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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