【正文】 構(gòu)：第一種：整體式中間包；第二種：擋渣堰、擋渣墻結(jié)構(gòu)；第三種分流擋渣墻階段。隨著中間包湍流控制技術(shù)的進(jìn)步，這種技術(shù)在大型中間包上逐步成為主流發(fā)展趨勢(shì)。、壩結(jié)構(gòu)。 兩流大板坯中間包的堰、壩結(jié)構(gòu)示意圖(3) 第三種中間包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在第二種基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，將原先的堰、壩結(jié)構(gòu)合并成擋渣墻結(jié)構(gòu)。(4) 為有效的體現(xiàn)中間包流股的作用，延長(zhǎng)鋼水在包內(nèi)的滯留時(shí)間，保證夾雜物的充分碰撞，利于夾雜物的上浮，充分發(fā)展活塞流，研究者們?cè)谥虚g包內(nèi)設(shè)置了湍流器，這對(duì)于中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是一個(gè)質(zhì)的飛躍，成為中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主流方向。隨著拉速不斷提高，鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間相應(yīng)減少，不利于夾雜物上浮去除，鑄坯質(zhì)量將會(huì)受到影響。連鑄中間包是鋼水進(jìn)入結(jié)晶器之前的最后一個(gè)冶金容器 ，其作用已不僅僅局限于傳統(tǒng)意義上的減壓、穩(wěn)流、去渣、貯鋼和分流。為了進(jìn)一步提高中間包的冶金能力,有必要在中間包內(nèi)增設(shè)鋼水的控流裝置。自從20世紀(jì)70年代開(kāi)始出現(xiàn)了在中間包內(nèi)安裝擋墻和壩的方法以來(lái)，該技術(shù)由于簡(jiǎn)單易行一直被普遍應(yīng)用，其設(shè)計(jì)方法也是多種多樣。設(shè)置上擋墻可以控制鋼包注流沖擊區(qū)的大小,將隨鋼包注流進(jìn)入中間包的爐渣控制在注流區(qū)內(nèi),減少對(duì)鋼液的二次污染。目前中間包內(nèi)設(shè)置擋墻的形式有單擋墻、雙擋墻和多擋墻。設(shè)置擋墻對(duì)去除大型夾雜效果明顯，但對(duì)去除中小型夾雜效果甚微，因此許多研究者又開(kāi)發(fā)了一種新的去夾雜物技術(shù)一鋼液過(guò)濾器[11]。日本鋼鐵研究實(shí)驗(yàn)室與Kobe(神戶)鋼廠[12]合作，在連鑄中間包上，采用環(huán)狀疊加式過(guò)濾器，對(duì)鋁鎮(zhèn)靜鋼進(jìn)行過(guò)濾表明，陶瓷過(guò)濾器不僅可減少鋼中大、中型夾雜物，而且也能去除一定數(shù)量的微型夾雜物。國(guó)內(nèi)已研制成功多孔泡沫陶瓷過(guò)濾器，這是一種深層過(guò)濾器，過(guò)濾效果比較顯著 ，能去除A1203夾雜物 ，目前大多使用泡沫陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾A1203夾雜。盡管目前過(guò)濾器種類(lèi)不少，使用過(guò)濾器去除鋼液中的夾雜物已取得了一定效果，但是此項(xiàng)技術(shù)并沒(méi)有被廣泛地應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)，其主要原因是:1)鋼液溫度高，澆注時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)過(guò)濾器的沖刷和侵蝕嚴(yán)重，其壽命短；2)過(guò)濾器的比表面積有限，孔眼易被堵塞，難以滿足鋼液連續(xù)過(guò)濾的要求；3)陶瓷過(guò)濾器制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。向中間包內(nèi)吹入惰性氣體，使其產(chǎn)生的小氣泡幕將夾雜物從鋼液內(nèi)部帶到表面 ，從而被渣層所吸附，以達(dá)到凈化鋼液去除夾雜的目的[15]。戴朝珊等通過(guò)彌散型透氣磚向中間包內(nèi)吹入均勻分布的惰性氣體，能起過(guò)濾、凈化鋼液的作用，夾雜物上浮率提高。有人開(kāi)發(fā)了另一種吹氣技術(shù)，通過(guò)噴嘴向中間包內(nèi)的鋼水吹入一定速度的惰性氣體，并使惰性氣體與設(shè)置在離噴嘴頂端一定距離的固體壁沖撞、濺散，這種沖撞、濺散的微細(xì)氣泡就會(huì)積極地捕捉鋼水中的夾雜物。向中間包內(nèi)吹氣還可防止長(zhǎng)水口結(jié)瘤堵塞，對(duì)減輕結(jié)晶器內(nèi)鋼液的二次氧化也有利。湍流控制器( Turbulence Inhibiting PouringPad) 的研究工作始于1994 年。很顯然這種中間包的大部分弊端是由于這種中間包不能控制由于大包注流帶入的湍流動(dòng)能而引起的。湍流是由進(jìn)入中間包內(nèi)的高速鋼水流引起的。曾試圖通過(guò)加大緩沖墊和增加工作層厚度控制湍流，但這種方法是行不通的。正是基于這個(gè)原因WCI 鋼廠開(kāi)始尋找和研究一種限制大包注流沖擊能的裝置。這種控制器能使湍流動(dòng)能在控制器中得以耗散是因?yàn)榉聪蜓h(huán)流動(dòng)。各種控流裝置都會(huì)改變鋼水在中間包內(nèi)的流動(dòng)路徑和方向，延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)的停留時(shí)間，從而利于夾雜物的上浮。但只采用一種控流裝置的效果并不是很好。2．2．3 中間包內(nèi)襯用耐火材料發(fā)展歷程中間包內(nèi)襯一般包括隔熱層、永久層、工作層。永久層上世紀(jì)70年代中期主要為粘土磚、高鋁磚。最初，中間包工作層也是永久層，隨著澆注次數(shù)增多和通鋼量增大，及減少溫降的要求，中間包工作層經(jīng)歷了耐火粘土磚（永久層即為工作層）、絕熱板、噴涂料（涂抹料）以及干式振動(dòng)料（即干性工作層）的發(fā)展歷程。