·24 北京科技大学学报 第36卷 挡坝高度可有效改善钢液的流动轨迹，增加流向钢 活塞流和死区的形成取决于流体单元的轨迹和 渣界面的流体体积，提高小夹杂物与渣接触并吸附 速度.Tripathi和Ajmani对中间包内合适的流体 去除的几率.当H在0.27~0.54范围内变化时，随 速度进行实验，认为流体速度在0.001~0.050m·s-1 挡坝相对高度增加，死区体积比呈线性降低。 之间可增加活塞流体积，大于0.05ms1不利于形 成有利的活塞流：但小于0.001ms-的低速流体仅 占2%，对中间包死区体积的贡献极大. ■挡坝位置L3 表3是正交试验得到的挡坝布置对中间包流体 的活塞流体积和死区体积的影响.随着挡坝位置和 起14 高度的增加，活塞流体积最大增加35.6%，死区体 积最大降低26.3%，可显著增加夹杂物上浮去除的 12 几率.从R值分析可知：位置L2处可显著增加中间 包钢液的活塞流体积，说明该位置处挡坝减缓钢液 11L 0.250300.350.400.450.50055 速度，使其处在合适的范围区间内，降低了返混流的 挡坝相对高度，H 比例，小夹杂物运动至钢渣界面的几率将增加：位置 图5死区体积与挡坝高度的指数关系 3处可显著增大中间包的有效容积利用率，降低死 Fig.5 Relationship between bam height and dead volume 区比例，说明当挡坝离钢液入口较远时，钢液经控流 2.3挡坝位置与钢液流动行为的关系 装置产生的低速流体较少，可增加钢液在中间包内 中间包内钢液流动速度决定了钢液的流动行 的平均停留时间，将提高大夹杂物的去除效果.实 为.流体速度太慢易增大中间包内死区体积，流体 验结果与Mazumdar等回得到的双流中间包较优控 速度太快易在中间包内形成环流圈并引起较大的结 流装置一致：单独坝且近出水口，可充分利用中间包 晶器内液面波动. 空间. 表3挡坝布置对钢液流体特性的影响 Table 3 Influence of bam arrangement on fluid flow LI 12 13 方案 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% HI 13.44 17.37 12.57 16.48 13.87 15.83 H2 13.82 16.67 13.32 15.54 12.83 14.52 B 15.30 15.60 14.00 14.03 13.41 12.87 H4 16.18 13.62 17.04 13.31 15.05 11.66 R分析 2.74 3.75 4.47 3.17 2.22 4.17 注：R为相同标准下最大值与最小值的差距 图6是同一时刻不同位置的挡坝产生的流体流 积比或平均停留时间是准确反映中间包内钢液流动 动行为.从图中可以看出：钢液经长水口进入中间 行为的唯一指标.大的活塞流体积并不意味着好的 包经湍流抑制器缓冲后大部分沿包底运动，15s时 钢液流动形态，因为活塞流中有部分体积是不利于 两位置处的流动形态相似：但由于[2位置处挡坝离 夹杂物去除的，如图6(a),该位置处产生的活塞流 长水口较近，钢流18s时就已到达挡坝位置，比到达 较多（见表3），但大部分经流钢孔流向出水口的流 L3位置处提前8s,因此L2位置处钢液流速较快，较 体，加速了夹杂物进入结晶器，不利于铸坯质量的 多的流体经流钢孔流向出水口，挡坝对流场的改善 提高. 作用较小；L3位置处由于流体流出湍流抑制器后经 图7是控流装置位置对中间包内死区体积的影 较长时间的减速运动，达到挡坝L3处时速度较小， 响，由正交试验获得.由图可看出不同高度挡坝的 从流钢孔流出的流体少于沿挡坝上升的流体，因此 最佳位置规律相同，即挡坝越靠近出水口，中间包有 更多的夹杂物被带到钢渣界面去除，如图42s时挡 效容积利用率越大，死区体积呈指数递减：由于出水 坝在L2处使更多的钢液沿钢渣表面流动. 口吸引力和液面波动的影响，挡坝位置L4和高度 综合表3和图6发现：流体特性参数中死区体 H4不在考虑范围内.因此，在出水口吸引力影响范北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 挡坝高度可有效改善钢液的流动轨迹，增加流向钢 渣界面的流体体积，提高小夹杂物与渣接触并吸附 去除的几率． 