六流T型中间包夹杂物去除行为的数值模拟

祝航航¹，王敏^1,2，姚骋¹，包燕平¹

(1. 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室， 北京 100083；2. 北京科技大学金属冶炼重大事故防控技术支撑基地， 北京 100083)

摘要：以41 t圆坯连铸中间包为研究对象，运用ANSYS软件，结合流动模型、拉格朗日离散相模型模拟钢液流动和夹杂物行为。通过用户自定义函数为中间包钢渣界面的边界条件设置了一种新的判定标准，即根据夹杂物的受力情况判定夹杂物上浮去除或进入钢液。通过数值模拟计算中间包出口处夹杂物数密度，并与工业试验结果对比，发现新的判定标准较传统的捕捉(trap)边界条件具有更高的计算精度。基于上述模型计算了稳态浇铸过程中间包内不同粒径氧化铝夹杂物的上浮时间、上浮位置及去除率。上述结果为更好地研究中间包内夹杂物行为提供了支撑。

关键词：氧化铝夹杂物；拉格朗日离散相模型；中间包；夹杂物上浮；去除率

1 引言

钢中非金属夹杂物主要来源于熔炼过程中物理化学反应形成的内生夹杂物以及钢液与外界物质接触产生的外来夹杂物。中间包是钢铁生产过程中最后一个耐火材料容器，若夹杂物在中间包内得不到有效去除，则会直接影响铸坯质量。中间包是高温黑箱，夹杂物在中间包内的运动行为及分布状态不能直接观察到，因此物理模拟和数值模拟是探索中间包内夹杂物行为的重要手段。

中间包内型结构的优化是非金属夹杂物去除的有效措施，如挡墙挡坝、湍流抑制器、气幕挡墙、旋转磁场、吹氩等措施的采用可以显著改善中间包内钢液的流动特性，从而促进夹杂物的上浮去除。刘志远等通过改变钢包长水口结构使钢液旋转进入中间包内，从而提高了夹杂物去除率，改善了钢液洁净度；卢金霖等在冲击区内设置旋流室，使钢液从旋流室底部流入中间包时旋转动能增加，夹杂物在旋流室内旋转流动，更容易碰撞聚集长大；梁震江等在中间包内采用多孔过滤控流装置后，10 μm的小夹杂物去除率提升了10%以上。LING Hai-tao等建立数学模型预测两流中间包中夹杂物瞬态浓度和尺寸分布；YANG Bin等将夹杂物质量、数量守恒模型和流体质量、动量、能量守恒模型耦合起来，研究中间包中夹杂物体积浓度和夹杂物尺寸的空间分布；Ni P Y等采用拉格朗日粒子追踪方法，研究非金属夹杂物在旋流浸入式水口中的运动轨迹。

在中间包夹杂物数值模拟的研究中，一个难点问题是夹杂物的捕获判据以及验证。现有研究主要将钢/渣界面的边界条件设置为捕捉(trap)，认为夹杂物与渣层接触之后立即被吸附；实际上，夹杂物在钢/渣界面处的受力行为非常复杂，存在被吸附或进入钢液2种情况。本文尝试采用拉格朗日离散相(DPM)模型，考虑夹杂物在钢/渣界面吸附和未吸附的条件，建立中间包夹杂物上浮去除模型，结合工业试验对比验证，分析了稳态浇铸过程6流中间包中不同粒径Al₂O₃夹杂物的上浮时间、上浮位置及去除率。

2 精选图表

3 结论

(1)由于不能直接观察中间包实体中夹杂物的运动及分布状况，因此通过工业试验在中间包入口和第1流出口处取样分析，以实测数据为参数，结合拉格朗日离散相模型建立中间包夹杂物上浮去除数值模型，计算第1流出口处夹杂物数密度，试验值与计算值比值的标准差为1.4，验证了模型的准确性。

(2)中间包中夹杂物有3种典型的运动轨迹：冲击区上浮、浇铸区上浮、进入结晶器。Al₂O₃夹杂物在0~575 s内上浮效率较高(不小于0.035 s^-1)，575~3 360 s内上浮效率逐渐降低。这与钢液的湍动能大小相关，湍动能大则钢液搅拌强烈，有利于夹杂物上浮去除。

(3)Al₂O₃夹杂物在冲击区的上浮去除率显著高于浇铸区，其中1.0~15.6 μm、21.2~53.0 μm粒径夹杂物在冲击区的去除率比浇铸区分别高6%和2%左右，冲击区形成了强烈的湍流漩涡区，因此适当扩大冲击区有利于夹杂物去除。浇铸区内第2流附近区域夹杂物去除比例为21.0%左右，明显高于第1、3流，得益于第2流区域内的环流和“准活塞流”。