中間包絕熱板一般有硅質(zhì)、鎂質(zhì)和鎂橄欖石質(zhì)三種，突出的解決了中間包散熱和保護(hù)問(wèn)題，同時(shí)改善了勞動(dòng)條件。(2) 中間包噴涂料（涂抹料）時(shí)代。目前，連鑄中間包大部分采用這種內(nèi)襯材料。但是改種工作層氣孔率較大，易形成附渣層，加大了熔渣對(duì)涂料的侵蝕，減少了中間包的有效容積，同時(shí)由于侵入熔渣的膨脹系數(shù)和方鎂石不同，在溫度劇烈波動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致涂料層出現(xiàn)結(jié)構(gòu)崩裂和剝落，污染鋼水。涂料的使用壽命一般為8～10小時(shí)，不能有效達(dá)到提高生產(chǎn)效率，降低成本、低能耗、低消耗的目的。近年來(lái)，在連鑄生產(chǎn)中，尤其是小型連鑄機(jī)的中間包上，以開(kāi)始使用整體中間包干式?？梢钥焖俸婵荆ɑ虿缓婵荆?，增加了中間包的利用率。與噴涂料（涂抹料）相比，烘烤時(shí)間短，有利于降低能耗，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。生產(chǎn)實(shí)踐證明，這將是今后中間包工作襯的發(fā)展方向。因此，要充分發(fā)揮中間包的冶金功能，提高進(jìn)入結(jié)晶器中的鋼水質(zhì)量，研究中間包內(nèi)的鋼液流動(dòng)現(xiàn)象是中間包冶金的基礎(chǔ)。為此，人們通常采用模擬方法對(duì)中間包內(nèi)的傳輸行為進(jìn)行研究。模擬可分為物理模擬和數(shù)學(xué)模擬兩類(lèi)，其中物理模擬又包括冷態(tài)模擬和熱態(tài)模擬兩種方法。數(shù)學(xué)模擬是指用數(shù)學(xué)模型來(lái)使現(xiàn)象或過(guò)程再現(xiàn)。傳輸理論分析技術(shù)和反應(yīng)工程學(xué)研究方法已被廣泛應(yīng)用于冶金過(guò)程的研究和工藝開(kāi)發(fā)。數(shù)學(xué)模擬是基于計(jì)算流體力學(xué)、傳熱學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)的原理，用數(shù)值方法求解聯(lián)立的質(zhì)量、動(dòng)量、能量等偏微分方程組，通過(guò)數(shù)學(xué)分析，給出整個(gè)流場(chǎng)中各變量的時(shí)空分布，進(jìn)而分析冶金過(guò)程的速率和效果。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[20]:(1) 經(jīng)濟(jì)性，與其它方法相比，數(shù)學(xué)模型用數(shù)值法求解時(shí)可以以相當(dāng)快的計(jì)算速度求解所研究的問(wèn)題，且成本很低。(3) 具有模擬極端條件的能力，它可以幫助確定臨界操作條件，模擬生產(chǎn)中不能實(shí)現(xiàn)的、極端條件的操作；(4) 它是過(guò)程控制的基礎(chǔ)，在過(guò)程預(yù)測(cè)和在線控制方面，數(shù)學(xué)模型具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。利用計(jì)算流體力學(xué)的基本知識(shí)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)中間包被鋼水的傳輸過(guò)程進(jìn)行模擬的研究從八十年代的初期就開(kāi)始了，但早期的研究主要是在大量假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，建立二維數(shù)學(xué)模型對(duì)包內(nèi)鋼水的流動(dòng)、傳熱等一些現(xiàn)象進(jìn)行模擬。因此就發(fā)展為后來(lái)的三維數(shù)學(xué)模型。盡管數(shù)學(xué)模擬方法在冶金過(guò)程研究中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，然而，還要清楚地認(rèn)識(shí)到，控制冶金過(guò)程的物理現(xiàn)象是極其復(fù)雜的，很難精確模擬。(2) 多相體系問(wèn)題，如解決多相體系中的界面不穩(wěn)定問(wèn)題。物理模擬方法是從相似理論出發(fā)，借助于必要的測(cè)試手段，對(duì)體系的過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)和顯示，根據(jù)物理模型和原型的單值相似、相似準(zhǔn)數(shù)相等和過(guò)程機(jī)理相同，則模擬效果相同的原理，按一定的比例把原型放大或縮小，測(cè)定模型條件下的參數(shù)，觀察其中的規(guī)律，并按相似原理得到原型的參數(shù)，達(dá)到直接預(yù)測(cè)原型的效果的研究方法。Martinez等人研究指出：中間包水力學(xué)模型對(duì)于研究中間包內(nèi)流體的物理模型具有普遍意義，它可以定性和半定量地研究，水模型預(yù)測(cè)結(jié)果可以很好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。1914年百金漢首次顯式地?cái)⑹隽肆烤V分析中一個(gè)重要定理即二定理，1922年布里奇曼完整地?cái)⑹龊妥C明了二定理，從而為物理模擬流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)地理論基礎(chǔ)[23]。在中間包冶金技術(shù)的研究中，里用數(shù)學(xué)模擬和物理模擬相結(jié)合的研究方法，會(huì)更見(jiàn)成效。2．3 連鑄坯的夾雜物來(lái)源隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，用戶對(duì)鋼材質(zhì)量要求也越來(lái)越高，迫切地想得到夾雜物很少的純凈鋼，但是目前連鑄坯的質(zhì)量尚不夠理想，而影響連鑄坯及軋材質(zhì)量的主要因素之一就是非金屬夾雜物。主要有鋼液裸露在大氣中引起的二次氧化和鋼包、中間包以及結(jié)晶器內(nèi)鋼液暴露在大氣中的二次氧化。