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1、基金項目：上海市科委科技攻關(guān)重點項目資助(No.065212079)1連鑄離心中間包內(nèi)鋼液流動行為的數(shù)值模擬連鑄離心中間包內(nèi)鋼液流動行為的數(shù)值模擬王赟鐘云波王保軍任忠鳴雷作勝任維麗（上海大學(xué)上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點實驗室上海200072）摘要：采用數(shù)值模擬的手段考察了離心中間包內(nèi)的鋼液流動特性，分析了壩在不同位置時的流場，并對實際生產(chǎn)過程中壩上開孔情況下的鋼液流場進行了研究。研究結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)室的切向出流導(dǎo)致了分配室內(nèi)偏流的形成。當

2、壩離旋轉(zhuǎn)室出口較近時，在由偏流股所引起的流場非對稱性的影響下，分配室內(nèi)形成了較大的水平環(huán)流。環(huán)流的形成有利于鋼液的充分混合，且增大了夾雜物上浮去除的幾率。隨著壩距的增加，環(huán)流特征消失，鋼液流動狀況變差。另外，基于分配室內(nèi)的偏流特征，將壩上的開孔位置設(shè)在遠離偏流一側(cè)時的鋼液流場最為理想，所得結(jié)果可為實際應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞：離心中間包；流動特性；數(shù)值模擬NumericalSimulationofSteelFlowBehaviinCentr

3、ifugalFlowTundishfContinuousCastingWANGYunZHONGYunboRENZhongmingWANGBaojunLEIZuoshengRENWeiLi(ShanghaiKeyLabatyofModernMetallurgyflowbehavinumericalsimulation1前言隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展，對鋼的潔凈度的要求不斷提高，而中間包作為鋼液凝固之前所經(jīng)過的最后一個耐火材料容器，對鋼的質(zhì)量有

4、著重要的影響。因此，如何優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)，獲得最佳的流場和更長的平均停留時間，提高夾雜物的去除效率，成為中間包冶金的重要內(nèi)容之一。目前中間包中提高夾雜物去除效率的主要方法有擴容、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、底部吹氬、氬氣保護、等離子體加熱等。但是這些方法對于夾雜物（特別是小型夾雜）的去除效果仍然有限。因此隨著用戶對高品質(zhì)、低價格鋼材需求的增加，迫切需要開發(fā)更高效的夾雜物分離技術(shù)。近年來，日本川崎鋼鐵公司（現(xiàn)為JFE鋼鐵公司）成功開發(fā)了離心流動中間包[1

5、3]技術(shù)，在線應(yīng)用取得較好的效果，達到了高拉速、高清潔度的目的。目前該技術(shù)在日本仍被用于部分精品鋼的生產(chǎn)。其分離夾雜的機理為：利用旋轉(zhuǎn)磁場在圓筒狀中間包內(nèi)產(chǎn)生的電磁離心力使輕相的非金屬夾雜物向旋轉(zhuǎn)中心區(qū)集中，并在集中過程中上?。挥尚D(zhuǎn)攪拌所產(chǎn)生的強湍流促進了夾雜物的碰撞和聚合而大型化；旋流抑制了短路流的發(fā)生，延長了鋼液的停留時間，從而更好的確保了夾雜物的上浮去除。這種技術(shù)由于具有無需與鋼液接觸、夾雜物開路排放、夾雜物去除效率高等特點而成

6、為鋼液夾雜去除的一種頗具潛力的方法。該技術(shù)一出現(xiàn)即得到冶金工作者的廣泛重視。但是由于技術(shù)保密等原因，這一技術(shù)在國內(nèi)尚未得到推廣和應(yīng)用。因此積極研究和開發(fā)該項技術(shù)具有十分重要的意義。目前關(guān)于離心中間包技術(shù)的研究報道相對較少。Miki等曾對旋轉(zhuǎn)室內(nèi)的鋼液流動和夾雜物軌跡進行了數(shù)值模擬研究，但是他們沒有考慮旋轉(zhuǎn)室出流對分配室內(nèi)流場的影響。李寶寬等[45]曾進行了采用大包彎水口以提高離心室旋流強度的數(shù)值模擬研究，其研究著重于如何提高旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)鋼液

