连铸中间包内夹杂物去除行为的物理模拟

万方数据
６７８
东北大学学报（自然科学版）
第３１卷
１实验原理及方法
１．１几何相似和动力相似
水模实验要做到原型和模型的几何相似和动
力相似．针对某中间包，本实验确定几何相似比例
为１：４．模型和原型的主要参数见表１．在中间包系 统中水的流动主要是重力和惯性力起主导作用的
湍流流动，只要保证模型和原型的Ｆｒｏｕｄｅ准数相
２．３控流装置对夹杂物去除行为的影响 其他换包操作参数一定条件下，控流装置对
夹杂物去除行为的影响见图６．由图可以看出，挡 墙挡坝组合的夹杂物去除率比无控流装置时高 ５．５％，而挡墙挡坝加抑湍器组合的去除率比挡墙 挡坝组合高出１７．５％．这说明，换钢包时挡墙挡 坝组合的去夹杂效果要优于无控流装置，而在挡 墙挡坝组合的基础上加入抑湍器其去夹杂效果大
求 ＼ 褂 篮 ·啪 霉 福∈ 球
记加醴硒甜酡∞鼹铂舛ຫໍສະໝຸດ Baidu 注入流量／（ｍ，·ｈ．１）
图５长水口注入流量对夹杂物去除行为的影响 Ｆｊｇ．５ ＥｆｆｅＣｔ ｏｆ ｆｉＩｌｉｎｇ ｆｌｏｗｒａｔｅ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｊｏｎｇ ｒ啦ｚＪｅ
ａｆ ＩａｄｄＩｅ ｏｎ ｉｎｃ｜Ｌｓｉｏｎ ｒ甘ｎＩ了、，ｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ
定量的乳状液通过特定的方法均匀分散在中间包
内．随着流体的流动，每隔一定时间利用吸管收集
上浮至表面的夹杂物和水的混合物，通过特定方
法分离得到纯乳状液，则该条件下的夹杂物去除
率为
弛＝铲、厂，．
（５）
７０
式中：叩△：为特定方案的去除率；△￡为时间间隔，
ｍｉｎ；Ｋ为初始加入的乳状液的体积，ｍ？；Ｖ缸为
△￡时间间隔内去除的乳状液的体积，ｍ３．
ｍｏｄｅｌｉｎｇ
中间包已成为连铸过程去夹杂物的重要场所． 目前对该反应器内夹杂物行为的研究主要是采用 数学和物理模拟方法对中间包内的流场进行优 化【卜４Ｉ．直接研究夹杂物行为的工作中，数学模 拟研究较多［５“］，物理模拟研究较少［７Ｉ．且上述 研究主要集中在稳态条件下的夹杂物行为．换钢 包是连铸过程的重要操作工序，该过程钢水熔池 深度波动大，钢水二次氧化、卷渣等现象较稳态严 重，钢水夹杂物含量明显高于稳态时的水平，因此
收稿日期：２００８，０５．２５ 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目（ＮＣＥｌ、一０４一０２８５）；辽宁省博士启动基金资助项目（２００７１０２０）；中国博士后科
学基金资助项日（２００８０４３１１５３）；山东省博士后创新项目专项资金资助项目（２００７０２０１０）． 作者简介：郑淑国（１９７９一），男，山东安丘人，东北大学讲师，博士；朱苗勇（１９６５一），男，浙江绍兴人，东北大学教授，博士生导师．
定条件下，不同的长水口注人流量对夹杂物去除 行为的影响如图５所示．由图可以看出，总体上， 夹杂物去除率随注入流量的增加而呈上升趋势，但 不同流量区间内夹杂物去除率的变化速率不同．具 体来说，当注人流量在１．９～２．５ ｍ３·ｈ－１时，夹杂 物的去除率随注人流量增加提高缓慢，但当注入 流量超过２．５ ｍ３．ｈ１时，夹杂物去除率随注入流 量增加提高很快．可见，换钢包操作时，以大于 ２．５ ｍ３．ｈ。１的注人流量注入钢液有较好的去夹杂 效果．
第３１卷第５期 ２０ １ ０年５月
’东北大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｄｅｎｃｅ）
Ｖ０１．３１．Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２ ０ １ ０
连铸中间包内夹杂物去除行为的物理模拟
郑淑国，朱苗勇，王颖
（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳儿ｏ００４）
