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CSP中间包内腔优化的数值模拟

朱正海;徐其言;周俐;常立忠;仇圣桃

【摘要】针对CSP中间包内冶金过程,建立中间包内钢水流场、温度场、夹杂物运

动的数学模型,对不同挡墙和挡坝的5种组合方案的中间包钢水,从流动、传热和去

夹杂能力等方面进行分析.结果表明:不同挡墙和挡坝的组合方案中,方案5效果最佳,

其结构合理,钢液停留时间有效延长,利于夹杂物的上浮;没有明显的低温区域,中间包

出口与入口的温差为5℃;对50μn的夹杂物能去除98.4％,对40μm的夹杂物去

除率达到92.3％.

【期刊名称】《安徽工业大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2014(031)001

【总页数】5页(P15-19)

【关键词】中间包;流场;温度场;夹杂物;数值模拟

【作者】朱正海;徐其言;周俐;常立忠;仇圣桃

【作者单位】安徽工业大学冶金工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学冶金

工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学冶金工程学院,安徽马鞍山243002;安

徽工业大学冶金工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学冶金工程学院,安徽马

鞍山243002;钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心,北京100081

【正文语种】中文

【中图分类】TF777

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随着国内钢铁产能的过剩，市场竞争愈加激烈，钢铁企业不断加大投入研发高附加

值产品，如纯净钢，以提升产品的竞争力[1-2]。连铸中间包是钢水凝固前的最后

一个容器，在现代炼钢过程中起着非常关键的作用，研究表明，连铸坯中大型夹杂

物来源于中间包[3]。因此，纯净钢的生产要求连铸中间包能够有效去除大型夹杂，

避免其进入结晶器中。由于中间包内的钢水温度较高，难以直接进行研究。为获得

大量有用的信息，指导中间包设计和实际操作，强化中间包的冶金功能，目前，对

中间包内钢水特性通常采用物理模拟或数值模拟的方法间接进行研究，如：乐可襄

等[4]采用物理模拟研究了板坯中间包的控流装置；岳强等[5]采用数值模拟研究了

板坯中间包内钢液的流场和浓度场。以上文献表明，数学模拟方法通过建立相关数

学模型能够更加系统全面地对钢水的流场、温度场及夹杂物运动进行分析。

笔者以某厂CSP中间包为研究对象，在水模实验的基础上[6]，基于CFX计算平台，

建立中间包内钢水的流动模型、传热模型和夹杂物传输模型，研究中间包内钢水温

度分布状态、钢液流动形式、停留时间分布和夹杂物传输行为，分析并比较不同中

间包内腔结构的特点，为现场中间包内腔结构的优化提供理论依据。

1模型的建立

1.1几何模型

根据CSP中间包尺寸，按一定比例建立三维中间包内腔的几何模型，取计算区域

为中间

包入口、出口及包底到液面的区域，即钢液存在的区域。由于计算区域的对称性，

几何造体及网格划分时采用中间包内腔的1/2。为了提高模型的准确性，采用四面

体网格，并对局部区域进行加密，各方案的网格总数控制在8万左右。

文中数值模拟的研究对象为前期水模拟研究[6]获得的5个几何模型，分别对应表

1中的为第2，5，16，17，18号方案，5种方案的几何模型尺寸如表1。其中方

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案2，5，16为水模拟研究得到的优化方案，方案17为中间包现有结构，方案18

为无控流装置的方案。中间包几何模型的位置如图1。图中：L1为长水口中心线

与挡墙的距离；L2为挡墙与左挡坝的距离；L3右挡坝与浸入式水口中心线的距离；

H1为左挡坝