·22 北京科技大学学报 第36卷 寸、浇注能力和控流装置对钢液流动和夹杂物去除 液流量 的影响，因此在不同中间包内控流装置的布置千差 本文引入R分析回，R分析是一种可快速有效 万别，目前没有统一的认识.本文通过正交试验，研 地找到关键影响因素和获得较优结构参数的方法. 究出水口对钢液流动行为和控流装置布置的影响， R值越大，其代表的因素越重要 这在以往的研究中较少见.综合考虑了不同结构和 1.2实验方法 流量的中间包对控流装置布置规律的影响，分析了 文中对控流装置的不同位置和不同高度进行正 控流装置位置和高度对钢液流动速度和流向的影 交试验，控流装置试验因素水平见表2所示，其位置 响：研究了钢液流动速度对夹杂物的上浮去除速度 和高度如图1所示，挡坝带有流钢孔，单个出水口流 的影响 量为163.25th-1. 1实验研究 表2中间包内控流装置布置参数 Table 2 Details of flow control device parameters 1.1实验原理及评价方法 挡坝位置 挡坝位置 本实验属于部分物理模拟，建立在相似原理的 位置 高度 挡坝 (距长水口 (距出水口 参数 参数 高度/mm 基础上，用来研究中间包过程中的关键物理现象 距离/mm) 距离/mm) 中间包内钢液流动的驱动力主要是重力，选取弗鲁 L1 1272 1503 HI 300 德准数F,作为定性准数，需保证模型与原型的几何 12 1626 1149 H2 400 相似和弗鲁德准数相似，实验中所涉及的相似比如 13 2055 720 H4 600 表1所示，其中下标m和s分别表示模型和原型. 2375 400 H3 500 表1不同结构中间包原型和模型的相似比 Table 1 Similarity ratio between the model and the prototype of slab 为研究控流装置对钢液中夹杂物行为的影响， casting tundishes 连续跟踪10个浇次对出水口结瘤情况进行统计分 参数 几何相似，入值 弗鲁德准数相似，Q值 析，采用原子光谱法对图1中位置1的钢液成分进 A厂 1/3 Qm=0.644Q. 行分析. B厂 1/2 Qm=0.758Q. 为检测中间包控流装置对钢液卷渣行为的影 C厂网 1/3 Qm=0.644Q. 响，采用中国水利科学研究院的DJ800水工测试仪 D厂g 1/3 Qm=0.644Q. 进行液面波动测量，图1中位置2为测量位置. L1 L2 L3 钢液的流动行为影响着夹杂物的运动轨迹和去 除速率。大量研究表明钢液中的大夹杂物主要 通过斯托克斯上浮的形式去除，文献2]指出大的 活塞流体积可增加小夹杂物的上浮时间.因此，钢 液在中间包内的平均停留时间（可由死区体积反 映)和活塞流体积是检验钢液流动行为的重要指 标.本文采用死区体积和活塞流体积评价钢液的流 动行为. 采用经典的Sahai模型对死区体积V和活 对称血 塞流体积V,进行计算，分别如下式所示： 图1中间包控流装置布置图 Fig.1 Schematic of the flow control device in the tundish 0·c(8)·d0 ∑6，·c(,)△9， (1) 2实验结果及分析 c(o)·do ∑c(a)4a 2.1出水口抽吸作用对钢水流动行为的影响 V4=1-0x’ (2) 出水口处钢液流动速度远大于中间包内钢液的 Vp=emin (3) 流动速度，该区域速度的不均匀分布影响周围钢液 其中，0.为量纲一的平均停留时间，0为量纲一的 的流动行为，从而影响了夹杂物的去除效果.图2 最短停留时间，V为中间包有效容积，Q为中间包钢 形象地显示了出水口吸引力对钢液流动行为的影北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 寸、浇注能力和控流装置对钢液流动和夹杂物去除 的影响，因此在不同中间包内控流装置的布置千差 万别，目前没有统一的认识． 