坝组合控流装置的去夹杂效果较无控流装置有明显改善，在此基础上加入抑湍器后，去夹杂效果明显改善．
关键词：连铸中间包；换钢包；乳状液滴；夹杂物；物理模拟
中图分类号：ＴＦ ７７７．１
文献标志码：Ａ
文章编号：１００５—３０２６（２０１０）０５一０６７７．０４
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ ＲｅｍｏＶｉｎｇ ＢｅｈａＶｉｏｒ ｉｎ
（ａ）一初始形貌；（ｂ）一粒径分布．
第５期
郑淑国等：换包过程连铸中间包内夹杂物去除行为的物理模拟
６７９
为３０５胛，则由式（３）和式（４）可知，该乳状液滴 可以模拟初始当量直径为７９．４脚的越０３和 ６７．５胛的ＳｉＱ夹杂物．
１．３实验方法
实验装置如图３所示．流体从钢包经长水口
流入中间包内，开始模拟换钢包过程的同时将一
等…，就能保证它们的动力相似．由此可计算出 模型实验中所对应于原型钢液流量的水流量，即
Ｑ。＝Ａ厶３Ｑ。，
（１）
式中Ｑ。和Ｑ。分别为模型和原型的流体流量，
ｍ３／ｈ．
表１ 原型和模型的主要参数 ＴａｂＩｅ １ⅣＩａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｍａｄｅＩ ａｎｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ
ｍｍ
１．２模拟介质的确定
图３实验装置示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｌｌｃ ｏｆ劬晖冶ｒｊｍｅｎｔａＩ∞¨ｐ
实验模拟换钢包过程如下：在保持中间包流 量为稳态工作流量（对应于原型的铸机工作拉速） 及长水口注入流量为换钢包过程某个值条件下， 使中间包液面从某一初始液面高度开始上升，待 中间包液面上升到稳态工作液面高度后，调整长 水口注入流量使中间包液面稳定在工作液面高度 并以稳态工作流量进行浇注．
２结果与讨论
２．１ 中间包初始液面高度对夹杂物去除行为的 影响 中间包内无控流装置及其他换包操作参数一
定条件下，不同的中间包初始液面高度对夹杂物 去除行为的影响见图４．由图可以看出，中间包初 始液面高度从工作液面Ｈ的ｌ／４升到３／４过程 中，夹杂物去除率随其改变提高速度较快，但从 ３／４到工作液面过程中，夹杂物去除率提高比较 缓慢．这表明：单从夹杂物去除角度考虑，换钢包
ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅ日ｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｆｌｏｗｒａｔｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｌｏｎｇ ｎｏｚｚｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｍａｖａｌ ｏｆ
ｉｍｐ删ｉｎ ｉｎｃｌｕＳｉｏｎｓ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｆ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｌｌｇ ｆｈ州ｒａｔｅ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ２．５ ｒｎ３／ｈ．Ｔｌｈｅ础ｎｏｖａｌ。ｆ
Ａｂｓｔ均ｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｎｌｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌｌｅｖｅｌ ｉｎ ｔ咖ｄｉＳｈ，ｆｉｌｌｉｎｇ ｎｏｗｒａｔｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｌｏｌｌｇ
ｒｌｏｚｚｌｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ∞ｎｔｒｏｌ ｄｅＶｉｃｅｓ ｏｎ ｒｅｍ而ｎｇ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｆ贼ｎ∞ｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｔｕｎｄｉｓｈ ｄｕｄｎｇ
过程将中间包初始液面高度控制在工作液面的 ３／４比较合适．
中间包液面高度
图４ 中间包初始液面高度对夹杂物去除行为的影响
Ｆｉｇ．４
ＥｆｆＥ戈ｔ ａｆ ｉｎｉｔｉａＩ ｍＯｆｔｅｎ ｓｔｅｅ｜ＩｅｖｅＩ．ｎ ｔｕ『１ｄｉｓｈ
ｏｎ ｉｎｃｌ岭ｉｏｎ ｒｅｍ。ｖｉｎｇ ｂｅｈａＶ衙
２．２长水口注入流量对夹杂物去除行为的影响 中间包内无控流装置及其他换包操作参数一
ｗｉｔｈ锄ｕｌｓｉｏｎ ｃｈａ画ｎｇ ｌａｄｌｅ
ｗｅｒｅ ｉｎ、＾皓ｔｉｇａｔｅｄ、，ｉａ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔｉｎｇ
ｄ１．ｏｐｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ
ｒ咖ｏｖｅｄ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ
ｑｕｉｃｋｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｒａ【ｎｇｅ ｆｒｏｍ １／４ ｔｏ ３／４
对业０３有：
挚：警：３．８“４”，’
（Ｖ３）７
Ｒｉｗ，ｐ
ＤｉＩｌｃ，ｐ
对Ｓ慨有：
挚：警：４．５２，
（、‘４ｔ）７
ＲｉＩ】ｃ，ｐ—Ｄｉｌｌｃ。ｐ一．ｔ。Ｊ‘’
式（３）和式（４）中，Ｄ为直径，ｍ．实验中乳状液滴
的初始形貌及粒径分布如图２所示，其当量直径
万方数据
Ｆｉｇ．２
图２乳状液滴的初始形貌及粒径分布 Ｉｎ．ｔｉａＩ ｍＤｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｄｉｓｌｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｆ ｅｎⅥＩｓｉ∞ｄｒｑ。ｓ
万方数据
东北大学学报（自然科学版）
第３１卷
奎棼妻：曼丝鍪竺鲁磬竺曼髦兰挡坝加抑湍器
组合控流装置有很好的去夹杂效果．
８０ 长， Ｋ兀注 人流量１． ９ｍ３墙一
７０ ‘中ｆ 可包初 始液面商 ｉ度删２
求 ＼ ６０
静５０
鬟４０
蓑３０
眯２０
１
ｌ
１０
０ Ａ
Ｂ
Ｃ
图６控流装置对夹杂物去除行为的影响 Ｆｉｇ．６ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏＩ ｄｅｖｉ∞ｓ∞ｉｎｃ№ｉ∞
采用水模拟钢液，乳状液滴模拟夹杂物．对于
中间包内夹杂物的模拟，ｓａｈａｉ和Ｅｍｉ［９］提出，模
型与原型中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及熔液密
度存在着定量关系，即：
『“一眦１］ｏ－５
惫划省｜若蕃ｌ一２，
Ｌ＼１
』０。川
式中：Ｒ为半径，ｍ；ＩＤ为密度，妇／ｍ３；下标ｍ和ｐ 分别代表模型和原型；下标ｉｎｃ，ｓｔ和ｗ分别代表 夹杂物、钢液和水．由式（２）可知，模型与原型的夹
图１夹杂物碰撞长大图 Ｆｉｇ．１ Ｇ胁ｆｍ ０ｆ ｉｎｃＩｕｓｉｏｎ ｐａｒｌｊｃ惦ｔｈｒｏｕｇｈ∞…ｓＩ∞
表２原型与模型介质的密度
Ｔ￡ＩｂＩｅ ２ ＤＩ抓ｓｉｔｙ ｏｆｔｈｅｍｅｄｉａ啪ｄ ｉｎｍｏｄｅＩｉｎｇ
ａｎｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ
ｋ·ｍ一３
将Ａ＝１／４及表２中有关数据代人式（２），可
以得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系．
ｉｎｃｌｕＳｉｏｎｓ ｉｓ ｆｕｎｈｅｒ