(2) 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(guò)程中由于鋼液的沖擊造成的卷渣。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(lái)而成為夾雜物或二次氧化的氧源。2．4 連鑄中間包鋼水中夾雜物的清除近年來(lái)，中間包鋼液凈化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到很大的發(fā)展。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(lái)改變鋼液在中間包的流動(dòng)形態(tài)。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(guò)在中間包內(nèi)設(shè)置適當(dāng)形式的控流裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。大氣二次氧化是中間包內(nèi)鋼水的重要污染源之一。(3) 防止鋼水與內(nèi)襯耐火材料反應(yīng)近年來(lái)，中間包堿性?xún)?nèi)襯得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。(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。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。(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。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。物理模擬有兩種類(lèi)型：第一類(lèi)是精確的物理模型或稱(chēng)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(lèi)是半精確模型或稱(chēng)部分模擬，用來(lái)研究過(guò)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。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。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)。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(guò)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)。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。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(guò)中間包出口。就是流體不流動(dòng)或者流動(dòng)速度極小的區(qū)域。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。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。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。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。一般Re數(shù)的第二自?；瘏^(qū)的臨界值為1x104~1x105。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。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)。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。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。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。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(guò)程必須是線性過(guò)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(guò)程稱(chēng)為線性過(guò)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。(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)。(4) 刺激與響應(yīng)信號(hào)要易于測(cè)量。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。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。(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。當(dāng)中間包內(nèi)沒(méi)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。出口處示蹤劑的無(wú)因此濃度和無(wú)因此停留時(shí)間之間的關(guān)系曲線為無(wú)因此停留時(shí)間分布曲線。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(wú)因此時(shí)間從0到2之間的面積。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(wèn)題和場(chǎng)問(wèn)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(wèn)題。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