本文通过正交试验，研 究出水口对钢液流动行为和控流装置布置的影响， 这在以往的研究中较少见． 综合考虑了不同结构和 流量的中间包对控流装置布置规律的影响，分析了 控流装置位置和高度对钢液流动速度和流向的影 响; 研究了钢液流动速度对夹杂物的上浮去除速度 的影响． 1 实验研究 1. 1 实验原理及评价方法 本实验属于部分物理模拟，建立在相似原理的 基础上，用来研究中间包过程中的关键物理现象． 中间包内钢液流动的驱动力主要是重力，选取弗鲁 德准数 Fr 作为定性准数，需保证模型与原型的几何 相似和弗鲁德准数相似，实验中所涉及的相似比如 表 1 所示，其中下标 m 和 s 分别表示模型和原型． 表 1 不同结构中间包原型和模型的相似比 Table 1 Similarity ratio between the model and the prototype of slab casting tundishes 参数 几何相似，λ 值 弗鲁德准数相似，Q 值 A 厂 1 /3 Qm = 0. 644Qs B 厂 1 /2 Qm = 0. 758Qs C 厂［9］ 1 /3 Qm = 0. 644Qs D 厂［10］ 1 /3 Qm = 0. 644Qs 钢液的流动行为影响着夹杂物的运动轨迹和去 除速率． 大量研究［11］表明钢液中的大夹杂物主要 通过斯托克斯上浮的形式去除，文献［12］指出大的 活塞流体积可增加小夹杂物的上浮时间． 因此，钢 液在中间包内的平均停留时间( 可由死区体积反 映) 和活塞流体积是检验钢液流动行为的重要指 标． 本文采用死区体积和活塞流体积评价钢液的流 动行为． 采用经典的 Sahai 模型［13］对死区体积 Vd和活 塞流体积 Vp进行计算，分别如下式所示: θav = ∫ ∞ 0 θ·c( θ) ·dθ ∫ ∞ 0 c( θ) ·dθ = ∑ n i θi·c( θi ) Δθi ∑ n i c( θi ) Δθi ，( 1) Vd = 1 － θav ·Q V ， ( 2) Vp = θmin ． ( 3) 其中，θav为量纲一的平均停留时间，θmin为量纲一的 最短停留时间，V 为中间包有效容积，Q 为中间包钢 液流量． 本文引入 Ｒ 分析［12］，Ｒ 分析是一种可快速有效 地找到关键影响因素和获得较优结构参数的方法． Ｒ 值越大，其代表的因素越重要． 1. 2 实验方法 文中对控流装置的不同位置和不同高度进行正 交试验，控流装置试验因素水平见表 2 所示，其位置 和高度如图 1 所示，挡坝带有流钢孔，单个出水口流 量为 163. 25 t·h － 1 ． 表 2 中间包内控流装置布置参数 Table 2 Details of flow control device parameters 位置 参数 挡坝位置 ( 距长水口 距离/mm) 挡坝位置 ( 距出水口 距离/mm) 高度 参数 挡坝 高度/mm L1 1272 1503 H1 300 L2 1626 1149 H2 400 L3 2055 720 H4 600 L4 2375 400 H3 500 为研究控流装置对钢液中夹杂物行为的影响， 连续跟踪 10 个浇次对出水口结瘤情况进行统计分 析，采用原子光谱法对图 1 中位置 1 的钢液成分进 行分析． 为检测中间包控流装置对钢液卷渣行为的影 响，采用中国水利科学研究院的 DJ800 水工测试仪 进行液面波动测量，图 1 中位置 2 为测量位置． 图 1 中间包控流装置布置图 Fig． 1 Schematic of the flow control device in the tundish 2 实验结果及分析 2. 1 出水口抽吸作用对钢水流动行为的影响 出水口处钢液流动速度远大于中间包内钢液的 流动速度，该区域速度的不均匀分布影响周围钢液 的流动行为，从而影响了夹杂物的去除效果． 图 2 形象地显示了出水口吸引力对钢液流动行为的影 ·22·