 显 然这 是 由于 中间包 内钢水 的流 动 对 尺 寸大 的夹杂 物影 响更 显 著 所 致 . 三 坝 、 堰 的 中 间包 内钢 水较双坝 、 堰 的 中 间包 内钢 水各 种夹 杂 物 的平 均排 除 率增 加 3 . 2 % ( 假 定夹 杂物 平均 分 布 ) , 对 于 10 林m 以上 的夹 杂物 , 优 化后 中 间包 去 除夹 杂物 的效 果就 更 为 明显 , 夹杂 物平 均排 除 率增 加 了 5 . 41 % . 率 也相应 增加 , 且夹 杂物 尺 寸对其 排 除率 影 响较 为 显著 . 当夹 杂物 当量 直径 较小 时 , 夹 杂物 排 除 率变 化 不大 ; 但 当夹杂 物尺 寸较 大时 , 夹杂 物排 除 率会 明显 增 高 , (4 ) 中 间包 内钢 水 的液面 高度对 夹 杂物 的排 除率 有影 响 . 增加 钢 水 液面 高度 , 能 够 增加 夹 杂 物 的排 除率 , 但 钢 液 面高度 对小尺 寸夹杂物 排 除 率 的影 响更 为 显 著 . (5 ) 中 间包 的结 构 对 中 间包 内钢 水夹杂 物 的 排 除率 有影 响 . 三坝 、 堰 中间包 较双 坝 、 堰 的 中间 包 能够显 著提 高大 尺 寸夹 杂物 的排 除率 . 参 考 文 献 哥渔不娜架怅芝监 夹 杂物 当 量直径 /脚 图 7 各种 坝 、 堰组 合情况下 , 不 同尺寸 夹杂物 的排 除率 F ig . 7 I n fl u e n e e o f th e s t r u e t u r e o f d a m a n d w e ir o n ht e flo a t in g r a t e o f i n e lu s io n 4 结论 ( l) 本 文采 用 C FX 商 业软 件 , 计算 宝 钢 50 t “ T 型 ” 中间 包 的流场 、 温度场 及夹杂 物 的量 纲 为 1 的浓 度分 布 , 计算 结 果 与其 他文 献 的 计算 结 果 一 致 . (2 ) 在大 包长 水 口 入 口 温度 不 随 时 间变 化 的 前提 下 , 虽然 中 间包 内钢水 的最 大温 降接近 10 ℃ ( 最 高与 最低 温度 之差 ) , 但 中间包 出 口 与入 口 的 温差 相对 较 小 , 仅 为 3 ℃ , (3 ) 随夹杂 物 当量直 径 的增加 , 夹 杂 物 的排 除 J o o S , G u th r l e R 1 L . H e at fl o w an d in e lu s i o n b e hva i o ur i n a tU n d l s h fo r s l ab e a s int g [ J] . C an M e at ll Q , 19 9 1 , 3 0 ( 4 ) : 2 6 1 A s ia S , S z e k e ly J . TUn d i s h fl ow an d it s e fe e t s in e o int nu - o u s e a s int g [J ] . I r o nm a k i n g s et e iln ak ing , 1 97 5 ( 3 ) : 2 0 5 介c k e K H, L u dw ig J C . S et e l fl o w an d in e l u s i o n s eP ar - iat o n i n c o n ti n o u s c as ti n g ot n dl s h [J] . St e e l eR s , 1 9 8 7 , 5 8 ( 6) : 2 2 6 C h a kr a b o yrt S , Sal a l Y Mhat em at i e a l m o d e li n g o f tr a n s - P o rt Ph e no m e n a in e o in inu o u s c a st in g t l l n d l s h e s : P art Z 肠a n s i ent e fe e t s o w n in g ot v a r y lng l a dl e s etr am t e m P ear - trU e [月 . I or nm a k i n g Set e l m a ki n g , 19 9 2 , 19 ( 6 ) : 4 88 贺友 多 , Sal a i 丫 不 同因素对 连铸 机 中间包 流场 的 影 响 明 . 金 属 学报 , 19 8 9 , 2 5 ( 4 ) : 5 3 刘 中兴 , 贺友 多 . 板坯 连铸 机 中 间包 流场 研究 [J] . 化工 冶金 , 1 9 93 , 14 (2 ) : 1 0 2 J o o S , H an J W, G u th r i e R I L . nI e l u s i o n b e h a v i o r即 d h e at - t r a n s fe r 一 Ph e n o m e n a i n s et e ln a k l n g tu n d l s h o P e r iat o sn : P art l , A PP li c iat o n s代 o m Put a it o n a l a P Por ac h ot t lJl ldi s h d e s ign [ J ] . M e t a l l T r a n s B , 1 9 9 3 , 2 4B : 77 9 N u m e r i e a l S im u l at i o n o f D im e n s i o n l e s s I n e l u s i o n C o n e e n 如t i o n i n T 一 Sh ap e T Un - d i s h e S 乙从咬刀G iJ o n g 阴 i gn ,气D E那 G eF 儿 gq iln 气恻刃G 胧 n ke l气恻刃 G iX hn ua l), 五石口 U inJ i n梦 , TA N G aH ib 口z), 删N G iN 心 , l ) M e t a ll u gr i e al an d E c o l o g i e al S c h o o l , U n i v er s iyt o f s e i en c e an d eT c h n o l o gy B e ij ing , B e ij ign l 0 00 83 , C h i n a 2 ) Ste e l 一 m ak i n g D eP a r b l l e n t, B ao s et e l C o , S h助 g h a i 2 0 1 94 1 , C h l n a A B S T RA C T T七e htr e e 一 d加 e ns l o n a l fl o w if e l d , het t e m Per a ut r e id s t ir b iut on a n d het id m e n s i o n l e s s icn ut s ion e o -n e en tr a t lon i n a T 一s h a P e ot n d ihs wa s s ut d i e d b y S E讨P L E m e ht o d , hT e in if u e n e e s o f P a rt i c l e s d i am e t e 几I n n e r s it u c佃 e o f hte 切nL d i s h an d ht e d e Pht o f li iqu d s t e e l o n hte r ait o o f r e m vo e d icn hi s ion p art i e l e s w er di s e u s s e d . T h e r e s u lt s i n d i e at e d ht at in e hi s i o ns e o ul d b e r e r n o v e d e a s i ly fr om liqu i d s t e e l w iht do ub l e d am an d w e i r in T ~ s h a P e t u n di s h e s