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1、中间包新型结构设计和流场模拟摘要 随着炼钢技术的不断发展，对连铸钢的清洁度和铸坯质量的要求也越来越高。中间包内钢液的流动状态，对延长钢水在中间包内的停留时间，减少卷渣和改善夹杂物的上浮去除有着重要的作用，直接影响着连铸坯的质量。因此，分析并设计新型的中间包结构，研究并分析中间包内钢液的流动状况，保证钢液流动状态的合理性具有相当重要的理论和实际意义。本实验是在分析中间包挡墙的发展的基础上，针对连铸生产的现状，提出了新型中间包挡墙的设计思想，通过增强中间包的冶金功能，改善中间包的挡渣性能。实验采用数学模拟和中间包水力学模拟相结合的方法，运用流场分析软件 FLUENT 建立中间包的数学模型，通过模拟
2、具有不同内部结构的中间包，计算不同条件下中间包的流场状态，分析了不同的结构对中间包流场的影响，并优化了中间包结构。研究表明，优化后的中间包内钢水流动状况较优化前得到较好改善，更加有利于钢水的净化，加强了中间包的冶金功能，提高中间包的寿命，提高生产率，在生产中发挥良好作用。关键词：关键词：中间包；物理模拟；数学模拟；控流装置；FLUENT 软件AbstractWith the development of steel-making technology, it becomes more and more important to improve the cleanliness and quali
3、ty of casting steel. The flowing condition of molten steel in tundish is considered very important to lengthen the residence time of molten steel in tundish, reduce the wrapped slag and improve the floating and excluding of inclusions included in molten steel. It will have direct effect on quality o
4、f casting products. Therefore, it is very significant both in theory and practical application to analyze and design the new-style of tundish construct and study and analyze the flowing condition of molten steel in tundish.The experiment base on the analysis of the tundish barricade development, con
5、trapose the present status of continuous casting, present the ideal of design a new tundish barricade, through enhance the metallurgical function of the tundish, improve the tundish performance of pushing off the slag. The experiment adopts the mathematical simulation and tundish hydraulics simulati
6、on. The field analysis software FLUENT is used to base the tundish mathematics model, by simulating tundishes with different inner structures, calculating the flowing state in tundish of different conditions. Analyzing the effect of different constructs on the tundish flowing field.The research prov
7、es that the flowing condition of molten steel has been much improved compared with that of molten steel in former tundish, which is not optimized. It becomes more facilitated to clean the molten steel, reinforce the metallurgy function of tundish, increase the life of the tundish, increase the produ
8、ctivity, exert the good effect on stream.Keywords： Tundish; Physical simulation; Mathematical modeling; Flow modifiers;FLUENT software 目录目录 摘要.I Abstract II 第一章 绪论.111 中间包冶金的发展和现状.112 本课题的研究意义.113 本课题的研究内容.214 本课题的创新点.2第二章 文献综述.321 连铸技术的发展概况.322 中间包冶金技术的发展.3221 中间包冶金概述.3222 中间包内部结构的演变.4223 中间包内衬用耐火材
9、料发展历程.8224 中间包模拟技术的发展概况.923 连铸坯的夹杂物来源.1124 连铸中间包钢水中夹杂物的清除.11第三章 理论基础.1331 物理模拟的理论基础.13311 物理模拟方法.13312 相似准数及模型比例的选取.14313 刺激响应实验技术.14314 RTD 曲线分析1632 数学模拟的理论基础.18321 有限单元法与数值模拟技术.18322 有限单元法分析.18323 数值模拟软件的选择.19324 中间包数值模拟的基本假设.20325 中间包数值模拟的基本方程.20第四章 中间包内钢液流动的物理模拟.2341 物理模型的建立.2342 实验装置.2443 实验方案.
