中间包夹杂物运动行为的数模研究

中间包夹杂物运动行为的数模研究
王建军（华东冶金学院）
摘
要
利用数学模型研究了中间包内钢水中夹杂物运动的规律，采用自编的计算机软件，对马钢
板坯和异型坯中间包夹杂物的运动进行了仿真计算。

结果表明，中间包内夹杂物直径>100µm 时，都能在中间包内上浮，而<5µm 的小颗粒夹杂则很难在中间包内上浮，90%以上都随着钢水流出中间包。

加入挡墙后，直径>50µm 的夹杂物都能在中间包内上浮排出，大大提高了钢水的清洁度。

本文提供了一种研究中间包夹杂物运动的方法，并认可采用挡墙控制钢水流动，可有效地排除钢水中的夹杂物。

关键词
中间包
夹杂物
数模
Study on Movement Behavior of Inclusions
in Tundish by Mathematical Model
Wang Jianjun
（East China University of Metallurgy ）
Abstract The movement of inclusions in molten steel in tundish is studied by mathematical model ，and simulative computation is performed on the movement of inclusions in two types of tundishes for slab and profiled blank by the use of computer software.The results show that inclu-sions diameter larger than 100µm can float up to the surface of tundish ，and the inclusions with di-ameter smaller than 5µm can not easily float up to the surface 90%of which can flow out of tundish along with molten steel.After adding weirs and dams ，all inclusions with diameter larger than 50µm can float up to the surface by which steel cleanliness can be improved.The method for study on movement of inclusions in tundish is provided in this paper ，and the control on steel flow by using dams is proved to exclude effectively inclusions in molten steel.
Keywords
tundish
inclusion
mathematical model
联系人：王建军，副教授，安徽省马鞍山市（243002）华东冶金学院冶金系
1前言
中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从熔炼到铸坯这个生产流程中保证获得质量优良钢的关键一环。

传统上都是采用基于相似理论指导下的水模型试验和近似模型理论计算研究中间包的冶金效果。

近20年来，计算机技术和计算方法的发展，大大地推动了用数值计算方法仿真研究冶金高温流体流动和传热问题的进展。

特别对中间包的高温冶金过程来说，钢水在中间包内的流动是一个很复杂的过程，很多实际过程，例如夹杂物在中间包内的运动状态，根本无法用物理模
型实验方法研究，在这一点上仿真技术的优点就显得更为突出。

所以用数模对中间包的冶金过程进行研究，无疑具有十分重要的现实意义。

对中间包冶金过程的数值模型计算，国内外
均有研究［1～9］，涉及到中间包钢水夹杂物粒子运
动的仿真计算还不多。

本文就中间包夹杂物流动过程，开发了一套Tundish -3D 计算机软件，用来计算和分析中间包内夹杂物的流动过程，夹杂物在中间包内的排除率。

本中分别研究了马钢三钢厂板坯和异型坯两种典型中间包，在没有流动控制以及加入挡墙条件下的中间包钢水中夹杂物的运动以及排除率，为系统地用仿真技术研究中间
・04・2001年8月
第17卷第4期炼钢Steelmaking Aug.2001Vol.17No.4
包钢水流动、传热和传质的规律提供一个有力的工具。

