王勇等：中间包等离子加热的物理模拟 69 交换和浇铸末期等非正常浇铸期，都不可避免地 (a) InletHeating position 产生较大的温降)控制中间包的钢水温度或过 热度是提高生产率、改善凝固组织、提高产品质 量最有效的方法之一.因此，中间包内的温度控制 成为提高铸坯质量的一个关键环节.借助外部热 源补偿中间包钢水温降、精确控制最佳过热度的 Turbulence inhibitor 九tet 方法也越来越受到人们重视-剧 (b) 中间包加热技术有很多种形式，其中包括电 弧、电渣、等离子和感应加热等以等离子加热 技术能量集中，温度高、加热响应快，能将中间包 钢水的目标温度控制在±5℃范围内，可以直接加 热，调节方便、易于操作、对钢水清洁无污染，逐 图1中间包结构图.(a)整体结构：(b)主视图 渐受到研究者们的关注（目前国内对于如何 Fig.1 Tundish structure:(a)overall structure;(b)main view 优化中间包等离子加热技术，提高其加热效率的 Fr的定义： 研究较少，因此有必要对中间包等离子加热进行 2 Fr= (2) 模拟研究.中间包内温度场和流场的变化通常可 8L 以采用物理模拟-0的方法进行研究，刘崇林等2四 式中，u为特征流速，ms；g为重力加速度，ms2; 采用水模拟的方法对不同控流装置下中间包内的 L为特征尺寸，m 流场进行分析，发现采用组合挡坝结构能明显减 中间包模型与原型之间各物理参数的关系： 少死区比例，优化中间包内部流场.吴光辉等2运 Lm/L =A=0.25 (3) 用水模拟实验，从改变通道结构和内部控流装置 4m/4=0.5=0.5 (4) 角度解决了通道式感应加热7流中间包各流一致 式中，入为几何相似比 性差的问题.本文以某厂双流板坯中间包为研究对 从中间包到结晶器的流量： 象，采用物理模拟研究有无等离子加热和不同等 品m (5 离子加热位置对中间包内部流场及其温度场的变 Qm=元4 化情况，得到该中间包的最优加热位置，可为中间 4 Q=π (6) 包等离子加热的工业实践提供理论参考和指导. 4 1实验 由以上两式之比得： 2m=1250r (7) 1.1实验原理 物理模型模拟钢液流动的特征参数如表2所 中间包结构图如图1所示，根据相似原理等比 示，根据铸坯断面以及拉速确定中间包原型的水 例缩小中间包原型，相似比为1：4，由此可以得到 口流量，然后根据相似原理计算出模型所需流量， 实验模型的中间包主要参数，表1为中间包原型 通过控制模型流量实现与实际拉速相近的目的. 和有机玻璃模型的主要参数， 按1=1/4得到模型的有效容积Vm=100.7L,则当 保证湍流流动范围的原型与模型相似只要保 Qm=3.68Lmin时，模型的理论平均停留时间理论为： 证Fr相等即可： Vm100.7 Frm=Fr (1) 理论 20m2x3.68×60=821s (8) 式中，m为模型参数，r为原型参数 式中，'m为模型的有效容积，L 表1中间包原型与模型的主要参数 Table 1 Main parameters of tundish prototype and model mm Bottom Bottom Inlet Working liquid Classification Top Top Height Surface height Insertion depth width width length length diameter ofoverflow of long nozzle level height Prototype 1405 857 6621 6073 90.0 1555 1215 250.0 1115 Water model 351 214 1655 1518 22.5 389 304 62.5 279交换和浇铸末期等非正常浇铸期，都不可避免地 产生较大的温降[3–6] . 控制中间包的钢水温度或过 热度是提高生产率、改善凝固组织、提高产品质 量最有效的方法之一. 因此，中间包内的温度控制 成为提高铸坯质量的一个关键环节. 借助外部热 源补偿中间包钢水温降、精确控制最佳过热度的 方法也越来越受到人们重视[7–8] . 中间包加热技术有很多种形式，其中包括电 弧、电渣、等离子和感应加热等[9–12] . 等离子加热 技术能量集中，温度高、加热响应快，能将中间包 钢水的目标温度控制在±5 ℃ 范围内，可以直接加 热，调节方便、易于操作、对钢水清洁无污染，逐 渐受到研究者们的关注[13–16] . 目前国内对于如何 优化中间包等离子加热技术，提高其加热效率的 研究较少，因此有必要对中间包等离子加热进行 模拟研究. 中间包内温度场和流场的变化通常可 以采用物理模拟[17–20] 的方法进行研究，刘崇林等[21] 采用水模拟的方法对不同控流装置下中间包内的 流场进行分析，发现采用组合挡坝结构能明显减 少死区比例，优化中间包内部流场. 吴光辉等[22] 运 用水模拟实验，从改变通道结构和内部控流装置 角度解决了通道式感应加热 7 流中间包各流一致 性差的问题. 本文以某厂双流板坯中间包为研究对 象，采用物理模拟研究有无等离子加热和不同等 离子加热位置对中间包内部流场及其温度场的变 化情况，得到该中间包的最优加热位置，可为中间 包等离子加热的工业实践提供理论参考和指导. 1    实验 1.1    实验原理 中间包结构图如图 1 所示，根据相似原理等比 例缩小中间包原型，相似比为 1 : 4，由此可以得到 实验模型的中间包主要参数，表 1 为中间包原型 和有机玻璃模型的主要参数. Fr 保证湍流流动范围的原型与模型相似只要保 证 相等即可： Frm=Frr （1） 式中，m 为模型参数，r 为原型参数. Fr 的定义： Fr = u 2 gL （2） 式中，u 为特征流速，m·s−1 ；g 为重力加速度，m·s−2 ； L 为特征尺寸，m. 中间包模型与原型之间各物理参数的关系: Lm/Lr = λ = 0.25 （3） um/ur = λ 0.5 = 0.5 （4） 式中， λ 为几何相似比. 从中间包到结晶器的流量： Qm = π L 2 mum 4 （5） Qr = π L 2 r ur 4 （6） 由以上两式之比得： Qm = λ 2.5Qr （7） 物理模型模拟钢液流动的特征参数如表 2 所 示，根据铸坯断面以及拉速确定中间包原型的水 口流量，然后根据相似原理计算出模型所需流量， 通过控制模型流量实现与实际拉速相近的目的. Qm 按 λ=1/4 得到模型的有效容积 Vm=100.7 L，则当 =3.68 L·min−1 时，模型的理论平均停留时间 t理论为： t理论 = Vm 2Qm = 100.7 2×3.68 ×60 = 821 s （8） 式中，Vm 为模型的有效容积，L. Inlet Heating position (a) Weir Dam Turbulence inhibitor Outlet (b) 图 1    中间包结构图. （a）整体结构；（b）主视图 Fig.1    Tundish structure: (a) overall structure; (b) main view 表 1 中间包原型与模型的主要参数 Table 1  Main parameters of tundish prototype and model mm Classification Top width Bottom width Top length Bottom length Inlet diameter Height Surface height of overflow Insertion depth of long nozzle Working liquid level height Prototype 1405 857 6621 6073 90.0 1555 1215 250.0 1115 Water model 351 214 1655 1518 22.5 389 304 62.5 279 王    勇等： 中间包等离子加热的物理模拟 · 69 ·