【文章內(nèi)容簡介】 卷渣。包括旋渦卷渣和鋼液沖擊卷渣。旋渦卷渣指中間包澆鑄后期液面較低時產(chǎn)生旋渦時出現(xiàn)的卷渣，鋼液沖擊卷渣主要是中間包在澆鑄過程中由于鋼液的沖擊造成的卷渣。(3) 耐火材料毀損。在高溫下，爐襯、鋼包襯、中間包以及各種水口材料被鋼液和渣損毀，而進入鋼液中，殘留下來而成為夾雜物或二次氧化的氧源。因此，在中間包內(nèi)如何采取有效措施控制非金屬夾雜物，使其不隨鋼液進入結(jié)晶器是一個重要的問題，這對于潔凈鋼冶煉尤為重要，中間包凈化技術(shù)就是為順應(yīng)這種需求而發(fā)展起來的[26]。2．4 連鑄中間包鋼水中夾雜物的清除近年來，中間包鋼液凈化技術(shù)在國內(nèi)外得到很大的發(fā)展。過去，為了促使中間包中夾雜物的去除，采用的技術(shù)主要是防止鋼液再污染技術(shù)，換包時盡量減少鋼包渣的卷入，鋼包到中間包澆注采用長水口，防止鋼液與包襯耐火材料的反應(yīng)，中間包密封技術(shù)等。到二十世紀(jì)七八十年代出現(xiàn)了在中間包中安裝控流裝置的措施，以此來改變鋼液在中間包的流動形態(tài)。當(dāng)今又發(fā)展了一些新型的改善鋼液潔凈度的技術(shù)，如湍流控制器的使用，離心流動中間包和旋轉(zhuǎn)管閥的采用等[27]。為了在中間包內(nèi)創(chuàng)造一個良好的使夾雜物上浮而不隨主流進入結(jié)晶器的條件，需要鋼液在中間包內(nèi)有合理的流動模式和足夠的停留時間讓夾雜物上浮至中間包液面而被覆蓋劑吸收，而簡便適用的方法是通過在中間包內(nèi)設(shè)置適當(dāng)形式的控流裝置來實現(xiàn)。因此，優(yōu)化中間包內(nèi)的控流裝置近年來倍受關(guān)注。其中主要去除夾雜的方法有[28]： (1) 鋼包到中間包水口保護澆注鋼包到中間包保護澆注主要使用鋼包長水口氬封。自1965年Earlier建議使用熔融石英質(zhì)長水口以來，長水口從形狀、材質(zhì)和氬封等方面有了很大改善，有效地防止了鋼包到中間包鋼水的二次氧化。大氣二次氧化是中間包內(nèi)鋼水的重要污染源之一。(2) 防止鋼包到中間包卷渣技術(shù)抬高鋼包長水口直接觀察鋼水是否帶渣；向長水口中吹A(chǔ)r，當(dāng)卷渣發(fā)生時，水口出口處鋼水面氣泡將會增多；使用電磁裝置、傳感裝置和稱重裝置對下渣進行監(jiān)視。(3) 防止鋼水與內(nèi)襯耐火材料反應(yīng)近年來，中間包堿性內(nèi)襯得到了長足的發(fā)展。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，Cao質(zhì)和Mgo質(zhì)內(nèi)襯對保證中間包鋼水潔凈度有利。(4) 中間包加蓋密封技術(shù)中間包加蓋密封主要是為了減少中間包內(nèi)鋼水吹氣，并起到一定的保溫作用。(5) 促進夾雜物去除技術(shù)中間包是鋼水進入結(jié)晶器之前最后一次精煉手段，對于保證鋼水的清潔度具有重大意義。為使中間包內(nèi)夾雜物充分上浮，中間包冶金技術(shù)可采用如下措施[29]：(1) 增大中間包的容量增大中間包的容量是為了延長鋼水在中間包內(nèi)的停留時間，提高連續(xù)澆注時鋼水清潔度，并確保換包期間中間包內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)，不必降低拉速又不卷渣，這一點對生產(chǎn)表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求高的產(chǎn)品尤其重要。中間包的高度由淺熔池（600mm—700mm）向深熔池（1000mm—1200mm）方向發(fā)展。(2) 中間包內(nèi)的控流裝置在中間包內(nèi)加障礙物，改善液體流動軌跡，靠液體把夾雜物帶到中間包熔池表層區(qū)，縮短夾雜物上浮距離。在各種中間包的控流裝置中使用比較普遍的是中間包內(nèi)設(shè)置擋墻和壩、過濾器、多孔擋板和湍流控制器等控流裝置。