中间包冶金学士学位论文.doc

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1、在现代连铸的应用和发展过程中，中间包冶金显得越来越重要，其内涵在被不断扩大。为了完成上述功能，已经开发了多项中间包冶金技术,如图1.1所示。1.水口氩封2.密封盖3.内衬耐火材料4.堰和坝5.过滤器6.氩气吹洗装置　7.覆盖剂8.钢包下渣监测系统9.加热装置10.塞棒吹氩图1.1中间包冶金技术的主要内容堰坝、导流隔墙、过滤器和湍流控制器以及它们的组合是现代中间包常用的控流装置，且不同的控流装置对中间包内钢液流动形态的影响各不相同。S.C.Koria等人[16]研究结果表明,中间包内设有控流装置时，最短停留时间增加、活塞

2、流区体积增大、能有效地消除钢液表明的湍流和扰动现象、促进夹杂物的上浮和去除。因此国内外各个钢厂基本上都采用在中间包内设置控流装置的措施来强化和扩大中间包的冶金功能，进一步净化钢液。2.3中间包流动过程的数学模拟本文选择的研究对象为二流板坯连铸中间包，其主要物理参数为：长度5000mm,宽度650mm，自由表面高度1000mm，入口内径50mm，出口内径30mm，两个水口在中间包长度方向的距离为4000mm湍流抑制器置于钢包注流冲击点.入口处钢液流速2.50m/s，出口处钢液流速1.60m/s。其结构示意图如2.3所示。

3、图2.3连铸中间包结构示意图2.3.1钢液流动的运动方程中间包内钢水流动是一个比较复杂的湍流流动过程，本文研究的钢水流动过程可以由下列方程加以描述。连续方程公式(2.1)动量Navier-Stokes(N-S)方程公式(2.2)式中：P为压力，；为流体密度，；为有效粘度系数，，可由湍流模型来确定。本文采用由LAUNDER和SPALDING提出的双方程模型来确定[8].方程（湍流动能方程）公式(2.3)方程（湍流动能耗散率方程）公式(2.4)式中：，为湍流动能产生项；；,为湍流粘度系数；为层流粘度系数；采用LAUNDER

4、和SPALDING的推荐值：。2.3.2边界条件的处理由于二流中间包结构的对称性，计算时只选取其一半来分析。中间包入口的速度根据连铸机的拉速和铸坯断面大小确定。中间包出口速度根据进出中间包的钢水质量流量守恒的原则确定。入口处湍动能和耗散率由下式确定：。其中为入口注流处的速度，为入口截面的半径。由于中间包内钢液的流动状况比较复杂,建立模型时需要做一些假设,因此边界条件可确定为：1、在自由表面上，平行于自由表面的速度分量和其他标量的梯度均为零；2、在固体壁面上，速度、压力、湍流动能及湍流动能耗散率均为零；3、在对称面上，各

5、变量的梯度为零，垂直于对称面的速度分量为零；4、中间包内钢液流动为恒温、稳态、粘性且不可压缩的流动。2.4中间包流场的计算分析2.4.1无控流装置中间包的流场分布状况图2.4为连铸中间包内钢水流动速度场的计算结果，基本上反映了中间包内钢液的流动特征：自钢包注流进入中间包内的钢水以较大的速度向下流动，穿透整个钢水层到达中间包底部，然后沿着包底向四周散开，从中间包出水口流出的钢液很大一部分是从注入流直接流出的，有小部分钢液到达中间包的前后壁面后，再沿着包壁流动，流向中间包出水口。中间包注入流具有较大的卷吸作用,使得注入流区

6、中间包上面部分的钢液反向流动,在中间包左右两侧会形成一个逆时针回流。中间包内产生这种流动会对钢液的质量带来不利的影响。因为新进入中间包内的钢液在包内停留时间较短，钢液中的夹杂物来不及上浮就随着钢液进入了结晶器。此外，注入流的卷吸也可能将自由表面的保护渣卷入钢液，从而形成新的夹杂，其中一部分是不能排除的，这无疑更加重了钢液的污染。因此，在实际中间包冶金过程中，要尽量避免这种流场出现，在中间包内设置控流装置就显得尤为必要了。图2.4中间包无控流装置时的流场分布2.4.2堰坝对中间包钢水流动状况的影响在中间包内设置堰能引导钢

7、液转向下流动，阻止表面回流，并使钢液湍动显著的部分集中在注入流区，下游形成流动平稳的熔池。坝的作用是阻挡流体沿包底的流动，使流动方向转向上方。因此堰设于坝的上游才有改善中间包流动的结果。反之，坝在堰的上游，反而使包底铺展流动更严重。设置堰时，下游必须设置坝，以抑制沿包底的流动。如图2.5(a)所示，中间包内加上堰、坝装置以后，钢液的流动状态发生了很大的变化。由于有堰的存在，把钢水的注入流区限制在较小的范围之内，新注入中间包的钢液在此区域充分混合，成分、温度都能均匀化，然后再经坝流向中间包的出水口。钢水在越过坝之后，首先

8、向液面方向流动，再沿着中间包的上部向两侧流动。这样，中间包内注入流两侧也各形成一个回流，但回流的方向与没有加堰坝时形成的回流方向相反。中间包内钢液的这种流动可将钢水中的夹杂物带向液面，因而非常有利于夹杂物的上浮与去除，从而改善了钢液的质量。此时应该注意到，堰必须设置在坝的上游，才能达到改善中间包内钢液的流动状况的效果。反之，坝在堰