单流漩流中间包夹杂物运动行为研究(附件)【字数：12875】
钢铁冶金的发展推动了现代工业的进步，要想在21世纪这严峻的钢铁市场占据优势地位，我们必须生产更加优质的钢种。中间包在连铸过程中可以有效的去除夹杂物，随着对钢质量要求的不断提高，中间包的冶金效果也越来越得到人们的重视。中间包设置在钢包与结晶器之间，钢液经过中间包时的湍流流动对于钢液内部传质、传热以及夹杂物碰撞以及排除等现象都有着重大影响。目前国际上普遍采用的方法便是在中间包内加装堰坝和漩流室，以此来改善中间包内钢水的流动状态,从而促进钢水中夹杂物的去除。本课题以单流漩流中间包作为研究对象，通过多组对比实验探索不同尺寸夹杂物，不同形状夹杂物的运动和夹杂物去除率的变化，并运用数值模拟的方法对夹杂物的运动行为进行补充讨论。从实验以及数值模拟可以得出以下结论（1）在一定范围内，流量越大，越有利于夹杂物的去除。随着夹杂物粒径增加，夹杂物的去除率也随之增加。（2）中间包内流速较快的区域集中在挡坝内部区域，这有效的规避了贯穿流的产生；钢液进入中间包时有明显的上冲趋势，这对于夹杂物的去除有利。关键词单流漩流中间包；水模型实验；数值模拟；夹杂物；粒径分布
Key words: single strand swirling tundish; water model experiment; numerical simulation; inclusions; particle size distribution 目录
第一章 绪论 1
1.1中间包的作用 1
1.2中间包冶金 1
1.3 中间包冶金的现状 2
1.4 中间包内夹杂物去除的研究进展 4
1.4.1 夹杂物去除的水模拟实验研究进展 5
1.4.2 中间包内夹杂物去除的数值模拟 6
1.5 本课题研究目的及内容 7
1.5.1 本课题研究目的 7
1.5.2 本课题研究内容 7
第二章 单流漩流中间包的水模型实验 8
2.1水模实验特点 8
2.2相似原理以及相似准数 8
2.2.1相似原理 8
2.2.2水模型实验参数 9
2.2.3夹杂物的模拟计算 9
2.3 实验装置 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
/> 2.4实验方案 12
2.4.1确定中间包最佳流量的实验 12
2.4.2实验方案 13
2.5 实验数据处理与分析 14
2.5.1 EBS水模实验结果分析 14
2.5.2聚苯乙烯水模实验结果分析 15
2.5.3 EBS与聚苯乙烯混合水模实验结果分析 16
第三章 单流漩流中间包的数值模拟 18
3.1数学模型 18
3.1.1基本假设 18
3.1.2基本方程 18
3.1.3 夹杂物运动（随机轨道模型） 20
3.2边界条件及数值求解 21
3.2.1边界条件 21
3.2.2网格划分及数值求解 23
3.3计算结果和分析 24
3.3.1流场 24
3.3.2夹杂物运动 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1中间包的作用
中间包有着以下的作用[1]：
中间包是连铸过程中钢包与结晶器之间的钢液存储容器以及分配容器。使用中间包可以让钢液的静压力逐渐减弱，使钢液能够稳态流动。
可以合理储存钢液，能够按工艺的要求进行有效分流，以保证顺利开浇、停浇和换包，可以连续、稳定地供给钢液；
（3）中间包内钢液的稳态流动可以延长钢液的平均停留时间，避免了击穿流的产生，死区明显减少了。
（4）中间包还可以控制钢液温度，使得钢液一直稳定在过热状态。
在连铸发展的初期，中间包仅仅是用来储存钢液和分配钢液。随着我们对钢液清洁度要求的不断提高，人们逐渐地将中间包作为钢包与结晶器之间的一个精炼反应器，通过中间包来进一步改善钢的质量。
1.2中间包冶金
20世纪80年代初期，麦克莱恩教授(McLean A)在多伦多大学任职期间开始提出“中间包冶金”这一说法；经过30多年的发展，人们已经默认了中间包冶金这个说法，有很多专家学者投身到中间包冶金的研究当中，并且他们的很多研究成果在生产实际应用中得到了广泛的应用[2] 。
