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随着对连铸坯洁净度要求的提高,连铸中间包作为净化钢液的反应器越来越受到重视。到90年代中期,在中间包内的注流区,开始采用一种新型的控流装置—湍流控制器,它不仅具有防止开浇喷溅而引起钢液吸氧吸氮的作用,更重要的是在浇注过程中能明显的改善包内钢液流动特性。因此能够去除钢液中夹杂物,显著地提高铸坯质量,减少夹杂废品。
本研究针对宝钢60t连铸中间包结构和操作工艺参数,采用Navier-Stockes方程,和标准k-ε湍流模型,建立了描述钢液流动的数学模型,通过运用大型有限元通用软件ANSYS计算了六种不同形状结构的湍流控制器与堰、坝组合,无控流装置,安装了堰和坝,仅有湍流控制器总共九种不同控流装置情况下的中间包内钢液流动的三维流场。通过详细对比分析了各方案下中间包内的钢液流动行为,以及包内湍动能分布情况,得到了以下主要结论:
当中间包内无任何控流装置时,长水口的注流会沿包底直接到达中间包水口,形成短路流,这样的流动形式会把夹杂物带入结晶器中,影响铸坯纯净度;中间包安装堰、坝后,钢液湍动显著的部分集中在注流区,下游形成流动平稳的熔池,延长了钢液的在包内的停留时间。中间包采用湍流控制器后,可以把较强的湍流控制在注流区的局部范围,使两块上渣挡堰之间的液面流动平稳,减少卷渣现象,并很好的消除了短路流;如果只在中间包单独使用湍流控制器而不和其它控流装置配合,对于中间包的总体流动特性改善效果不是很好;当中间包内使用湍流控制器时,在湍流控制器上方的注入流两侧会形成两个方向相反的环行涡流,在方形有檐湍流控制器中产生的环行涡流尺寸比其它形状的湍流控制器小,位置也最低(D≈0.14m,H≈0.18m),该湍流控制器把注流强烈的湍动能抑制得最好;对于相同截面形状的湍流控制器,有檐的结构对于中间包内钢液流动的湍动能抑制作用明显要优于无檐的;九种不同控流装置方案中对中间包内钢液流动的湍动能抑制得最好的是有檐方形湍流控制器与堰、坝组合的方案,对中间包内的平均湍动能计算表明,该方案下包内的平均湍动能约为5.010×10-4m2/s2,比无控流装置时降低63.48%,比安装了堰和坝而没有湍流控制器时降低了30.56%,对于该二流中间包最佳的湍流控制器形状是有檐方型的结构。