安裝控流裝置的目的是控制中間包內(nèi)鋼水的流動狀態(tài)，使鋼水流動合理，增大鋼水的停留時間，有利于夾雜物的分離去除，提高鋼水的清潔度。第三章 理論基礎(chǔ)3．1 物理模擬的理論基礎(chǔ)3．1．1 物理模擬方法中間包的基本物理現(xiàn)象是鋼液的流動，但直接測量難度很高，研究表明：用水模型來研究鋼包、中間包、結(jié)晶器等內(nèi)部的鋼液流動不僅可行，而且能正確反映實際鋼液流動的數(shù)值和規(guī)律。物理模擬有兩種類型：第一類是精確的物理模型或稱完全模擬，它嚴(yán)格按照相似原理構(gòu)造模型，實驗結(jié)果也可以直接進行比例放大；第二類是半精確模型或稱部分模擬，用來研究過程中的關(guān)鍵現(xiàn)象，中間包鋼液流動現(xiàn)象的研究一般均采用部分模擬。冶金過程中的物理模擬研究的目的在于尋求有利的操作參數(shù)以及找出流動過程中主要參數(shù)之間的關(guān)系。例如借助流場顯示、流速測量、示蹤劑響應(yīng)實驗以及夾雜物模擬實驗，可以找到最佳的擋墻位置以及設(shè)計方案。鋼液從鋼包注入中間包的過程可以分為三個階段：流股下落、流股滲透和流股在鋼液中的擴散。中間包大部分區(qū)域是單相流，在這些區(qū)域內(nèi)的流動由勢能和出口動能所驅(qū)動，需要考慮Re準(zhǔn)數(shù)和Fr準(zhǔn)數(shù)。一般來說，鋼液在中間包內(nèi)的流動可以分為四種：(1) 活塞流。流體從一端流入，從另一端流出，流體在中間包內(nèi)的流動是平行推動，即后面的流體微元不超過前面的流體微元，前面的流體微元也不能返回到后面，流體在反應(yīng)器內(nèi)像活塞似的流動。(2) 完全混合流。由于強烈的攪拌，流體分子或微元進入中間包內(nèi)被立即充分混合，需要混合均勻的時間為零。(3) 短路流。中間包內(nèi)存在流體阻力特別小的局部流域，該流域內(nèi)流體立即通過中間包出口。(4) 死區(qū)。就是流體不流動或者流動速度極小的區(qū)域。一般指停留時間大于表觀停留時間兩倍的那一部分流團在中間包內(nèi)所占的體積。若中間包內(nèi)存在死區(qū)，就意味著中間包的有效容積減少。3．1．2 相似準(zhǔn)數(shù)及模型比例的選取由于模型和原型之間的差異，建立模型時必須保證模型和原型之間物理相似，即滿足幾何相似、運動相似、動力相似和熱相似。幾何相似就是模型和原型之間的對應(yīng)角相等，對應(yīng)長度成比例。運動相似即兩系統(tǒng)之間對應(yīng)點的速度具有相同的比例。動力相似就是兩系統(tǒng)中相應(yīng)位置上的力存在固定比例，主要考慮慣性動力、粘性力和重力。這些力的相對大小決定不同尺寸和形狀的中間包內(nèi)鋼液流動狀況。根據(jù)流體力學(xué)原理，當(dāng)流體流動的Re數(shù)大于第二臨界值時，流體的湍動程度以及流速的分布幾乎不再受Re數(shù)的影響。當(dāng)原型的Re數(shù)處于第二自?；瘏^(qū)以內(nèi)時，模型的Re數(shù)不一定與原型的Re數(shù)相等，只要也處于同一自?；瘏^(qū)就可以了。一般Re數(shù)的第二自模化區(qū)的臨界值為1x104~1x105。因此當(dāng)中間包內(nèi)鋼液流動與模型中流體流動處于同一自模化區(qū)時，只考慮Fr數(shù)相等，也能夠滿足相似條件。弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)：Fr = u2/gL = 慣性力/重力 ()雷諾準(zhǔn)數(shù)：Re = uL/v = 慣性力/粘性力 ()式中 L —— 中間包液面高度/m u —— 中間包內(nèi)液體的流動速度/m*s1 v —— 液體的動力粘度/m2*s1 g —— 重力加速度/m*s2同時保證Fr和Re準(zhǔn)數(shù)是非常困難的，必須采用1：1的模型，但這樣模型尺寸太大，導(dǎo)致加工難度大、實驗室安裝困難、成本提高。從原則上講只要模型尺寸按比例縮小，流動時Re數(shù)與原型處于同一自模化區(qū)，就能夠保證模型與原型相似。