连铸中间包耐火材料的冲蚀特性与控流装置的优化设置
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程 ， 耐火 材 料 的侵 蚀 是 由多 相 流 动 、 应 力 、 对 热 化 学反 应及 传质 过程协 同作 用所 造成 的 。在 实际 工 况 条 件 下 ， 间包 内 的钢 液 一 直 处 于 流动 状 态 。 中 渣线处 工作 层耐 火材 料 的侵 蚀是 由熔 渣与 耐火 材
拟 熔渣 对耐火 材料 的侵蚀 速率 ］ 。对 于耐 火材 料 的机械破 坏 ， 通 过 热应 力 计 算 及裂 纹 的扩 展 进 则 行 分析 。随着 不 润 湿钢 液 耐 火 材料 的 出现 ， ］ 如
中间包 用 耐火材 料 的损 毁原 因主要包括 化 学 侵蚀 、 机械 破坏 和钢 液 的冲蚀 。以往 ， ］ 人们 主要 采用 抗渣实 验对 耐 火 材 料 的化 学 侵 蚀 进行 研 究 ，
认 为 化 学 侵 蚀 主 要 由 扩 散 过 程 控 制 ， 通 过 计 ］并
计 算 了在控 流装 置布 置不 同 的情 况下 钢液 对耐 火 材料 的 冲蚀 强度 ， 合 停 留时问 分 布 （ ＴＤ） 线 结 Ｒ 曲 讨 论 了 中间包控 流 装 置 布 置 的基 本 原 则 ， 以期 为 中间包 内控 流装wenku.baidu.com置的优 化设 置提供 参 考 。
实 。对 于 冲蚀 的数 值 模 拟研 究 ， ｊ 主要 限于 对 耐
火材料 壁 面处 的剪 切 应 力进 行 分 析Ｅ 或 耦 合 钢 ，
流装 置受 到 冲蚀 不 仅影 响 中间 包 的使 用 寿 命 ， 而
且影 响其 控流作 用 的发挥 ， 化钢液 的流 动状 态 ， 恶 不利 于夹 杂 物 的去 除 。 因此 ， 流装 置 的 冲蚀 损 控 毁是 中间包 内冲蚀研 究 的重点 内容 。 中间包 内高速流 动 的钢液与 耐火 材料壁 面之 间 由于相对 运动 而 产 生 剪切 应 力 ， 而 不 断地 撕 从 裂、 剥落 表 面耐 火 材 料 。钢液 对 耐 火 材料 的 冲蚀 强 度 可 以 表 示 为 剪 切 应 力 与 湍 流 强 度 的 函
连 铸 中 间包 耐 火 材 料 的 冲 蚀 特 性 与 控 流 装 置 的 优 化 设 置
张美 杰 ， 黄 奥 ， 华 志 ， 晨 ， 吉 元 顾 白 张
（ 汉 科 技 大 学 耐 火 材 料 与 高 温 陶 瓷 国家 重 点 实 验 室 培 育 基 地 ， 北 武 汉 ， ３ ０ １ 武 湖 ４０ ８ ）
算反 应生成 物在 钢液 中的传 质速率 来分 析耐火 材 料 的侵 蚀速 率 。近 年 来 ， 究 人员 通 过 建 立 耐 ｊ 研 火材料 与熔 渣之 间化学 反应 的热动力 学 模型来 模
１ 中 间包 耐 火 材 料 侵 蚀 机理
中问包 内存在 复杂 的多 相流 动与化 学反应 过
第３ ３卷 第 ５期
２ ０年 ｌ ０１ Ｏ月
武
汉
科
技
大
学
学
报
Ｖｏ ． ３． ． １ ３ Ｎｏ ５
Ｊ ｕ ｎａ ｆ Ｗ ｕ ｎ Ｕｎｉ ｒ ｉｙ ｏ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈｎｏｏ ｙ ｏ ｒ ｌｏ ｈａ ｖｅｓｔ ｆＳｃｅ ｃ ｎ ｃ ｌｇ
０ｃ ．２ ０ ｔ ０１
蚀掉 ， 别建 立 了不 同阶段 的数 学 模 型并 进 行 了 分
简单 的数值模 拟计 算 。
中间包控 流装 置 （ 火材料 ） 耐 的损 毁 原 因 主 要
是 钢液 的冲蚀 。本文 基于 计算 流体力 学 （ Ｆ 建 Ｃ Ｄ）
立 中间包 内钢 液对 耐 火 材 料 的 冲蚀 预 测模 型 ， 并
