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连铸中间包内夹杂物去除行为的水模型研究 张胜军 郑淑国 朱苗勇 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110004 摘 要 通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验，考察了控流装置、浇铸速度、夹杂物粒径对中间包内夹杂物去除行为的影响规律。结果表明：挡墙挡坝组合控流夹杂物去除效果最佳，中间包内强湍流区夹杂物的碰撞聚合以及向上和表面流速的增加是主因；中间包注流区加入抑湍器，虽然其流体流动特征发生改变，但对夹杂物去除率的影响并不显著；较高的浇铸速度下，单纯靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果。 关键词 连铸中间包；流体流动特征；夹杂物；水模型 中间包作为连铸过程控制钢液清洁度的关键环节，在现代炼钢生产中扮演着日益重要的角色。为了充分利用中间包去除夹杂物的功能，国内外研究者主要采用水模型通过加示踪剂测定RTD（Resident Time Distribution）曲线来优化中间包内的流场[1-4]，也有的在水模型中用固体粒子来模拟夹杂物的去除行为[1]，但夹杂物碰撞聚合这一重要的物理行为均没有被考虑。最近，也有不少研究者采用数学模拟方法来研究中间包内夹杂物行为[5-17]，但由于在湍流碰撞模型、碰撞概率模型等理论描述方面还没有获得实质性进展，所给出的结果也大多是定性的。本文采用乳状液滴来模拟夹杂物，在中间包水模型中尝试模拟夹杂物的碰撞聚合行为，并考察控流装置、浇铸速度以及夹杂物粒径对夹杂物去除的影响规律。 1 实验 1.1 几何相似 本实验以某钢厂30t中间包为原型，确定模型和原型的几何相似比，主要参数见表1。 表1 原型和模型的主要参数 Table 1 Main parameters for model and prototype（mm） 原型 模型 中间包顶部尺寸 中间包底部尺寸 中间包高度 4500×1373 900×275 3692×821 738×164 1335 267 1.2 动力相似 在中间包系统中水的流动主要是重力和惯性力起主导作用的湍流流动，只要保证模型和原型的整体Froude准数相等，就能保证它们的动力相似。由此计算出模型所对应于原型的体积流量，即 （1） 式中，和分别为模型和原型的流体体积流量，。 1.3 模拟介质的确定 采用水模拟钢液，乳状液滴模拟夹杂物。对于中间包内夹杂物的模拟，Sahai和Emi提出[6]，模型与原型中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及溶液密度存在着定量关系，即： （2） 式中，R为半径，m；为密度，kg/m3；下标m和p分别代表模型和原型；下标inc、st和w分别代表夹杂物、钢液和水。由此式可知，模型与原型的夹杂物密度不必严格满足相似第二定律要求，即模拟夹杂物与水的密度之比等于夹杂物与钢液的密度之比，也可以近似模拟实际钢液中夹杂物的运动行为。本实验采用一种无色、不溶于水、常温 下不挥发且稳定的乳状液滴来模拟夹杂物。该乳状液滴不被水所润湿，且多个液滴碰撞后会因为界面张力作用而形成簇状物，如图1所示，这与钢液中非金属夹杂物碰撞并形成簇状夹杂物的过程是非常相似的。因此，该乳状液滴能较好的模拟夹杂物的碰撞聚合行为。实验有关参数见表2。 图1 夹杂物碰撞聚合放大图 Fig.1 Amplified diagram of collision and aggregation among several inclusion particles 表2 原型和模型的有关参数 Table 2 Relevant parameters for model and prototype 原型 模型 液体密度/kg·m-3 7000 （钢液） 1000 （水溶液） 夹杂物密度/kg·m-3 3900/2700 （Al2O3/SiO2） 985 （乳状溶液） 将=1/5及表2中有关数据代入式（2），可以得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系。 对Al2O3 （3） 对SiO2 （4） 图2 乳状液滴形貌及初始粒径分布 Fig.2 Morphology and initial size distribution of emulsion drops 式（3）和（4）中，D为直径，m。实验中乳状液滴的初始粒径及粒径分布如图2所示，其当量直径为200?m，则由式（3）和（4）可知，该乳状液滴可以模拟初始当量直径为47.6?m的Al2O3和45.1?m的SiO2夹杂物。 1.4 实验方法 实验装置