【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生旋渦時(shí)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(jìn)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(jìn)入結(jié)晶器是一個(gè)重要的問題，這對(duì)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(guó)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(shí)盡量減少鋼包渣的卷入，鋼包到中間包澆注采用長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(gè)良好的使夾雜物上浮而不隨主流進(jìn)入結(jié)晶器的條件，需要鋼液在中間包內(nèi)有合理的流動(dòng)模式和足夠的停留時(shí)間讓夾雜物上浮至中間包液面而被覆蓋劑吸收，而簡(jiǎn)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(shí)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(hù)澆注鋼包到中間包保護(hù)澆注主要使用鋼包長(zhǎng)水口氬封。自1965年Earlier建議使用熔融石英質(zhì)長(zhǎng)水口以來，長(zhǎng)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(zhǎng)水口直接觀察鋼水是否帶渣；向長(zhǎng)水口中吹A(chǔ)r，當(dāng)卷渣發(fā)生時(shí)，水口出口處鋼水面氣泡將會(huì)增多；使用電磁裝置、傳感裝置和稱重裝置對(duì)下渣進(jìn)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(zhǎng)足的發(fā)展。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，Cao質(zhì)和Mgo質(zhì)內(nèi)襯對(duì)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(jìn)夾雜物去除技術(shù)中間包是鋼水進(jìn)入結(jié)晶器之前最后一次精煉手段，對(duì)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(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，提高連續(xù)澆注時(shí)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(diǎn)對(duì)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)，使鋼水流動(dòng)合理，增大鋼水的停留時(shí)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(dòng)，但直接測(cè)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(dòng)不僅可行，而且能正確反映實(shí)際鋼液流動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以直接進(jìn)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(dòng)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(dòng)過程中主要參數(shù)之間的關(guān)系。例如借助流場(chǎng)顯示、流速測(cè)量、示蹤劑響應(yīng)實(shí)驗(yàn)以及夾雜物模擬實(shí)驗(yàn)，可以找到最佳的擋墻位置以及設(shè)計(jì)方案。鋼液從鋼包注入中間包的過程可以分為三個(gè)階段：流股下落、流股滲透和流股在鋼液中的擴(kuò)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(dòng)由勢(shì)能和出口動(dòng)能所驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)是平行推動(dòng)，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(dòng)。(2) 完全混合流。由于強(qiáng)烈的攪拌，流體分子或微元進(jìn)入中間包內(nèi)被立即充分混合，需要混合均勻的時(shí)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(dòng)或者流動(dòng)速度極小的區(qū)域。一般指停留時(shí)間大于表觀停留時(shí)間兩倍的那一部分流團(tuán)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(shí)必須保證模型和原型之間物理相似，即滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似和熱相似。幾何相似就是模型和原型之間的對(duì)應(yīng)角相等，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度成比例。運(yùn)動(dòng)相似即兩系統(tǒng)之間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度具有相同的比例。動(dòng)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(dòng)力、粘性力和重力。這些力的相對(duì)大小決定不同尺寸和形狀的中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀況。根據(jù)流體力學(xué)原理，當(dāng)流體流動(dòng)的Re數(shù)大于第二臨界值時(shí)，流體的湍動(dòng)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(shí)，模型的Re數(shù)不一定與原型的Re數(shù)相等，只要也處于同一自模化區(qū)就可以了。一般Re數(shù)的第二自?；瘏^(qū)的臨界值為1x104~1x105。因此當(dāng)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)與模型中流體流動(dòng)處于同一自?；瘏^(qū)時(shí)，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(dòng)速度/m*s1 v —— 液體的動(dòng)力粘度/m2*s1 g —— 重力加速度/m*s2同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)時(shí)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(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)量停留時(shí)間分布，通常應(yīng)用“刺激——響應(yīng)”實(shí)驗(yàn)。其方法是：在中間包注入流處輸入一個(gè)刺激信號(hào)，信號(hào)一般使用示蹤劑來實(shí)現(xiàn)，然后在中間包出口處測(cè)量該輸入信號(hào)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(shí)間分布(RTD)。刺激——響應(yīng)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于黑箱研究方法，當(dāng)流體流動(dòng)狀態(tài)不易或不能直接測(cè)量時(shí)，仍可從響應(yīng)曲線分析其流動(dòng)狀況及其對(duì)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(dòng)的反應(yīng)器中得到了廣泛采用。