摘 要 ： 间 包 内耐 火材 料 的 损 毁 是 化 学 反 应 、 应 力与 钢 液 流 动 的 协 同作 用所 致 ， 中 热 中间 包 内控 流 装 置发 生侵 蚀 的 主要 原 因是 钢 液 对耐 火材 料 的 冲蚀 。对 设 置 有 湍 流 控 制 器 、 渣 堰 、 渣 坝 的 中 间 包 耐 火 材 料 的 冲蚀 特 性 挡 挡
含碳 耐火 材料 、 含锆 耐火材 料等 ， 钢液 对耐火 材料 的 冲蚀破 坏 已逐 渐 引起 研究 人员 的重 视 。 ， ］ 钢液
流 动 参 数 对 冲 蚀 的 影 响 也 通 过 水 模 实 验 得 到 了 证
料 的化 学反 应及 流 体 力 学 因素 所 致 ； 他 区 域工 其
作 层及 控流 装置耐 火材 料基 本不 与钢 液发生 化学 反 应 ， 侵蚀 主 要是 由 于流 体 力 学 因素 所 致 。控 其
数ｌ “ ， １ ｊ 即
一
液流动 与传质 过程 ， 根据 经 验 数 据定 义 中问 包 内
耐火材料 的损毁 因 子 ， 考察 中间 包 内耐 火 材 料 的 损 毁情 况 ］ ａ ｂ ｌ 等 。 将 耐 火 材 料 的侵 蚀 。Ｃ ｍｐ ｅｌ 。
分 为 ３个 过程 ： 渣 向耐火 材料 内的渗 透 、 渣与 钢 钢 耐火 材料 的反应 以及生 成物 在剪切 力作 用下 被 冲
进行 数 值 模 拟 计 算 与分 析 ， 果 表 明 ， 间 包 内冲 蚀 最 严 重 的 部 位 是 在 湍 流 控 制 器 及 结 中 中击 区 包壁 上 部 １ ３处 ， ／
其 次是 挡 渣 堰 迎 向钢 液 流 动 一 侧 壁 面 ； 着挡 渣 堰 与钢 液入 口距 离 的增 加 ， 液 对 挡 渣 堰 、 渣 坝 的冲 蚀 强 度 随 钢 挡 下 降 ； 据 停 留 时 间 分 布 （ Ｔ 曲线 设 置 中间 包控 流 装 置 时 ， 考 虑 钢 液 对 耐 火材 料 的 中 特 性 。 根 Ｒ Ｄ） 应 蚀 关键词 ： 连铸 中 间 包 ； 火材 料 ； 流 装 置 ； 耐 控 冲蚀 ； 值 模 拟 数 中图 分 类 号 ： Ｆ ６ Ｔ ０３ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ４３ ４ （ ０ ０ ０ — ４ ９０ １ ７—６ ４ ２ １ ）５０４ —４
拟 熔渣 对耐火 材料 的侵蚀 速率 ］ 。对 于耐 火材 料 的机械破 坏 ， 通 过 热应 力 计 算 及裂 纹 的扩 展 进 则 行 分析 。随着 不 润 湿钢 液 耐 火 材料 的 出现 ， ］ 如
中间包 用 耐火材 料 的损 毁原 因主要包括 化 学 侵蚀 、 机械 破坏 和钢 液 的冲蚀 。以往 ， ］ 人们 主要 采用 抗渣实 验对 耐 火 材 料 的化 学 侵 蚀 进行 研 究 ，
认 为 化 学 侵 蚀 主 要 由 扩 散 过 程 控 制 ， 通 过 计 ］并
计 算 了在控 流装 置布 置不 同 的情 况下 钢液 对耐 火 材料 的 冲蚀 强度 ， 合 停 留时问 分 布 （ ＴＤ） 线 结 Ｒ 曲 讨 论 了 中间包控 流 装 置 布 置 的基 本 原 则 ， 以期 为 中间包 内控 流装wenku.baidu.com置的优 化设 置提供 参 考 。
实 。对 于 冲蚀 的数 值 模 拟研 究 ， ｊ 主要 限于 对 耐
火材料 壁 面处 的剪 切 应 力进 行 分 析Ｅ 或 耦 合 钢 ，
流装 置受 到 冲蚀 不 仅影 响 中间 包 的使 用 寿 命 ， 而
且影 响其 控流作 用 的发挥 ， 化钢液 的流 动状 态 ， 恶 不利 于夹 杂 物 的去 除 。 因此 ， 流装 置 的 冲蚀 损 控 毁是 中间包 内冲蚀研 究 的重点 内容 。 中间包 内高速流 动 的钢液与 耐火 材料壁 面之 间 由于相对 运动 而 产 生 剪切 应 力 ， 而 不 断地 撕 从 裂、 剥落 表 面耐 火 材 料 。钢液 对 耐 火 材料 的 冲蚀 强 度 可 以 表 示 为 剪 切 应 力 与 湍 流 强 度 的 函