2中间包夹杂物运动数学模型
通过分析一个微元体夹杂物的质量平衡，可以得到中间包内钢水中夹杂物的传输方程：∂ρC i ∂τ
+∂ρuC i ∂x +∂ρvC i ∂y +∂ρ（w +w jz ）C i ∂z =
µeff σci ∂2C i ∂x 2+∂2C i ∂y 2+∂2
C i ∂z (
)
2
+S i （1）式中
C i —
——夹杂物的密度值，即单位体积内i 粒子的数量
σjz —
——是粒子i 的施密特（Schmielt ）准数，一般情况下我们假设σjz =1W jz —
——夹杂物的特征上浮速度，根据粒子的重力与摩擦力的平衡，由斯托克斯（Stoke ’s ）
定律得w jz =
g （ρ
-ρjz ）d 2i
18µ（2）
式中
d i ———夹杂物的粒子直径ρjz —
——夹杂物的密度ρ，µ———钢水的密度和动力粘度S i —
——源项，由两项组成，一项是夹杂物的碰撞率，一项是顶渣的捕获率
假设夹杂物的形状是球形的，两个夹杂物粒子的碰撞频率可用下式表示：
f jz =1.3（r 1+r 2）3C 1C 2ε
()
v
0.5
（3）
式中
r 1，r 2—
——两个粒子的直径C 1，C 2———两个离子的数量浓度ε—
——钢水的动能耗散率上浮到中间包钢水液面处的夹杂物，我们假设能够被顶渣全部吸收，顶渣捕获夹杂物的公式如下：
q jz =C jz w jz
（4）
式中
C jz —
——液面处单位体积内的夹杂物数量浓度w jz —
——液面处夹杂物的上浮速度。

夹杂物的运动迹线方程：
u =∂x ∂τ，v =∂y ∂τ，
（w +w jz ）=∂z
∂τ
（5）
对上式积分，有
x p =x p 0+u ・Δτy p =y p 0+v ・Δτ
z p =z p 0+（w +w jz ）・}
Δτ
（6）
3计算方法
首先计算中间包内钢水流动的流场［10］
，得到
收敛的流场后，在稳态流场条件下，计算非稳态的夹杂物运动过程。

计算中间包夹杂物排除率的方法，模拟在中间包注入的钢水中，加入一定直径、一定数量的夹杂物，在中间包的出口处记录流出的夹杂物的数量，得出中间包夹杂物排除率。

板坯中间包以马钢三钢厂一机一流中间包为计算对象，异型坯中间包以马钢三钢厂异型坯连铸机为计算对象。

采用板坯中间包作为计算对象，网格划分为：无挡墙时网格节点数是42×10×11；加入挡墙后是45×10×14。

采用异型坯中间包作为计算对象，无挡墙和加入挡墙均是52×23×11。

板坯中间包加入的挡墙为坝与堰形式，异型坯中间
包加入的挡墙是V 型布置［11］
，挡墙中间开孔的结
构。

计算过程中，假定夹杂物上浮到液面时，均被中间包的液面渣捕获。

4中间包夹杂物排除率的仿真计算结果
4.1板坯中间包夹杂上浮率计算
板坯中间包的稳态流场条件下，中间包排除
夹杂物能力的计算结果示于图1。

图1是中间包
没有加入控流装置时，
计算的不同直径的夹杂物在中间包内的排除率。

王建军：中间包夹杂物运动行为的数模研究
越小。

在有挡墙时，50µm以上的夹杂物都能排除，挡墙的作用是很明显地，这主要是由于在坝的作用下，钢水被逼到液面流动，使钢水中的夹杂物很容易被液面的保护渣捕获，大大地提高了中间包的夹杂物的排除率。

4.2异型坯中间包夹杂物上浮率计算
异型坯中间包夹杂物上浮率的计算见图2。

从图2中可以看出，异型坯中间包内，100µm的夹杂物排除率有98%左右，不能够完全从中间包排出。

这是由于异型坯中间包的第3、4两流出口离大包钢水冲击点比较靠近，大颗粒夹杂物来不及上浮造成的。

加入V型挡墙后计算的结果表明，中间包的夹杂物排除率大大地提高，
同上述板坯
中间包加挡墙的效果相同。

图6加挡墙中间包夹杂运动轨迹
期
动，很容易被顶渣捕获。

5.2异型坯中间包夹杂物运动轨迹
异型坯中间包夹杂物运动轨迹，计算结果示于图7和图8中，图7是没有加入挡墙时的条件，计算的夹杂物直径为50µm ，
所以图中夹杂物的轨迹均往上。

图8显示的是小颗粒夹杂物在挡墙内旋转流动增加了上浮的机会。

图7异型坯无挡墙中间包夹杂物运动轨迹
图8异型坯有挡墙中间包夹杂物运动轨迹
）
・
34・王建军：中间包夹杂物运动行为的数模研究。