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河北津西钢铁公司生产的连铸异形坯和轧后H型钢经常出现表面裂纹等质量缺陷。因此,以H型钢连铸中间包为研究对象,建立了中间包钢液流动与传热的三维耦合及夹杂物运动的数学模型,利用大型商业软件FLUENT分别对使用A、B两种稳流器的津西H型钢连铸中间包的流场、温度场及夹杂物的去除进行模拟计算,并对模拟结果进行了分析。
对使用A稳流器的中间包进行数值模拟发现,从中间包第2流流出的夹杂物比从第l流流出的多14﹪~20﹪。在实际生产的情况下,用大样电解法对第1流和第2流连铸坯夹杂物进行测定,测得结果是第1和第2流连铸坯中夹杂物含量分别为74.62m/10kg和85.66mg/10kg,即从第2流流出的夹杂物比第1流多14.8﹪,这是由于A稳流器不能彻底消除从中间包注入口到第2流的短路流;通过对使用B稳流器的中间包计算得到:夹杂物从第1流流出的比从第2流流出的多6﹪~10﹪。由此可见,使用A稳流器的中间包生产的各流铸坯中夹杂物含量差别比B稳流器大。B稳流器本身还具有深桶结构能够能促进夹杂物的碰撞聚集,并且可以完全消除短路流。因此淘汰了A稳流器。
对使用B稳流器的中间包进行数值模拟发现,第1流钢液的温度比第2流高3K~4K,这与现场实际测温结果一致;从第1流流出的夹杂物数量比第2流多6﹪~10﹪。为了使中间包各出口的温差更小、铸坯中夹杂物含量接近一致而且处于较低的水平,需要B稳流器进一步优化。优化的思路是改变B稳流器两侧出口的大小及改变稳流器挡墙高度。提出了8种优化方案B1~B8。
分别对8种优化方案的中间包的流场、温度场以及夹杂物的去除进行数值模拟。结果表明:在B3方案中,第1和第2流的温度分别为1817K和1817.5K,温差仅为0.5K;从中间包各出口流出的夹杂物的个数百分含量(收集率)基本相等,差值在2﹪以内;当量直径在40μm以上的夹杂物去除率大于53﹪,而且随着的夹杂物尺寸的增大去除率明显提高。
综合考虑中间包流场、温度场和夹杂物排除率三种因素的基础上确定了B3方案为最佳方案。