ｔｕｎｄｉｓｈ ｗｉｔｈ ａ ｆｌａｗ∞ｎｔｍｌ ｄｅｖｉｃｅ Ｏ。ｎｔａｉｎｉｎｇ ｄａｒＩｌ／Ｗａｌｌ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ
ａ ｔｕｒｂｕｌｅｎｏｅ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ｕｓｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ００ｎｔｉｎＬＤｕＳ ｃａｓｔｉｎｇ ｔｕｎｄｉｓｈ；ｌａｍｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ；锄ｕｌｓｉｏｎ ｄｒｏｐ； ｉｎｄｕｓｉｏｎ；ｐｈｙｓｉｃａｌ
摘
要：通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包物理模型实验，考察了换钢包过程中，中间包初始
液面高度、长水口注入流量及控流装置对中间包内夹杂物去除行为的影响规律．结果表明：中间包初始液面高
度从工作液面的１／４到３／４过程中夹杂物去除率提高较快，３／４工作液面为较理想的换钢包操作液面；夹杂
物的去除率随长水口注入流量的增加而增大，注入流量超过２．５ ｍ３ｈ－１时，夹杂物去除效果明显改善；挡墙挡
杂物密度不必严格满足相似第二定律要求，即模
拟夹杂物与水的密度之比等于夹杂物与钢液的密 度之比，也可以近似模拟实际钢液中夹杂物的运
动行为．本实验采用一种无色、不溶于水、常温下 不挥发且稳定的乳状液滴来模拟夹杂物．该乳状 液滴不被水所润湿，且多个液滴碰撞后会因为界 面张力作用而形成簇状物，如图１所示，这与钢液 中非金属夹杂物碰撞并形成簇状夹杂物的过程是 非常相似的．原型与模型介质的密度见表２．
ＣＯｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｔｕｎｄｉｓｈ
乃由卧，Ｇ Ｓ：『ｌ“一ｇ加，ＺＨＵ Ｍ玉灶）删ｇ，矾”，ＧⅥ曙 （Ｓｃｈ００ｌ ｏｆ Ｍａｔ“ａｌｓ＆Ｍｅｔａｌｌｕｒｇ）ｒ，ＮＤｎｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｓｈ朗ｙａｎｇ １１０００４，（＝１１ｉｍ．Ｃ［脚嘲瑚ｄ朗ｔ：Ｚ陋ＮＧ
ｓｈｕ．ｇｕｏ，ＢＩＩｌａｉｌ：蚰鹅＠湖１．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃ１１）
陀ｎ１Ｋ）ｖｉｎｇ ｂｅｈａＶｉＯｒ
Ａ·无控流装置；卜挡墙挡坝组合；
Ｃ＿挡墙挡坝加抑湍流器组合．
３结 论
１）中间包初始液面高度从工作液面Ｈ的 １／４升到３／４过程中，夹杂物去除率随其改变提高 速度较快，但从３／４到工作液面过程中，夹杂物去 除率提高比较缓慢．３／４工作液面为较理想的换 包操作液面．
如何控制该过程的夹杂物已成为洁净钢生产的重 要环节．但目前对该过程夹杂物行为的研究较少， 且主要集中在对过程的取样分析上【８Ｊ，物理模拟 的工作还未见报道．近年来，一种可以模拟夹杂物 碰撞长大的物理模拟方法逐渐得到应用¨７｜，本文 采用该物理模拟方法，考察了换钢包过程中，中间 包初始液面高度、长水口注入流量及控流装置对 中间包内夹杂物去除行为的影响规律．
ｏｆ ｔｈｅ ｆｕＵ ｄｅｐｔｈ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆ∞ｍ ｔｈｅ ｉＩｌｉｔｉａｌ ｒｎｏｌｔｅｎ Ｓｔｅｅｌｌｅｖｅｌｉｎ ｔｕｎｄｉｓｈ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ０ｆ
３／４ ｏｆ ｆｕｎ ｄｅｐｔｈ ｓｅＩ锄ｓ ｔｏ ｂｅ ａｎ ｉｄｅａｌ、阳ｒｋｉｎｇ ｌｅｖｅｌ ｆｏｒ ｌａｄｌｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ．Ｔｈｅ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ ｒ啪ｏｖａｌ ｒａｔｅ