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不对称中间包内流场的计算机模拟实验

摘要：中间包是位于钢包与结晶器之间用于钢液浇注的缓冲设备。注流注入中间包，同时还要卷入大量的气体（如氩气），使中间包冲击区的钢液流动更为复杂。连铸中间包内的流场要求，主要是尽可能减少包内死区，以减少包内温度、成分的不均匀、不稳定，来提高连铸坯质量。

关键词：模型流场湍流卷渣夹杂物

中间包作为炼钢过程中非常重要的一环节，中间包结构直接影响钢水浇注的流场分布，通过中间包流场计算机数值模拟有利于充分了解和认识钢水在中间包的实际情况和运动规律，同时为我们进一步优化中间包的工艺参数，减少包内死区，减少成分偏析具有重要的参考价值。

1、方法

为了建立适合于不对称中间包钢水流场的模拟，根据中间包的实际尺寸建立模型，如图1。钢坯尺寸为300×340，使用fluent模拟软件模拟钢水流场情况。

图1 某公司中间包原尺寸图

设置钢液的密度为7.1×103abs-131kg/m3,1500℃钢液的粘度为0.0055Pa·s（密度和粘度根据材料手册选用），直径80mm的大包长水口的进口钢液流速为0.94m/s,进口流量设定2000kg/min,中间包侵入式水口内的流量为5流平均。同时考虑到钢液受重力影响，重力的加速度为9.81m2/s（材料手册）。

2、实验模拟结果以及分析

2.1中间包容量和主要尺寸等参数的确定

中间包是位于钢包与结晶器之间用于钢液浇注的缓冲设备，其主要作用为：减少钢水浇注时的静压力，使注流稳定；在多流连铸机上，中间包将钢水分配到每个结晶器；多炉连浇时，中间包储存一定量的钢水，在更换钢包期间不会停浇；控制中间包内的钢液流场，促进夹杂物上浮，提高钢液的洁净度。

通过对中间包作用的分析，我们对中间包的尺寸的考虑主要是中间包储存的钢水量和中间包内钢液的流场对夹杂物去除有利。在一般的浇注条件下，钢水在中间包内应停留8 min以上才能起到夹杂物上浮和稳定注流的作用。

中间包容量的计算公式：

G中间包=ρBD(t+t1+t2汽车膨胀水箱+t3) VC

式中 G中间包中间包钢水量，kg ρ—— 铸坯密度，kg/m3

B—— 铸坯宽带，m D——铸坯厚度，m

t——钢水在中间包内的停留时间，min

t1——关闭钢包下水口的时间，min

t2——钢包在钢包回转台旋转一周的时间，min

t3——钢包下水口打开的时间，min

t1+t2+t3 ——更换钢包所需的总时间

VC——拉坯速度，m/min

中间包内型尺寸：

中间包高度：大方坯用中间包可浇钢液面为400mm,浇注终了的深度为400mm,因此中间包最大深度是400+400+100+200=1100mm(一般深度确定后再加100mm和实际钢液面应预留200mm的净空)；中间包长度：以结晶器为准，水口中心预包壁的距离大于200mm，以免钢液对中间包耐材的冲蚀和卷渣；中间包的角度：倾角在9°—13°为宜，便于清理残钢残渣、观察结晶器液面和保证耐材砌筑的稳定性。

2.2中间包内钢液的流动分析

钢液流动特性的雷诺数Re=vd/μ(v—钢液流动速度，d—流股水力学直径，—钢液的运动黏度)，Re﹥2000时为湍流。钢包水口流速0.94m/s， Re=1.3×105，是高度湍流。从钢包到中间包时，注流注入中间包，对中间包有很大的冲击作用，同时还要卷入大量的气体（如氩气），使中间包冲击区的钢液流动更为复杂。现模拟结果如图2、图3。

图2 中间包冲击区长水口处的钢液流场横、纵截面模拟图

图3 中间包档渣板前面的钢液流场模拟图

单从上面几张模拟图来看冲击区的流场控制是比较理想的，没有很大的搅动，钢液面没有发现较大波动，钢液流动过程中也没有冲刷包壁耐材的现象。这证明钢包长水口的插入深度合理，中间包冲击区的几何尺寸设计合理。只有在“中间包冲击区长水口处的钢液流场纵截面模拟图”右下面有少量的冲刷包壁耐材的现象，需要在此面稍加改善。草皮卷

中间包设置档渣墙对钢液流场的影响，如图4。钢液在档渣板上导流管内的流速很快，能带动周围钢液作旋环运动，其运动轨迹是先向上，再朝下运动，有利于夹杂物的上浮去除。在这里钢液的流速控制很重要，要做到不搅动中间包内渣面，而只让渣面有小波浪即可。如现场发现钢液在档渣板上导流管内的流速太快的化，可以在档渣板上多开导流孔，或调整导流孔的角度。

图4 中间包内钢液流过档渣板的截面模拟图（放大效果图）

节能大棚

连铸中间包内的流场要求，主要是尽可能减少包内死区，以减少包内温度、成分的不均匀、不稳定，来提高连铸坯质量。中间包过深、过宽都是不合理的，都会造成中包内死区增多，从而容易引发生产中断事故。从图5来看，中间包内流场，特别是中间包的两个端部，看不出有大的流速在流动，这可以不担心卷渣，但当钢液浇注温度偏低时或浇钢时间太长时，容易造成中间包端部低温或过冷而导致水口内结冷钢断流。

图5 中间包水口中心轴线横截面钢水流场模拟图

2.3实际连铸坯质量情况

中包的最大容量是28吨，能够确保钢水在中包内的平均停留时间在10分钟以上，现生产的连铸坯夹杂物出现很少，B类夹杂物基本不出现，Ds有个别炉次出现。如表1。而且夹杂物出现炉次大部分在中间包的开始炉次和结尾炉次。分析其可能原因是中间包内钢水开始

表1 不同钢种中夹杂物情况

序号	钢种	夹杂物类型	夹杂物大小	夹杂物出现率
羟基氧化钴 1#	管坯钢	Ds	40-50µm	1%
2#	汽车用钢	Ds	40-80µm	1.5%
3#	轴承钢	Ds	40µm左右	0.5%
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