7、的旋流強度，而對于分配室內(nèi)的流場特征卻未見詳細的探討分析。因此，為了深入了解包括分配室在內(nèi)的離心中間包整體流場特性，本文針對在某鋼廠已改造成功的離心中間包結(jié)構(gòu)和操作工藝參數(shù)，采用CFX商業(yè)軟件對離心中間包內(nèi)的流3面上，速度、壓力采用無滑移邊界條件，在近壁區(qū)，采用壁面函數(shù)確定速度和湍流特性參數(shù)。出口處，速度分量和除壓力外的其它標量的梯度均設(shè)為0。3.4數(shù)值求解本研究采用ANSYSCFX軟件進行所有控制方程的離散、求解，電磁力包含在動量方程

8、體積力源項中。為保證迭代收斂和較高的求解精度，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行整個計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目大約60萬。計算的收斂標準是各變量的計算殘差均在1105以下。4計算結(jié)果及討論4.1壩的位置對流場的影響在相同的磁感應(yīng)強度(B0=0.07T)下研究了擋壩的位置對流場的影響。為了方便敘述，將壩與旋轉(zhuǎn)室出口之間的距離定義為壩距L。圖2為壩距L=0.4m時中間包不同高度截面內(nèi)的流場分布。從圖中可以看出，在離心力作用下，旋轉(zhuǎn)室內(nèi)的鋼液產(chǎn)生了水

9、平旋轉(zhuǎn)運動，旋流的產(chǎn)生促進了夾雜物的聚集及碰撞聚合。在旋轉(zhuǎn)室出口處，由于慣性力的作用，鋼液以切向方向沿著連接通道的后部壁面流入分配室。由于切向出流股進入分配室后偏向一側(cè)，因而將其稱之為偏流（如圖2(a)所示）。偏流造成了壩前方鋼液流動的非對稱性，即靠近前側(cè)包壁區(qū)域的鋼液流動較強，而靠近后側(cè)包壁區(qū)域的鋼液流動則相對較弱。這種流動非對稱性因素對分配室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)有著重要的影響。(a)通過旋轉(zhuǎn)室出口；(b)中間包高度一半；(c)靠近自由液面圖

10、2離心中間包不同橫截面內(nèi)的流場分布Fig.2Predictedvelocityfieldinthetundishatdifferentcrosssections圖3(a)為該壩距下中間包內(nèi)的三維流線分布。從圖中可以看出，偏流股碰撞壩壁之后，在壩前方將產(chǎn)生沿著壩壁向上并朝著分配室左側(cè)包壁翻卷的回流股。由于此時的壩距相對較小，所以左側(cè)包壁對回流股有較強的限制作用?；亓鞴膳龅阶髠?cè)包壁后，在左側(cè)壁前端反彈。從圖2(b)中靠近液面的橫截面流場分布

11、可更為清楚地看到，反彈流股向著后側(cè)包壁流動，而后在各方包壁的約束作用下形成了較大的水平環(huán)流。由于慣性力的作用，環(huán)流層層推進，一直延續(xù)到中間包底，如三維流線分布所示。從環(huán)流的流速分布看，其速度較低，不會出現(xiàn)卷渣的情況。在常規(guī)中間包內(nèi)，壩后方的鋼液流動緩慢，最容易形成死區(qū)。而上述環(huán)流的形成使得分配室內(nèi)的鋼液存在橫向截面內(nèi)的混合，在壩后的死區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了一定程度的鋼液流動，從而減小了死區(qū)體積，鋼水混合更為均勻。另外，這種環(huán)流流動方式延長了鋼液的停