某100 t電爐連鑄中間包流場診斷分析研究

郝曉倩，高立福，武光君，武玉利

（萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司，山東 濟南 271104）

中間包是一種冶金容器，位于鋼包與結晶器之間，起著減壓、穩流、去渣、儲鋼、分流等作用［1］。良好的中間包流場對鋼液中夾雜物去除有著重要的作用。當前，某100 t電爐的連鑄中間包內僅有湍流抑制器、多孔擋墻，為此，本文利用數值模擬及水模擬方法對該連鑄中間包的流場進行診斷分析研究并提出優化方案。

1 數值模擬

1.1 幾何模型建立

某100 t電爐的連鑄中間包原幾何模型結構示意圖如圖1所示，1～5分別為5個浸入式水口，6為多孔擋墻，7為多孔通道，8為鋼包長水口，9為抑制湍流器。

圖1 連鑄中間包原模型結構示意圖

連鑄中間包為軸對稱結構圖形，為了降低計算成本，本研究采用1∶3的1/2模型作為研究對象。如圖2所示。

圖2 數值計算模型

1.2 數學模型建立

模型中鋼包長水口、湍流器通過擋墻上的多孔與回流區連接成一個空腔，且假設：忽略塞棒對流場的影響，鋼液采用不可壓縮的粘性流體。

1.2.1 基本控制方程

連續性方程：

式中：xi為速度矢量；ui為方向矢量。

動量方程：

湍動能（k）方程：

湍動能耗散（ε）方程：

1.2.2 邊界條件

入口采用速度入口邊界為1.5 m/s，出口采用質量流量出口邊界，壁面采用無滑移邊界。

1.3 結果分析

從圖3、圖4中可以看出，流體從入口進入湍流抑制器內，形成向上的回流使鋼液湍動能減小并充分混合，然后通過多孔擋墻進入包腔回內，形成回流增加鋼液停留時間。

圖3 Y-O-Z中心界面的速度質量圖

圖4 中間包流線圖

2 物理模擬

2.1 實驗原理

基于相似原理，在實驗室利用有機玻璃代替耐火材料制作中間包，利用水模擬鋼液，建立物理模擬系統，測量停留時間分布應用“刺激-響應”實驗。其方法：在中間包注入流處輸入一個刺激信號，信號用KCl示蹤劑來實現，然后在中間包出口處測量該信號的輸出，即所謂響應，從響應曲線得到流體在中間包內的停留時間分布，實驗原理圖如圖5所示［2］。當流體流動狀態不易或不能直接測量時，仍可從響應曲線分析其流動狀況及其對冶金反應的影響。

圖5 實驗原理圖

2.2 實驗結果分析

從圖6可以看出，2#和4#浸入式水口首先感應到刺激信號，然后1#和5#感應到刺激信號，3#最后感應到刺激信號。可以判斷流體從鋼包長水口進入湍流抑制器，然后通過多孔擋墻流向中間包兩側，一部分流體首先從2#和4#浸入式水口流出，一部分繼續向兩側流動，從1#和5#浸入式水口流出，少部分向反方向流動形成回流，最終從3#浸入式水口流出。

圖6 中間包各流所對應的RTD曲線

3 結語

通過數值模擬和物理模擬研究手段，對某100 t電爐的中間包進行診斷分析，在實際生產中應該采取必要的措施（如增加擋墻出口傾角、增加導流壩等），延長鋼水經過2#和4#出口的停留時間，發揮中間包冶金的基本功能。

參考文獻：［1］朱苗勇.現代冶金工藝學［M］.北京：冶金工業出版社，2013．［2］楊小容.連鑄中間包內鋼中夾雜物運動行為模擬研究［D］.武漢：武漢科技大學，2004．