第1期 李怡宏等：板坯中间包内钢液流动特性 ·27· 杂物由于出水口的吸引力未能上浮至渣面吸收去 10-5ms时，中间包内夹杂物的上浮速度较大，可 除，平均水口堵塞结瘤率为34%；控流装置处于L3 提高夹杂物的去除率 位置时，更多的小夹杂物跟随钢液流向钢渣界面，同 时延长了钢液流动轨迹，增加了钢液平均停留时间， 3结论 提高了大夹杂物的去除率，因此进入水口的夹杂物 (1)出水口抽吸作用对钢液流动行为影响较 数量大幅减少，平均水口结瘤率为7.5%，降低了 大，在距出水口400~800mm范围内影响程度最大： 26.5% 控流装置布置在距出水口1000~1300mm时钢液流 动形态较好：挡坝与出水口距离应至少大于 0.5 ■4 13 800mm,即挡坝距出水口距离应大于中间包入水口 0.4 与出水口距离的0.25倍. (2)中间包的死区体积比是准确反映中间包内 钢液流动行为和钢液洁净度水平的重要指标.活塞 0.2 流中有部分体积是不利于夹杂物去除的，大的活塞 0.1 流体积并不意味着好的钢液流动形态. 0 (3)中间包内钢液与夹杂物的相对流动速度满 246810 246810 足Iu-u,l>6×10-5m·s1时，中间包内夹杂物的 浇次数 上浮速度较大，可提高夹杂物的去除率，出水口平均 图11控流装置不同位置时水口结瘤率的变化 Fig.11 Variation of nozzle clogging rate with different control de- 结瘤率可降低至7.5%. vices (4)中间包流场影响因子D与控制装置共同 影响中间包流场，对中间包死区体积的贡献为V:= 夹杂物在钢液中的运动主要是因为受到重力、 0.71(V。-V),其中V是控流装置导致的死区体 浮力和曳力的作用，其速度的可表示为 积，V2是流场影响因子引起的死区体积. =F,(u-u)+Pg (8) (5)双流板坯中间包控流装置布置与死区体积 dt p 存在如下关系： F。(u-u:)为每单位质量的夹杂物所受到的曳力， L.= F,由下式定义： F。=184.C。Re (9) 0.3-0.3671n7.91D-0.00321÷-49-1.25· p.24 模型表明在高拉速区(D<0.0035),挡坝布置在中 Re=pd,lu-ul (10) 间包内的任何位置，其死区比例均在10%以下，控 L 流装置的作用已不明显，钢水自身的洁净度是提高 式中：Cp为曳力系数，一般取值0.44；Re为雷诺数； 最终产品质量的限制性环节；正常拉速时，较优的控 u,为夹杂物速度，ms1;u为钢液速度，m·sp:为 流装置布置可根据死区体积目标值进行预测. 夹杂物密度，kg°m3p为钢液密度，kgm-3;d,为夹 杂物直径，m. 参考文献 若以AL,0,夹杂为例，其速度可以表示为 [Alaei A R,Edris H,Shirani E.Upward molten flow for optimiza- due=0.33× Iuxlos -ul tion of fluid flow in continuous casting tundish.J Iron Steel Res dt dalzo3 -4. (11) mt,2010,17(11):29 Mazumdar D,Yamanoglu G,Guthrie R I L.Hydrodynamic per- 由式(11)可知当 uAlos-ul >12.12时，夹杂物 formance of steelmaking tundish systems:a comparative study of three different tundish designs.Steel Res,1997,68(7):293 在钢液中有向上的加速度，有益于夹杂物的上浮 B] Bao Y P,Wang J J,Qu Y.Tundish Metallurgy.Beijing:Metal- 去除 lurgical Industry Press,2001 通过研究发现在精炼结束后，可认为钢液在 (包燕平，王建军，曲英.中间包治金学北京：治金工业出 进入中间包之前，其中残留的夹杂物绝大多数为 版社，2001) Moumtez B,Ahmed B,Kamel T.Numerical investigation of the <50um的群落状和尺寸<30um的块状A2O3.因 fluid flow in continuous casting tundish using analysis of RTD 此，中间包内钢液的流动速度满足Iu-u:1>6× curves.J Iron Steel Res Int,2009,16(2):22第 1 期 李怡宏等: 板坯中间包内钢液流动特性 杂物由于出水口的吸引力未能上浮至渣面吸收去 除，平均水口堵塞结瘤率为 34% ; 控流装置处于 L3 位置时，更多的小夹杂物跟随钢液流向钢渣界面，同 时延长了钢液流动轨迹，增加了钢液平均停留时间， 提高了大夹杂物的去除率，因此进入水口的夹杂物 数量大幅减少，平均水口结瘤率为 7. 