在鋼液穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，在中間包的入口處加入示蹤劑，計(jì)算示蹤劑在中間包的濃度分布隨時(shí)間變化的濃度值，由此計(jì)算出鋼液停留時(shí)間分布及平均停留時(shí)間。冶金實(shí)驗(yàn)研究中常用的示蹤劑有：若系統(tǒng)為高溫實(shí)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵在于，響應(yīng)信號(hào)能否真正反映反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的真正狀態(tài)，且同時(shí)又不干擾其流動(dòng)，因此應(yīng)用刺激——響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(hào)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(duì)刺激——響應(yīng)信號(hào)必須進(jìn)行線性檢驗(yàn)，以保證其在線性范圍。(2) 作為刺激信號(hào)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(huì)因?yàn)榉磻?yīng)導(dǎo)致示蹤劑物質(zhì)的增加或減少，示蹤劑對(duì)反應(yīng)是“惰性”的。(3) 脈沖式加入刺激信號(hào)時(shí)，即示蹤劑應(yīng)該按照瞬時(shí)加入的原則加入，也就是輸入的信號(hào)原則上應(yīng)為脈沖信號(hào)。由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的困難，不可能真正做到瞬時(shí)加入，但加示蹤劑時(shí)間應(yīng)該盡量短，一般應(yīng)該小于按流量計(jì)算的平均停留時(shí)間的5%，否則加入的信號(hào)時(shí)間的先后誤差過大，輸出的響應(yīng)信號(hào)不能如實(shí)地反映反應(yīng)器本身的流動(dòng)特征。(4) 刺激與響應(yīng)信號(hào)要易于測(cè)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(kuò)散系數(shù)，按照下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)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(shí)間tmin，出口示蹤劑濃度達(dá)到最大值的時(shí)間tpeak，平均停留時(shí)間tav，按下式進(jìn)行計(jì)算： ()式中，t1為時(shí)間，s；c(ti)為示蹤劑在ti時(shí)間的濃度；t1為時(shí)間步長(zhǎng)，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(jì)算出鋼液在中間包內(nèi)的理論平均停留時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，夾雜物上浮的幾率就越大，然而，由于中間包流動(dòng)的不穩(wěn)定性和存在不活躍的死區(qū)，有些流動(dòng)體單元流動(dòng)快，而另一些流動(dòng)慢，所以實(shí)際停留時(shí)間與理論平均停留時(shí)間之間是有偏差的。因此用停留時(shí)間分布來描述中間包鋼水流動(dòng)特性，為此采用物理模型（水模型），使用脈沖示蹤技術(shù)來測(cè)定中間包液體停留時(shí)間的分布。實(shí)際平均停留時(shí)間值在一定程度上反映了中間包液體流動(dòng)特性。根據(jù)測(cè)定的濃度曲線，可以估計(jì)中間包內(nèi)存在三個(gè)流動(dòng)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(shí)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(gè)液體中，任何時(shí)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(shí)間比平均停留時(shí)間要短，而另一部分液體停留時(shí)間又比平均停留時(shí)間要長(zhǎng)，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(shí)，實(shí)際的平均停留時(shí)間和理論停留時(shí)間相等，即。以平均停留時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)間，除停留時(shí)間，可以得出無量綱的停留時(shí)間： ()出口處示蹤劑濃度除以一個(gè)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(shí)間之間的關(guān)系曲線為無因此停留時(shí)間分布曲線。根據(jù)曲線，結(jié)合相應(yīng)的流動(dòng)模型，可以計(jì)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(dòng)特征。各區(qū)的體積分?jǐn)?shù)按照下式進(jìn)行計(jì)算： () () ()式中， 是RTD曲線中無因此時(shí)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(shí)間，按下式進(jìn)行計(jì)算： ()比較各組實(shí)驗(yàn)中的死區(qū)體積百分比，當(dāng)死區(qū)最小時(shí)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(chǎng)問題，例如固體學(xué)中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)分析、傳熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析、流體力學(xué)中的流場(chǎng)分析以及電磁學(xué)中的電磁場(chǎng)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(duì)于這類問題，往往需要借助于各種行之有效的數(shù)值計(jì)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(shí)際工程領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的重要。目前在工程實(shí)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(shí)用性和使用范圍來說，有限單元法則是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用的一種行之有效的數(shù)值計(jì)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(dòng)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(guó)的克拉夫(Clough. R. W)在一篇論文中首次使用“有限單元法”這個(gè)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(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連接的一組單元的集合體。同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一個(gè)近似插值函數(shù)以表示單元中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律。進(jìn)而利用力學(xué)中的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元法方程，從而將一個(gè)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(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以