中间包冶金学士学位论文.doc

在现代连铸的应用和发展过程中，中间包冶金显得越来越重要，其内涵在被不断扩大。为了完成上述功能，已经开发了多项中间包冶金技术,如图1.1所示。
1. 水口氩封 2.密封盖 3.内衬耐火材料 4.堰和坝 5.过滤器 6.氩气吹洗装置 　7.覆盖剂 8.钢包下渣监测系统 9.加热装置 10.塞棒吹氩
图1.1 中间包冶金技术的主要内容

堰坝、导流隔墙、过滤器和湍流控制器以及它们的组合是现代中间包常用的控流装置，且不同的控流装置对中间包内钢液流动形态的影响各不相同。S.C.Koria等人[16]研究结果表明,中间包内设有控流装置时，最短停留时间增加、活塞流区体积增大、能有效地消除钢液表明的湍流和扰动现象、促进夹杂物的上浮和去除。因此国内外各个钢厂基本上都采用在中间包内设置控流装置的措施来强化和扩大中间包的冶金功能，进一步净化钢液。

2.3 中间包流动过程的数学模拟
本文选择的研究对象为二流板坯连铸中间包，其主要物理参数为：长度5000mm, 宽度650mm，自由表面高度1000mm，入口内径50mm，出口内径30mm，两个水口在中间包长度方向的距离为4000mm湍流抑制器置于钢包注流冲击点.入口处钢液流速2.50 m/s，出口处钢液流速1.60m/s。其结构示意图如2.3所示。
图2.3 连铸中间包结构示意图

2.3.1 钢液流动的运动方程
中间包内钢水流动是一个比较复杂的湍流流动过程，本文研究的钢水流动过程可以由下列方程加以描述。
连续方程 公式(2.1)
动量Navier-Stokes(N-S)方程
公式(2.2)
式中：P为压力，； 为流体密度，；为有效粘度系数，，可由湍流模型来确定。本文采用由LAUNDER 和SPALDING提出的双方程模型来确定[8].
方程（湍流动能方程）
公式(2.3)
方程（湍流动能耗散率方程）
公式(2.4)
式中： ，为湍流动能产生项；；, 为湍流粘度系数；为层流粘度系数；采用LAUNDER和SPALDING的推荐值： 。
2.3.2 边界条件的处理
由于二流中间包结构的对称性，计算时只选取其一半来分析。中间包入口的速度根据连铸机的拉速和铸坯断面大小确定。中间包出口速度根据进出中间包的钢水质量流量守恒的原则确定。入口处湍动能和耗散率由下式确定：。其中为入口注流处的速度，为入口截面的半径。由于中间包内钢液的流动状况比较复杂,建立模型时需要做一些假设,因此边界条件可确定为：
1、在自由表面上，平行于自由表面的速度分量和其他标量的梯度均为零；
2、在固体壁面上，速度、压力、湍流动能及湍流动能耗散率均为零；
3、在对称面上，各变量的梯度为零，垂直于对称面的速度分量为零；
4、中间包内钢液流动为恒温、稳态、粘性且不可压缩的流动。
2.4 中间包流场的计算分析
2.4.1 无控流装置中间包的流场分布状况
图2.4为连铸中间包内钢水流动速度场的计算结果，基本上反映了中间包内钢液的流动特征：自钢包注流进入中间包内的钢水以较大的速度向下流动，穿透整个钢水层到达中间包底部，然后沿着包底向四周散开，从中间包出水口流出的钢液很大一部分是从注入流直接流出的，有小部分钢液到达中间包的前后壁面后，再沿着包壁流动，流向中间包出水口。中间包注入流具有较大的卷吸作用,使得注入流区中间包上面部分的钢液反向流动,在中间包左右两侧会形成一个逆时针回流。
中间包内产生这种流动会对钢液的质量带来不利的影响。因为新进入中间包内的钢液在包内停留时间较短，钢液中的夹杂物来不及上浮就随着钢液进入了结晶器。此外，注入流的卷吸也可能将自由表面的保护渣卷入钢液，从而形成新的夹杂，其中一部分是不能排除的，这无疑更加重了钢液的污染。因此，在实际中间包冶金过程中，要尽量避免这种流场出现，在中间包内设置控流装置就显得尤为必要了。图2.4 中间包无控流装置时的流场分布

2.4.2 堰坝对中间包钢水流动状况的影响
在中间包内设置堰能引导钢液转向下流动，阻止表面回流，并使钢液湍动显著的部分集中在注入流区，下游形成流动平稳的熔池。坝的作用是阻挡流体沿包底的流动，使流动方向转向上方。因此堰设于坝的上游才有改善中间包流动的结果。反之，坝在堰的上游，反而使包底铺展流动更严重。设置堰时，下游必须设置坝，以抑制沿包底的流动。
如图2.5(a)所示，中间包内加上堰、坝装置以后，钢液的流动状态发生了很大的变化。由于有堰的存在，把钢水的注入流区限制在较小的范围之内，新注入中间包的钢液在此区域充分混合，成分、温度都能均匀化，然后再经坝流向中间包的出水口。钢水在越过坝之后，首先向液面方向流动，再沿着中间包的上部向两侧流动。这样，中间包内注入流两侧也各形成一个回流，但回流的方向与没有加堰坝时形成的回流方向相反。中间包内钢液的这种流动可将钢水中的夹杂物带向液面，因而非常有利于夹杂物的上浮与去除，从而改善了钢液的质量。此时应该注意到，堰必须设置在坝的上游，才能达到改善中间包内钢液的流动状况的效果。反之，坝在堰的上游，会使钢液沿包底铺展流动，钢液没有足够的时间和动力上浮,这样也就无法达到净化钢水的目的。
图2.5(b)为坝在堰的上游时流场分布状况，可以发现：部分钢液根本来不及到达中间包壁面就沿包底流出进入结晶器，钢液根本没有得到上浮去除的机会，因此这种设置方式是不可取的，在实际操作中应当尽量避免。
图2.5(a) 加堰－坝后中间包钢液的流场分布