10、2444 新型结构的优点.2645 实验内容和实验结果.2646 水力学模型总结.35第五章 中间包钢液流动的数学模拟.3651 FLUENT 软件简介36511 程序的结构.36512 FLUENT 程序可以求解的问题38513 用 FLUENT 程序求解问题的步骤.3852 边界条件的处理.3953 网格的划分.4054 流场计算结果分析.42541 速度场的计算结果分析.42542 温度场的计算结果分析.4555 数学模拟总结.48结论.49 致谢.50 参考文献.51 附录 A.53 附录 B.62第一章 绪论11 中间包冶金的发展和现状在连续铸钢技术发展的初期，中间包只是作为钢液的储
11、存和分配器来使用口随着连铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断提高，钢液质量对连铸工艺的重要意义渐渐为人们所认识。为了保证连铸工序的顺行和多炉连浇，必须确保钢液有足够的纯净度，要尽可能精确地控制钢液的成分范围，并要在足够长的时间内保持稳定的钢液温度和过热度。因此，作为钢的冶炼过程中的最后一个耐火材料容器，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点，中间包的作用是不可忽视的。它除了稳定注流、实现多炉连浇外，更重要的是起到促进夹杂物的上浮排除和纯洁钢液的重要作用。中间包内钢液的流动状态对延长钢水在中间包内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物的上浮排出有重要作用，它直接影响到铸坯的质量。为了得到高清洁度的连铸钢坯
12、，许多冶金工作者致力于研究中间包内钢液流动的控制形式和夹杂物在其中的运动行为，以优化中间包内型设计，提高铸坯实物质量。近20年来，关于中间包冶金的学术研究逐渐成为国内外热门论题，且研究成果己转化成在生产中实际应用的技术措施。基于中间包在在当今连铸生产中发挥着巨大的作用，其结构对钢水的流动状态和连铸坯的质量有着很大的影响，由此提出本课题的研究意义和内容。12 本课题的研究意义中间包作为进入到结晶器的最后一个容器，对钢材的质量影响很大，随着钢材的质量要求的提高，中间包冶金技术受到越来越高的重视。很多学者研究指出中间包内的流场对钢材的质量和夹杂的去除都有极其重要的影响，因为中间包内的基本物理现象是钢
13、液的流动，各种冶金过程都是在流动的钢液中进行的，所以研究中间包的流动现象是中间包冶金的基础，而直接测量高温下的钢液的流速不仅测量技术方面有难度，而且研究费用也高，所以根据相似原理，对中间包进行数值和物理模拟然后指导现场生产是降低成本以及见效快的可靠方法。13 本课题的研究内容本实验的研究内容主要有：(1) 设计新型的中间包结构。(2) 对新型的中间包结构进行数值模拟，确定其具体参数以及位置，研究新型结构的流场、温度场。(3) 研究新型结构水力模型模拟，检验数值模拟得出的结果。(4) 研究新型结构去除夹杂的能力。14 本课题的创新点(1) 新型的中间包结构优化(2) 对新型结构进行物理数学模拟第
14、二章 文献综述21 连铸技术的发展概况钢铁作为一种重要的原材料，在世界各国的经济发展中起到举足轻重的作用。连铸技术的开发与应用是钢铁生产一次重大的技术革命。大型化，连续化和自动化的是现代工业生产技术的总体发展趋势。近几十年来连铸工艺已经成为钢铁冶金过程中广泛采用的一种先进工艺。早在 19 世纪中叶英国发明家 H.Bessemer 提出了双辊法连续铸钢的专利1，差不多经过一个世纪的努力，连续铸钢才于本世纪 50 年代初用于工业生产，其特点是过程速度快，投资集中，技术日趋完善。自从连续铸钢工业化以后，由于其与模铸相比具有节约能源、降低消耗、节省投资、生产成本较低、钢的质量较好以及劳动生产率较高等优
15、点而在钢铁生产中迅速得到推广应用。70 年代，连铸进入了迅猛发展时期，各类连铸机由 70 年代初的 300 余台增加到 1400 余台，连铸生产技术围绕提高连铸生产率、改善连铸坯质量、降低连铸坯能耗这几个中心课题已有了很大的发展。80 年代以来，连铸进入完全成熟时期，进入 90 年代连铸技术日趋完善，世界上许多炼钢厂相继以全连铸生产取代铸模生产。到 1994 年全世界连铸比为 72 .4%，连铸坯产量已达 500Mt/a 以上，实现全连铸的国家已达 24 个，更为普及2。22 中间包冶金技术的发展221 中间包冶金概述随着连铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断提高，使人们不能再把中间包作为一个简
16、单容器使用，而是力争在中间包内进一步去除夹杂物，并防止钢水再污染。为此人们提出了中间包冶金的概念，并在实践中得到重用。中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，这个概念是在20世纪80年代初期被提出来的，多伦多大学教授A.McLean是首创者3。近20年来，关于中间包冶金的学术研究逐渐成为国内外热门论题，且研究成果己转化成在生产中实际应用的技术措施。中间包是钢包与结晶器之间的中间容器，在连铸过程中起到重要作用。使用中间包的目的是减少钢水的静压力，使钢流平稳，减少钢流对结晶器内钢液的冲击力和搅拌；钢水在中间包内停留时，使非金属夹杂物有机会上浮；在多流连铸机上，可以通过中间包将钢水分配到每个结晶器；在多炉连浇时中间包可以贮存一定数量的钢水以保证在多炉连浇期间可保留足够的钢水，供交换钢包时使用，以便能连续进行浇铸