当 Hr在 0. 27 ～ 0. 54 范围内变化时，随 挡坝相对高度增加，死区体积比呈线性降低． 图 5 死区体积与挡坝高度的指数关系 Fig． 5 Ｒelationship between bam height and dead volume 2. 3 挡坝位置与钢液流动行为的关系 中间包内钢液流动速度决定了钢液的流动行 为． 流体速度太慢易增大中间包内死区体积，流体 速度太快易在中间包内形成环流圈并引起较大的结 晶器内液面波动． 活塞流和死区的形成取决于流体单元的轨迹和 速度． Tripathi 和 Ajmani ［14］对中间包内合适的流体 速度进行实验，认为流体速度在 0. 001 ～ 0. 050 m·s －1 之间可增加活塞流体积，大于 0. 05 m·s － 1 不利于形 成有利的活塞流; 但小于 0. 001 m·s － 1 的低速流体仅 占 2% ，对中间包死区体积的贡献极大． 表 3 是正交试验得到的挡坝布置对中间包流体 的活塞流体积和死区体积的影响． 随着挡坝位置和 高度的增加，活塞流体积最大增加 35. 6% ，死区体 积最大降低 26. 3% ，可显著增加夹杂物上浮去除的 几率． 从 Ｒ 值分析可知: 位置 L2 处可显著增加中间 包钢液的活塞流体积，说明该位置处挡坝减缓钢液 速度，使其处在合适的范围区间内，降低了返混流的 比例，小夹杂物运动至钢渣界面的几率将增加; 位置 L3 处可显著增大中间包的有效容积利用率，降低死 区比例，说明当挡坝离钢液入口较远时，钢液经控流 装置产生的低速流体较少，可增加钢液在中间包内 的平均停留时间，将提高大夹杂物的去除效果． 实 验结果与 Mazumdar 等［2］得到的双流中间包较优控 流装置一致: 单独坝且近出水口，可充分利用中间包 空间． 表 3 挡坝布置对钢液流体特性的影响 Table 3 Influence of bam arrangement on fluid flow 方案 L1 L2 L3 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% 活塞流体积/% 死区体积/% H1 13. 44 17. 37 12. 57 16. 48 13. 87 15. 83 H2 13. 82 16. 67 13. 32 15. 54 12. 83 14. 52 H3 15. 30 15. 60 14. 00 14. 03 13. 41 12. 87 H4 16. 18 13. 62 17. 04 13. 31 15. 05 11. 66 Ｒ 分析 2. 74 3. 75 4. 47 3. 17 2. 22 4. 17 注: Ｒ 为相同标准下最大值与最小值的差距． 图 6 是同一时刻不同位置的挡坝产生的流体流 动行为． 从图中可以看出: 钢液经长水口进入中间 包经湍流抑制器缓冲后大部分沿包底运动，15 s 时 两位置处的流动形态相似; 但由于 L2 位置处挡坝离 长水口较近，钢流 18 s 时就已到达挡坝位置，比到达 L3 位置处提前8 s，因此 L2 位置处钢液流速较快，较 多的流体经流钢孔流向出水口，挡坝对流场的改善 作用较小; L3 位置处由于流体流出湍流抑制器后经 较长时间的减速运动，达到挡坝 L3 处时速度较小， 从流钢孔流出的流体少于沿挡坝上升的流体，因此 更多的夹杂物被带到钢渣界面去除，如图 42 s 时挡 坝在 L2 处使更多的钢液沿钢渣表面流动． 综合表 3 和图 6 发现: 流体特性参数中死区体 积比或平均停留时间是准确反映中间包内钢液流动 行为的唯一指标． 大的活塞流体积并不意味着好的 钢液流动形态，因为活塞流中有部分体积是不利于 夹杂物去除的，如图 6( a) ，该位置处产生的活塞流 较多( 见表 3) ，但大部分经流钢孔流向出水口的流 体，加速了夹杂物进入结晶器，不利于铸坯质量的 提高． 图 7 是控流装置位置对中间包内死区体积的影 响，由正交试验获得． 由图可看出不同高度挡坝的 最佳位置规律相同，即挡坝越靠近出水口，中间包有 效容积利用率越大，死区体积呈指数递减; 由于出水 口吸引力和液面波动的影响，挡坝位置 L4 和高度 H4 不在考虑范围内． 因此，在出水口吸引力影响范 ·24·