图2.5(b) 加堰－坝后中间包钢液的流场分布

2.4.3 湍流控制器对中间包钢水流动状况的影响
如图2.6所示在注流冲击点设置湍流抑制器后，减弱了钢包注流对中间包内钢液的冲击作用，避免了中间包覆盖剂被卷入钢液而重新形成夹杂的行为，同时也减少包中死区体积，使出口处的“回流漩涡”得到减缓。比较中间包内无任何湍流控制装置的的流场分布
图2.6 加湍流抑制器后中间包流场分布

状况，增加湍流控制器后, 减少了中间包注流区的表面湍流现象，减少出口回流的生成,减缓了出口流速，从而会降低注流温度波动对中间包冶金效果的影响。但是观察分析计算结果可以得知，湍流抑制器并不能改变中间包内钢液流场的整体态势，只有和堰－坝组合使用，才能发挥更大的作用。
2.4.4 优化后中间包的流动状况
研究表明，湍流控制器和堰－坝组合使用，可以得到一种比较理想的流场模拟结果。但是两者组合需要考虑多种因素的影响，如堰坝组合次序、数量、堰坝之间的位置以及堰与注流口之间的距离等。改变这些参数会使钢液的流动状况也发生改变，所产生的冶金效果也大不相同。因此根据实际的中间包结构来确定合理的堰坝位置，才能发挥中间包的最优冶金效果。

(1) 在加装湍流控制器实验的基础上，确定以设置双挡墙来进行进一步的优化模拟。在实验中，改变上挡墙的位置，考查不同挡墙位置与湍流控制器的组合结果，保持上挡墙与下挡墙之间的距离为750mm。为了避免短路流的产生，将下渣堰的泄流孔的尺寸减小，改变堰与注流口之间的距离进行数值模拟，得到中间包流场分布结果如图2.7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。观察有流动控制时钢液的流动特征，可以发现，堰与注流口之间的距离和高度对钢流有较大影响。当两者之间的距离为1350mm时，如图2.7(c)所示，堰将冲击力很强的钢包注入流限定在进钢区，使活塞流区有平静的渣面。同时，观察流场分布结果可以发现一种趋势，距离进钢区越远的堰对稳定钢液越不利，因为它限定钢液冲击的作用越来越弱，这就使得钢液出口速度分布不均匀,影响钢液的流动状态。
图2.7(a) 上挡墙中心距为2400mm时中间包流场分布

图2.7(b) 上挡墙中心距为2600mm时中间包流场分布

图2.7(c) 上挡墙中心距为2700mm时中间包流场分布

图2.7(d) 上挡墙中心距为2800mm时中间包流场分布

图2.7(e) 上挡墙中心距为3000mm时中间包流场分布

(2) 在加装湍流控制器的基础上，确定以设置堰坝来进行进一步的优化中间包内部结构。在模拟过程中，将两块堰之间的中心距固定在2700mm，改变堰与坝的距离，进行分析与计算，其结果如图2.8(a)、(b)、(c)、(d)所示。
图2.8(a) 堰坝间距为600mm时中间包流场分布

图2.8(b) 堰坝间距为700mm时中间包流场分布

图2.8(c)堰坝间距为800mm时中间包流场分布

图2.8(d) 堰坝间距为900mm时中间包流场分布

观察有流动控制时钢液的流动特征，可以发现堰坝之间的距离对钢流有较大影响。当两者之间的距离为750mm时, 即流场特征为上图2.7（C）时，如上图2.7(c)所示，坝能令钢液折向钢液面，使其与覆盖渣接触，有利于盖渣吸收夹杂物，另外在连铸开始阶段可最大程度地降低钢液涌动的影响。同时，中间包流场存在一种趋势，即坝距离注流口越远,钢液能获得越长的平均停留时间，但是过远则使钢液流向钢液表面的速度减弱，不利于夹杂物的去除。因此，堰坝必须保持合理的位置以获得最佳的冶金效果。
综合上述堰坝位置的研究结果，表明在该中间包内确定堰坝中心距为750mm，堰与注流口距离为1350mm时，能够得到一种比较好的模拟结果。钢液在中间包内流动分布均匀、液面稳定、扰动小、钢液停留时间延长，能最大限度地促进夹杂物的上浮与去除，从而提高连铸坯的洁净度。

本章小结
以上通过对中间包流场在不同内部结构条件下进行数值模拟，可以发现：
（1）没有流动控制的中间包，包内钢水的流动状态不利于夹杂物的上浮和排除；而设置流动控制装置之后，钢水流动状况明显改善，利于连铸坯质量的提高。湍流控制器设置在钢包注流冲击点，可缓解注流的冲击，减少了中间包的注流区的表面湍流现象，还减少了出口回流的生成；设置堰坝则可以改变钢水的流动轨迹，增加钢液上浮去除的机会，钢液的平均停留时间延长；
（2）堰坝组合使用时，因其安装次序、组合数量和安装位置不同，产生的冶金效果大不相同。结合本研究用中间包，确定堰坝间距为750mm，堰与注流口间距为1350mm时所获得的钢液净化效果最好。
（3）采用APDL参数设计语言，通过编写分析程序命令流和代码，能自动完成建模划分网格及加载任务，避免烦琐而重复的图形用户界面操作（GUI）方式，使整个优化工作效率大大提高。