3．1．3 刺激——響應(yīng)實驗技術(shù)測量停留時間分布，通常應(yīng)用“刺激——響應(yīng)”實驗。其方法是：在中間包注入流處輸入一個刺激信號，信號一般使用示蹤劑來實現(xiàn)，然后在中間包出口處測量該輸入信號的輸出，即所謂響應(yīng)，從響應(yīng)曲線得到流體在中間包內(nèi)的停留時間分布(RTD)。刺激——響應(yīng)實驗相當(dāng)于黑箱研究方法，當(dāng)流體流動狀態(tài)不易或不能直接測量時，仍可從響應(yīng)曲線分析其流動狀況及其對冶金反應(yīng)的影響。因此這一方法在類似于中間包這類非理想流動的反應(yīng)器中得到了廣泛采用。在鋼液穩(wěn)定流動狀態(tài)下，在中間包的入口處加入示蹤劑，計算示蹤劑在中間包的濃度分布隨時間變化的濃度值，由此計算出鋼液停留時間分布及平均停留時間。冶金實驗研究中常用的示蹤劑有：若系統(tǒng)為高溫實際反應(yīng)器(中間包)，即可采用靈敏的放射性同位素作示蹤劑；也可采用不參與反應(yīng)的其他元素，如銅、金等。若系統(tǒng)為冷態(tài)模擬研究，常采用電解質(zhì)、發(fā)光或染色物質(zhì)作為示蹤劑，例如水模型中常常采用KCL溶液作為示蹤劑加入。示蹤劑加入方法有脈沖加入和階躍加入等，最常使用的為脈沖式加入方法。刺激——響應(yīng)實驗準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵在于，響應(yīng)信號能否真正反映反應(yīng)器內(nèi)流動的真正狀態(tài)，且同時又不干擾其流動，因此應(yīng)用刺激——響應(yīng)實驗時應(yīng)該遵循以下原則：(1) 刺激——響應(yīng)過程必須是線性過程，刺激信號在數(shù)量上的變化導(dǎo)致響應(yīng)在相應(yīng)量上的變化是成比例的，這種過程稱為線性過程，因此對刺激——響應(yīng)信號必須進行線性檢驗，以保證其在線性范圍。(2) 作為刺激信號的示蹤劑不能參與反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的任何化學(xué)反應(yīng)，即不會因為反應(yīng)導(dǎo)致示蹤劑物質(zhì)的增加或減少，示蹤劑對反應(yīng)是“惰性”的。(3) 脈沖式加入刺激信號時，即示蹤劑應(yīng)該按照瞬時加入的原則加入，也就是輸入的信號原則上應(yīng)為脈沖信號。由于實驗技術(shù)的困難，不可能真正做到瞬時加入，但加示蹤劑時間應(yīng)該盡量短，一般應(yīng)該小于按流量計算的平均停留時間的5%，否則加入的信號時間的先后誤差過大，輸出的響應(yīng)信號不能如實地反映反應(yīng)器本身的流動特征。(4) 刺激與響應(yīng)信號要易于測量。描述中間包內(nèi)湍流傳質(zhì)過程的微分方程如下： () ——湍流有效擴散系數(shù)，按照下列經(jīng)驗公式進行計算： ()：3．1．4 RTD曲線分析根據(jù)RTD曲線可以直接得到最短停留時間tmin，出口示蹤劑濃度達到最大值的時間tpeak，平均停留時間tav，按下式進行計算： ()式中，t1為時間，s；c(ti)為示蹤劑在ti時間的濃度；t1為時間步長，s。按照中間包的容積和由拉坯速度決定的體積流率可以計算出鋼液在中間包內(nèi)的理論平均停留時間： ()V——中間包的容積，m3；Q——鋼液的體積流率，m3/s理論平均停留時間越長，夾雜物上浮的幾率就越大，然而，由于中間包流動的不穩(wěn)定性和存在不活躍的死區(qū)，有些流動體單元流動快，而另一些流動慢，所以實際停留時間與理論平均停留時間之間是有偏差的。因此用停留時間分布來描述中間包鋼水流動特性，為此采用物理模型（水模型），使用脈沖示蹤技術(shù)來測定中間包液體停留時間的分布。實際平均停留時間值在一定程度上反映了中間包液體流動特性。根據(jù)測定的濃度曲線，可以估計中間包內(nèi)存在三個流動區(qū)：(1)活塞流區(qū)：即流體保持均一性以相同速度流過中間包，此時入口和出口濃度相等。