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