中間包

自18世紀50年代以來，隨著貝賽麥轉爐和平爐的出現以及大規模的鋼鐵製造業的興起，人類社會的文明進步明顯加快。尤其是20世紀以來，鋼鐵行業的蓬勃發展，成為全球經濟和社會文明進步的重要物質基礎。在可以預見的時間範圍內，鋼鐵仍然是世界上非常重要的材料，鋼鐵材料的綜合優異性能使其在主要基礎工業和基礎設施中仍是不可替代的材料。鋼鐵以其成本的競爭力和原料的高儲備量、易開採、易加工以及良好的再生利用性，仍將作為全球性的主要基礎原材料。

在鋼鐵工業的發展進程中，其基本原理並沒有出現根本性的變化，但鋼鐵生產工藝流程中各工序的技術形成以及工程的組成內涵則發生了巨大的變化，從而使鋼廠結構模式及製造流程發生了深刻變化。

20世紀50年代，作為鋼鐵工業革命標誌的連鑄技術發展起來，其特點是過程速度快，投資集中，技術日趨完善。1970年全世界連鑄比僅為5.6%，而到1990年全世界連鑄比已達到62.4%，一些工業發達國家的連鑄比超過了95%。近年來世界上許多鍊鋼廠相繼以全連鑄生產取代了模鑄生產，到1994年實現全連鑄的國家已達24個。

同傳統的模鑄相比，連鑄具有提高金屬收得率和降低能量消耗的優越性，而減少金屬資源和能量的消耗是符合可持續發展要求的。全連鑄的實現使鍊鋼生產工序簡化，流程縮短，生產效率顯著提高。中間包是鍊鋼生產流程的中間環節，而且是由間歇操作轉向連續操作的銜接點。中間包作為冶金反應器是提高鋼產量和質量的重要一環。無論對於連鑄操作的順利進行，還是對於保證鋼液品質符合需要，中間包的作用是不可忽視的。通常認為中間包起以下作用：

1、分流作用。對於多流連鑄機，由多水口中間包對鋼液進行分流。

2、連澆作用。在多爐連澆時，中間包存儲的鋼液在換盛鋼桶時起到銜接的作用。

3、減壓作用。盛鋼桶內液面高度有，衝擊力很大，在澆鑄過程中變化幅度也很大。中間包液面高度比盛鋼桶低，變化幅度也小得多，因此可用來穩定鋼液澆鑄過程，減小鋼流對結晶器凝固坯殼的沖刷。

4、保護作用。通過中間包液面的覆蓋劑，長水口以及其他保護裝置，減少中間包中的鋼液受外界的污染。

5、清除雜質的作用。中間包作為鋼液凝固之前所經過的最後一個耐火材料容器，對鋼的質量有著重要的影響，應該儘可能使鋼中非金屬夾雜物的顆粒在處於液體狀態時排除掉。

中間包冶金研究應該發揮的作用有：

1、改善鋼液流動條件，最大可能去除鋼中非金屬夾雜物；亦即防止短路流，減少死區，改進流線方向，增加鋼液的停留時間。

2、控制好鋼液溫度，必要時增加加熱措施，使鋼液過熱度保持穩定。

3、選擇合適的包襯耐火材料和熔池覆蓋劑，既減輕熱損失又有利於吸收分離和上浮的夾雜物。

計算流體力學對各種流場的研究是非常有效的方法。中間包冶金的特點是在鋼液流動中進行各種冶金過程，所以可以用計算流體力學方法求解中間包流場。由於中間包結構複雜，除早期曾用二維流場計算求解外，基本上都用三維流場計算。賀友多較早開展了三維流場計算的研究工作，並利用其計算程序計算了多種中間包內鋼液流動特徵及影響因素。蕭澤強等運用了他們對盛鋼桶內吹氬鋼液流動的長期研究的成就，也計算了多種中間包內的流場，並較早注意到非等溫狀態中間包流場的研究，指出了自然對流的影響不可忽視，並用水模型進行了實驗驗證。計算流體力學方法現已成為中間包冶金分析的主要手段，隨著計算機硬體和軟體的迅速進步，計算流體力學將會在冶金科學技術中得到更廣泛的應用。

鋼液在中間包內的流動是一個複雜的湍流流動過程，描述鋼液在中間包內流動的方程有連續性方程、動量方程以及描述湍流摩擦的

雙方程模型，考慮溫度場的影響需要增加能量方程，考慮夾雜顆粒的影響的組分輸運方程。這些方程採用通用對流擴散輸運方程表示如下：

本文將採用運算元分裂法、壓力投影法和CBS（特徵分裂法）方法對方程（1.1）進行求解。對於方程（1.1），是典型的對流擴散方程，我們採用運算元分裂法、壓力投影法和CBS（特徵分裂法）方法求解。我們將其分離成兩部分：擴散項部分以及對流項部分。

計算順序按照流場計算---->k-場計算---->溫度場計算---->濃度場計算順序進行。而速度場的計算順序是擴散場---->壓力投影場---->對流場速度更新的順序進行。

1.1 方腔流動

1.2 後台階流動

1.3 圓柱繞流

2.1 三維方腔流

2.2 三維後台階流

多年以來，該雙方程模式已經得到廣泛的應用。大量的預報與不同的實驗結果的對照表明，雙方程模式可以完成或基本上能夠成功運用於以下幾種情況：無浮力的平面射流，平壁面邊界層，管流/通道流/噴管內的流動；無旋及弱旋的二維和三維迴流流動。但對於以下問題將於遭遇較大的問題，甚至完全不適用，包括：強旋流，浮力對流，重力分層流，曲壁邊界層，低數流動，圓射流以及超大 數流動等。在某些流動中，需精確地描述不同方向上Reynolds應力的輸運情況，而基於各向同性渦粘性的雙方程模式則顯得過於粗糙，需要對其進行理論上的擴展，以符合要求。

實踐證明，雙方程模式，直到目前為止，也仍然是非常好的一種近似方法。

另外，模式是一種與 非常相似的一種湍流模式。而在小Reynolds數時可以考慮更為準確地跟蹤壁面附近法向速度分量的方法。

另外，在體系Reynolds數不是很大的情況下，溫度的脈動。能量方程可簡化處理。

堰，又稱擋渣堰或上擋牆。橫跨整個中間包寬度，從鋼液面上部延伸至距中間包底部一定距離，鋼水可從其下方流過。其在中間包的作用是：

1）可以控制鋼包注流衝擊區的大小，控制鋼包注流對中間包鋼水的攪拌強度，促進夾雜物碰撞和粘結成大顆粒上浮去除。

2）可以將隨鋼包注流進入中間包的爐渣擋在注流衝擊區內，減少鋼水因鋼包卷渣造成的二次污染。

3）可以將大包注流衝擊引起的中間包鋼水表面波動限制在堰的上游，穩定堰的下游中間包鋼水液面，減少因表面卷渣、二次氧化和機械沖刷所產生的夾雜量。

壩，又稱導流壩或下擋牆。橫跨整個中間包寬度，從中間包底部向上延伸至距鋼液面之下一定距離，鋼水從其上流過。它具有以下的作用：

1）可以防止中間包短路流的形成，延長鋼水在中間包內的流動距離，增加鋼水在中間包的停留時間。

2）可以將鋼包注流的衝擊限制在衝擊區內，降低鋼水的水平流動速度。

3）使流過壩的鋼水產生指向鋼液表面的流動，縮短夾雜物的上浮距離，有利於夾雜物上浮去除和頂渣捕獲夾雜物。

在中間包中，壩和堰常常是一起使用，以獲得理想的中間包鋼水的流動和冶金效果。