连 铸 中 间包 耐 火 材 料 的 冲 蚀 特 性 与 控 流 装 置 的 优 化 设 置
张美 杰 ， 黄 奥 ， 华 志 ， 晨 ， 吉 元 顾 白 张
（ 汉 科 技 大 学 耐 火 材 料 与 高 温 陶 瓷 国家 重 点 实 验 室 培 育 基 地 ， 北 武 汉 ， ３ ０ １ 武 湖 ４０ ８ ）
算反 应生成 物在 钢液 中的传 质速率 来分 析耐火 材 料 的侵 蚀速 率 。近 年 来 ， 究 人员 通 过 建 立 耐 ｊ 研 火材料 与熔 渣之 间化学 反应 的热动力 学 模型来 模
１ 中 间包 耐 火 材 料 侵 蚀 机理
中问包 内存在 复杂 的多 相流 动与化 学反应 过
第３ ３卷 第 ５期
２ ０年 ｌ ０１ Ｏ月
武
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Ｖｏ ． ３． ． １ ３ Ｎｏ ５
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蚀掉 ， 别建 立 了不 同阶段 的数 学 模 型并 进 行 了 分
简单 的数值模 拟计 算 。
中间包控 流装 置 （ 火材料 ） 耐 的损 毁 原 因 主 要
是 钢液 的冲蚀 。本文 基于 计算 流体力 学 （ Ｆ 建 Ｃ Ｄ）
立 中间包 内钢 液对 耐 火 材 料 的 冲蚀 预 测模 型 ， 并
摘 要 ： 间 包 内耐 火材 料 的 损 毁 是 化 学 反 应 、 应 力与 钢 液 流 动 的 协 同作 用所 致 ， 中 热 中间 包 内控 流 装 置发 生侵 蚀 的 主要 原 因是 钢 液 对耐 火材 料 的 冲蚀 。对 设 置 有 湍 流 控 制 器 、 渣 堰 、 渣 坝 的 中 间 包 耐 火 材 料 的 冲蚀 特 性 挡 挡
含碳 耐火 材料 、 含锆 耐火材 料等 ， 钢液 对耐火 材料 的 冲蚀破 坏 已逐 渐 引起 研究 人员 的重 视 。 ， ］ 钢液
流 动 参 数 对 冲 蚀 的 影 响 也 通 过 水 模 实 验 得 到 了 证
料 的化 学反 应及 流 体 力 学 因素 所 致 ； 他 区 域工 其
作 层及 控流 装置耐 火材 料基 本不 与钢 液发生 化学 反 应 ， 侵蚀 主 要是 由 于流 体 力 学 因素 所 致 。控 其
数ｌ “ ， １ ｊ 即
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液流动 与传质 过程 ， 根据 经 验 数 据定 义 中问 包 内
耐火材料 的损毁 因 子 ， 考察 中间 包 内耐 火 材 料 的 损 毁情 况 ］ ａ ｂ ｌ 等 。 将 耐 火 材 料 的侵 蚀 。Ｃ ｍｐ ｅｌ 。
分 为 ３个 过程 ： 渣 向耐火 材料 内的渗 透 、 渣与 钢 钢 耐火 材料 的反应 以及生 成物 在剪切 力作 用下 被 冲
进行 数 值 模 拟 计 算 与分 析 ， 果 表 明 ， 间 包 内冲 蚀 最 严 重 的 部 位 是 在 湍 流 控 制 器 及 结 中 中击 区 包壁 上 部 １ ３处 ， ／
其 次是 挡 渣 堰 迎 向钢 液 流 动 一 侧 壁 面 ； 着挡 渣 堰 与钢 液入 口距 离 的增 加 ， 液 对 挡 渣 堰 、 渣 坝 的冲 蚀 强 度 随 钢 挡 下 降 ； 据 停 留 时 间 分 布 （ Ｔ 曲线 设 置 中间 包控 流 装 置 时 ， 考 虑 钢 液 对 耐 火材 料 的 中 特 性 。 根 Ｒ Ｄ） 应 蚀 关键词 ： 连铸 中 间 包 ； 火材 料 ； 流 装 置 ； 耐 控 冲蚀 ； 值 模 拟 数 中图 分 类 号 ： Ｆ ６ Ｔ ０３ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ４３ ４ （ ０ ０ ０ — ４ ９０ １ ７—６ ４ ２ １ ）５０４ —４