这些年来，虽然连续铸钢的工艺越发先进，但是人们对铸坯质量的要求也在逐渐增加，研究工作者们发现钢液从钢包运输到中间包的过程中，钢液与气相（如空气中的氧气），渣相（炼钢过程中的钢渣）以及各种耐火材料会发生一系列的反应，这些反应有好有坏，好的能够降低钢液中的杂质，坏的能够腐蚀耐火材料。钢铁冶金界前辈、冶金理论家Have H M[3]发出过疑问：湍流中间包到底是一个简单的容器还是一个清除杂质的精炼器？是提高钢质量的绊脚石还是改善钢质量的重要一环？为此，许多专家，学者们开始试探性的研究如何在中间包中去除钢液中的夹杂物；这些夹杂物主要有Al2O3,SiO2,MgO,MnO等等。除了去除杂质，研究者们认为中间包其实是可以防止钢液的二次氧化的。
为完成上述功能，专家学者们对中间包的结构等做了许多改进，发开出了许多的中间包冶金技术措施（见图11）[4]。
/
图11中间包提高钢清洁度的措施
1：长水口 Ar封 2：密封盖 3：内衬耐火材料 4：挡墙和坝 5：过滤器
6：Ar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
就比如J. S. Stel[5]，他认为可以应用以下几种措施来去除钢中Al2O3 夹杂，并且可以阻止其再次生成：首先，换包的过程中一定要努力减少卷渣现象；其次，要保证钢液的高度是一定的，这样就能够规避在侵入式水口的上面产生旋涡；然后浇注系统一定要保护好，如果有受损应及时更换；在钢液上方应该保证一直通Ar气，由于Ar是惰性气体，也相对容易得到，钢液在Ar气的氛围下不会发生二次氧化；此外，钢液在中间包中的流场可以通过控流装置来进行优化；使用过滤器以及通过覆盖剂的吸收就可以更加高效的清除Al2O3 夹杂。
1.3 中间包冶金的现状
为了改进连铸过程中中间包内钢液的流场，更好地去除其中的夹杂物，或者可以说是防止中间包内的夹杂物顺着钢液混入到结晶器中，国际上那些著名的钢厂做出了一些经典的技术改进 [6]。例如，将中间包做大一些，这样中间包容纳的钢液就会更多，而且钢液在中间包内的高度也会随之增加，通过钢液的不断冲击可以增加夹杂物的去除率，采用“H”型中间包，H型中间包通过中间通道改善了钢液的流动，能够让中间包内的夹杂物有更多的停留时间，上浮率也会随之提高；安装挡墙和坝以及使用过滤器不仅能够控制中间包中流场形态，而且能够减轻湍流的干扰，让钢液的流动进入稳定的状态，还可以使死区减少，增大钢液的平均停留时间，以此来提高钢液的清洁度；使用湍流控制器限制并缓冲钢液对包壁的冲击，既能够提高中间包的寿命，也能够改善中间包内钢液的流场，停留时间也因此而增加。以上的措施都是有利于钢水中的夹杂物上浮分离的，而且已经被各个钢厂所接受并广泛的投入到生产实践当中。此外，湍流控制装置的几何结构对中间包钢水流动特性有明显影响。
Key words: single strand swirling tundish; water model experiment; numerical simulation; inclusions; particle size distribution 目录
第一章 绪论 1
1.1中间包的作用 1
1.2中间包冶金 1
1.3 中间包冶金的现状 2
1.4 中间包内夹杂物去除的研究进展 4
1.4.1 夹杂物去除的水模拟实验研究进展 5
1.4.2 中间包内夹杂物去除的数值模拟 6
1.5 本课题研究目的及内容 7
1.5.1 本课题研究目的 7
1.5.2 本课题研究内容 7
第二章 单流漩流中间包的水模型实验 8
2.1水模实验特点 8
2.2相似原理以及相似准数 8
2.2.1相似原理 8
2.2.2水模型实验参数 9
2.2.3夹杂物的模拟计算 9
2.3 实验装置 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
/> 2.4实验方案 12
2.4.1确定中间包最佳流量的实验 12
2.4.2实验方案 13
2.5 实验数据处理与分析 14
2.5.1 EBS水模实验结果分析 14
2.5.2聚苯乙烯水模实验结果分析 15
2.5.3 EBS与聚苯乙烯混合水模实验结果分析 16
第三章 单流漩流中间包的数值模拟 18
3.1数学模型 18
3.1.1基本假设 18
3.1.2基本方程 18
3.1.3 夹杂物运动（随机轨道模型） 20
3.2边界条件及数值求解 21