5% ，降低了 26. 5% ． 图 11 控流装置不同位置时水口结瘤率的变化 Fig． 11 Variation of nozzle clogging rate with different control de￾vices 夹杂物在钢液中的运动主要是因为受到重力、 浮力和曳力的作用，其速度［15］可表示为 dui dt = FD( u － ui ) + ρi － ρ ρ g． ( 8) FD( u － ui ) 为每单位质量的夹杂物所受到的曳力， FD由下式定义: FD = 18u ρid2 i ·CD ·Ｒe 24 ， ( 9) Ｒe = ρdi | ui － u | u ． ( 10) 式中: CD为曳力系数，一般取值 0. 44; Ｒe 为雷诺数; ui为夹杂物速度，m·s － 1 ; u 为钢液速度，m·s － 1 ; ρi为 夹杂物密度，kg·m － 3 ; ρ 为钢液密度，kg·m － 3 ; di为夹 杂物直径，m． 若以 Al2O3夹杂为例，其速度可以表示为 duAl2O3 dt = 0. 33 × | uAl2O3 － u | dAl2O3 － 4． ( 11) 由式( 11) 可知当 | uAl2O3 － u | dAl2O3 ＞ 12. 12 时，夹杂物 在钢液中有向上的加速度，有益于夹杂物的上浮 去除． 通过研究［16］发现在精炼结束后，可认为钢液在 进入中间包之前，其中残留的夹杂物绝大多数为 ＜ 50 μm 的群落状和尺寸 ＜ 30 μm 的块状 Al2O3 ． 因 此，中间包内钢液的流动速度满足 | u － ui | ＞ 6 × 10 － 5 m·s － 1 时，中间包内夹杂物的上浮速度较大，可 提高夹杂物的去除率． 3 结论 ( 1) 出水口抽吸作用对钢液流动行为影响较 大，在距出水口 400 ～ 800 mm 范围内影响程度最大; 控流装置布置在距出水口 1000 ～ 1300 mm 时钢液流 动 形 态 较 好; 挡坝与出水口距离 应至少大于 800 mm，即挡坝距出水口距离应大于中间包入水口 与出水口距离的 0. 25 倍． ( 2) 中间包的死区体积比是准确反映中间包内 钢液流动行为和钢液洁净度水平的重要指标． 活塞 流中有部分体积是不利于夹杂物去除的，大的活塞 流体积并不意味着好的钢液流动形态． ( 3) 中间包内钢液与夹杂物的相对流动速度满 足| u － ui | ＞ 6 × 10 － 5 m·s － 1 时，中间包内夹杂物的 上浮速度较大，可提高夹杂物的去除率，出水口平均 结瘤率可降低至 7. 5% ． ( 4) 中间包流场影响因子 D 与控制装置共同 影响中间包流场，对中间包死区体积的贡献为 Vd = 0. 71( Vd2 － Vd1 ) ，其中 Vd1是控流装置导致的死区体 积，Vd2是流场影响因子引起的死区体积． ( 5) 双流板坯中间包控流装置布置与死区体积 存在如下关系: Lr = 0. 3 － 0. 367ln 7. 9 |D － 0. 0032 | 1 6 － Vd 4. 9 － 1. 25 ． 模型表明在高拉速区( D ＜ 0. 0035) ，挡坝布置在中 间包内的任何位置，其死区比例均在 10% 以下，控 流装置的作用已不明显，钢水自身的洁净度是提高 最终产品质量的限制性环节; 正常拉速时，较优的控 流装置布置可根据死区体积目标值进行预测． 参 考 文 献 ［1］ Alaei A Ｒ，Edris H，Shirani E． Upward molten flow for optimiza￾tion of fluid flow in continuous casting tundish． J Iron Steel Ｒes Int，2010，17( 11) : 29 ［2］ Mazumdar D，Yamanoglu G，Guthrie Ｒ I L． Hydrodynamic per￾formance of steelmaking tundish systems: a comparative study of three different tundish designs． Steel Ｒes，1997，68( 7) : 293 ［3］ Bao Y P，Wang J J，Qu Y． Tundish Metallurgy． Beijing: Metal￾lurgical Industry Press，2001 ( 包燕平，王建军，曲英． 中间包冶金学． 北京: 冶金工业出 版社，2001) ［4］ Moumtez B，Ahmed B，Kamel T． Numerical investigation of the fluid flow in continuous casting tundish using analysis of ＲTD curves． J Iron Steel Ｒes Int，2009，16( 2) : 22 ·27·