某100,t电炉连铸中间包流场诊断分析研究
郝晓倩，高立福，武光君，武玉利
（莱芜钢铁集团银山型钢有限公司，山东 济南 271104）
中间包是一种冶金容器，位于钢包与结晶器之间，起着减压、稳流、去渣、储钢、分流等作用［1］。良好的中间包流场对钢液中夹杂物去除有着重要的作用。当前，某100 t电炉的连铸中间包内仅有湍流抑制器、多孔挡墙，为此，本文利用数值模拟及水模拟方法对该连铸中间包的流场进行诊断分析研究并提出优化方案。
1.1 几何模型建立
某100 t电炉的连铸中间包原几何模型结构示意图如图1所示，1～5分别为5个浸入式水口，6为多孔挡墙，7为多孔通道，8为钢包长水口，9为抑制湍流器。
图1 连铸中间包原模型结构示意图
连铸中间包为轴对称结构图形，为了降低计算成本，本研究采用1∶3的1/2模型作为研究对象。如图2所示。
图2 数值计算模型
1.2 数学模型建立
模型中钢包长水口、湍流器通过挡墙上的多孔与回流区连接成一个空腔，且假设：忽略塞棒对流场的影响，钢液采用不可压缩的粘性流体。
1.2.1 基本控制方程
连续性方程：
式中：xi为速度矢量；
ui为方向矢量。
动量方程：
湍动能（k）方程：
湍动能耗散（ε）方程：
1.2.2 边界条件
入口采用速度入口边界为1.5 m/s，出口采用质量流量出口边界，壁面采用无滑移边界。
1.3 结果分析
从图3、图4中可以看出，流体从入口进入湍流抑制器内，形成向上的回流使钢液湍动能减小并充分混合，然后通过多孔挡墙进入包腔回内，形成回流增加钢液停留时间。
图3 Y-O-Z中心界面的速度质量图
图4 中间包流线图
2.1 实验原理
基于相似原理，在实验室利用有机玻璃代替耐火材料制作中间包，利用水模拟钢液，建立物理模拟系统，测量停留时间分布应用“刺激-响应”实验。其方法：在中间包注入流处输入一个刺激信号，信号用KCl示踪剂来实现，然后在中间包出口处测量该信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布，实验原理图如图5所示［2］。当流体流动状态不易或不能直接测量时，仍可从响应曲线分析其流动状况及其对冶金反应的影响。
图5 实验原理图
2.2 实验结果分析
从图6可以看出，2#和4#浸入式水口首先感应到刺激信号，然后1#和5#感应到刺激信号，3#最后感应到刺激信号。可以判断流体从钢包长水口进入湍流抑制器，然后通过多孔挡墙流向中间包两侧，一部分流体首先从2#和4#浸入式水口流出，一部分继续向两侧流动，从1#和5#浸入式水口流出，少部分向反方向流动形成回流，最终从3#浸入式水口流出。
图6 中间包各流所对应的RTD曲线
通过数值模拟和物理模拟研究手段，对某100 t电炉的中间包进行诊断分析，在实际生产中应该采取必要的措施（如增加挡墙出口倾角、增加导流坝等），延长钢水经过2#和4#出口的停留时间，发挥中间包冶金的基本功能。
参考文献：［1］朱苗勇.现代冶金工艺学［M］.北京：冶金工业出版社，2013．［2］杨小容.连铸中间包内钢中夹杂物运动行为模拟研究［D］.武汉：武汉科技大学，2004．
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