3.2.1边界条件 21
3.2.2网格划分及数值求解 23
3.3计算结果和分析 24
3.3.1流场 24
3.3.2夹杂物运动 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1中间包的作用
中间包有着以下的作用[1]：
中间包是连铸过程中钢包与结晶器之间的钢液存储容器以及分配容器。使用中间包可以让钢液的静压力逐渐减弱，使钢液能够稳态流动。
可以合理储存钢液，能够按工艺的要求进行有效分流，以保证顺利开浇、停浇和换包，可以连续、稳定地供给钢液；
（3）中间包内钢液的稳态流动可以延长钢液的平均停留时间，避免了击穿流的产生，死区明显减少了。
（4）中间包还可以控制钢液温度，使得钢液一直稳定在过热状态。
在连铸发展的初期，中间包仅仅是用来储存钢液和分配钢液。随着我们对钢液清洁度要求的不断提高，人们逐渐地将中间包作为钢包与结晶器之间的一个精炼反应器，通过中间包来进一步改善钢的质量。
1.2中间包冶金
20世纪80年代初期，麦克莱恩教授(McLean A)在多伦多大学任职期间开始提出“中间包冶金”这一说法；经过30多年的发展，人们已经默认了中间包冶金这个说法，有很多专家学者投身到中间包冶金的研究当中，并且他们的很多研究成果在生产实际应用中得到了广泛的应用[2] 。
这些年来，虽然连续铸钢的工艺越发先进，但是人们对铸坯质量的要求也在逐渐增加，研究工作者们发现钢液从钢包运输到中间包的过程中，钢液与气相（如空气中的氧气），渣相（炼钢过程中的钢渣）以及各种耐火材料会发生一系列的反应，这些反应有好有坏，好的能够降低钢液中的杂质，坏的能够腐蚀耐火材料。钢铁冶金界前辈、冶金理论家Have H M[3]发出过疑问：湍流中间包到底是一个简单的容器还是一个清除杂质的精炼器？是提高钢质量的绊脚石还是改善钢质量的重要一环？为此，许多专家，学者们开始试探性的研究如何在中间包中去除钢液中的夹杂物；这些夹杂物主要有Al2O3,SiO2,MgO,MnO等等。除了去除杂质，研究者们认为中间包其实是可以防止钢液的二次氧化的。
为完成上述功能，专家学者们对中间包的结构等做了许多改进，发开出了许多的中间包冶金技术措施（见图11）[4]。
/
图11中间包提高钢清洁度的措施
1：长水口 Ar封 2：密封盖 3：内衬耐火材料 4：挡墙和坝 5：过滤器
6：Ar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
就比如J. S. Stel[5]，他认为可以应用以下几种措施来去除钢中Al2O3 夹杂，并且可以阻止其再次生成：首先，换包的过程中一定要努力减少卷渣现象；其次，要保证钢液的高度是一定的，这样就能够规避在侵入式水口的上面产生旋涡；然后浇注系统一定要保护好，如果有受损应及时更换；在钢液上方应该保证一直通Ar气，由于Ar是惰性气体，也相对容易得到，钢液在Ar气的氛围下不会发生二次氧化；此外，钢液在中间包中的流场可以通过控流装置来进行优化；使用过滤器以及通过覆盖剂的吸收就可以更加高效的清除Al2O3 夹杂。
1.3 中间包冶金的现状
为了改进连铸过程中中间包内钢液的流场，更好地去除其中的夹杂物，或者可以说是防止中间包内的夹杂物顺着钢液混入到结晶器中，国际上那些著名的钢厂做出了一些经典的技术改进 [6]。例如，将中间包做大一些，这样中间包容纳的钢液就会更多，而且钢液在中间包内的高度也会随之增加，通过钢液的不断冲击可以增加夹杂物的去除率，采用“H”型中间包，H型中间包通过中间通道改善了钢液的流动，能够让中间包内的夹杂物有更多的停留时间，上浮率也会随之提高；安装挡墙和坝以及使用过滤器不仅能够控制中间包中流场形态，而且能够减轻湍流的干扰，让钢液的流动进入稳定的状态，还可以使死区减少，增大钢液的平均停留时间，以此来提高钢液的清洁度；使用湍流控制器限制并缓冲钢液对包壁的冲击，既能够提高中间包的寿命，也能够改善中间包内钢液的流场，停留时间也因此而增加。以上的措施都是有利于钢水中的夹杂物上浮分离的，而且已经被各个钢厂所接受并广泛的投入到生产实践当中。此外，湍流控制装置的几何结构对中间包钢水流动特性有明显影响。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/19.html
