【摘 要】
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钢液的洁净度对成型后钢材的质量影响显著,钢液内非金属夹杂物含量较高时,会导致凝固的铸坯各种力学性能降低,甚至产生铸坯的质量缺陷。中间包在连铸生产工序中位置特殊,在提高钢液洁净度方面优势明显。冶金学者主要研究包内钢液流动状态控制和夹杂物运动行为,通过各种控流装置的组合使用,可以显著地改善包内钢液的流动特性,促进钢液中夹杂物的上浮去除。大粒径夹杂物上浮速度快,优化流场对大粒径夹杂物的上浮去除十分有效,
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钢液的洁净度对成型后钢材的质量影响显著,钢液内非金属夹杂物含量较高时,会导致凝固的铸坯各种力学性能降低,甚至产生铸坯的质量缺陷。中间包在连铸生产工序中位置特殊,在提高钢液洁净度方面优势明显。冶金学者主要研究包内钢液流动状态控制和夹杂物运动行为,通过各种控流装置的组合使用,可以显著地改善包内钢液的流动特性,促进钢液中夹杂物的上浮去除。大粒径夹杂物上浮速度快,优化流场对大粒径夹杂物的上浮去除十分有效,而尺寸小于50μm的夹杂物随流性好,通过上浮去除的效果并不明显。本文主要研究旋流中间包内夹杂物的运动行为。首先基于Euler-Lagrangian离散相模型考虑夹杂物受多种力的作用,在旋流室直径为600 mm时旋流室高径比的变化对夹杂物去除率的影响,得出最优的旋流室高径比参数。在最优的旋流室参数下,研究钢液流速的改变对不同尺寸夹杂物运动轨迹和上浮去除率的影响;然后基于双欧拉和群体平衡模型相互耦合的CFD-PBM模型,对比计算常规中间包和旋流中间包内夹杂物在湍流碰撞机理作用下的碰撞聚集行为,得到夹杂物总体积分数和平均直径的变化,以及不同尺寸组夹杂物数量密度的变化。研究主要得出以下几点结论:（1）旋流中间包内流动状态的模拟与前人的水模实验吻合度高,控流后包内钢液的旋转流动导致钢液运动路径延长,流动状态更为合理。（2）从夹杂物运动轨迹图得出,钢液旋转流动的同时带动夹杂物旋转运动,夹杂物更容易碰撞聚集长大,夹杂物上浮去除率提高。（3）计算旋流室直径为600 mm时旋流室高径比变化对夹杂物上浮去除率的影响。得出旋流室高径比为0.75时,可以保证夹杂物高去除率的同时对钢液面的波动较小,为最优的旋流室结构参数。（4）计算不同尺寸夹杂物的上浮去除率可以得出,10 μm以下小尺寸夹杂物上浮去除率约25%,随着夹杂物尺寸地增大,夹杂物上浮去除率逐渐提高,当夹杂物尺寸大于100 μm时,夹杂物的去除率达95%。（5）CFD-PBM耦合模型的计算结果表明,小尺寸夹杂物碰撞聚合生成大尺寸夹杂物,夹杂物的碰撞聚合行为与钢液湍流流动同时进行,而中间包内钢液的平均停留时间为689 s,夹杂物在t=3000 s达到稳定说明中间包夹杂物的碰撞和去除过程是非稳态过程。（6）两类中间包内夹杂物计算稳定时的结果表明,常规中间包的出口处,夹杂物的总体积分数减少了 16.3%,夹杂物的平均直径增大了 8.12%;旋流中间包出口处,夹杂物的总体积分数减少了 20.7%,夹杂物的平均直径增大了 10.68%。（7）考虑碰撞夹杂物去除率影响可以得出,碰撞对小尺寸夹杂物的上浮去除率影响较大,在前6组夹杂物中,随着夹杂物尺寸地增大,碰撞的夹杂物去除率从25%减小到15%,在当夹杂物尺寸大于63 μm时,虽然碰撞去除率低,但夹杂物自身上浮去除率很高,钢液中夹杂物尺寸大于63μm的夹杂物数量密度很小。
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