(2)混合區(qū)：液體混合良好，示蹤劑均勻分散在整個液體中，任何時刻在出口處示蹤劑濃度與液體相同。(3)停滯區(qū)（死區(qū)）：在中間包內(nèi)一部分液體停留時間比平均停留時間要短，而另一部分液體停留時間又比平均停留時間要長，這說明有不活躍的死區(qū)存在。當(dāng)中間包內(nèi)沒有死區(qū)存在時，實際的平均停留時間和理論停留時間相等，即。以平均停留時間作為基準(zhǔn)時間，除停留時間，可以得出無量綱的停留時間： ()出口處示蹤劑濃度除以一個特征濃度，可得出無量綱的濃度： ()C0為示蹤劑的平均濃度。出口處示蹤劑的無因此濃度和無因此停留時間之間的關(guān)系曲線為無因此停留時間分布曲線。根據(jù)曲線，結(jié)合相應(yīng)的流動模型，可以計算出中間包內(nèi)全混流區(qū)、活塞流區(qū)、滯止流區(qū)的體積分?jǐn)?shù)，分析鋼液的流動特征。各區(qū)的體積分?jǐn)?shù)按照下式進行計算： () () ()式中， 是RTD曲線中無因此時間從0到2之間的面積。 () ()是從0到2之間的無因此平均停留時間，按下式進行計算： ()比較各組實驗中的死區(qū)體積百分比，當(dāng)死區(qū)最小時所確定的值為最優(yōu)值。3．2 數(shù)學(xué)模擬的理論基礎(chǔ)3．2．1 有限單元法與數(shù)值模擬技術(shù) 在工程技術(shù)領(lǐng)域中有許多力學(xué)問題和場問題，例如固體學(xué)中的應(yīng)力應(yīng)變場和位移場分析、傳熱學(xué)中的溫度場分析、流體力學(xué)中的流場分析以及電磁學(xué)中的電磁場分析等，都可以看作是在一定邊界條件下求解其基本微分方程的問題。對于這類問題，往往需要借助于各種行之有效的數(shù)值計算方法來獲得滿足工程需要的數(shù)值解，這就是數(shù)值求解技術(shù)，它在實際工程領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的重要。目前在工程實際應(yīng)用中，常用的數(shù)值求解方法有:有限單元法、有限差分法、邊界單元法和加權(quán)殘數(shù)法等。但從實用性和使用范圍來說，有限單元法則是隨著計算機的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用的一種行之有效的數(shù)值計算方法。它在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，幾乎所有的彈塑性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)問題都可用它求得滿意的數(shù)值結(jié)果。3．2．2 有限單元法分析 有限單元法的基本思想最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代初期。直到1960年，美國的克拉夫(Clough. R. W)在一篇論文中首次使用“有限單元法”這個名詞。在20世紀(jì)60年代末至70年代初，有限單元法在理論上己基本成熟，并開始陸續(xù)出現(xiàn)商業(yè)化的有限元分析軟件。 有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體。同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一個近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律。進而利用力學(xué)中的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元法方程，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)點值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以