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