基于CFD特殊钢中间包流场分析优化与夹杂物去除效果评估

基于Ansys Fluent流体仿真工具赋能炼钢设计研发

在现代炼钢工艺中，中间包作为钢液从钢包到结晶器的过渡容器，是控制钢液纯净度的关键环节。中间包冶金能对提升铸坯质量提供重要帮助，通过在中间包内部设置控流装置，起到延长钢液在中间包内的平均停留时间、改善中间包内钢液的流场、促进夹杂物的上浮等作用。随着对钢材质量要求的不断提高，利用数值模拟技术优化中间包内钢液流动特性，已成为提升炼钢效率与产品质量的重要手段。本文基于Ansys Fluent模块，采用计算流体动力学（CFD）与离散颗粒模型（DPM）的耦合方法，系统分析其在中间包钢液流动模拟、杂质祛除及颗粒追踪中的应用价值，为炼钢工艺优化提供理论支撑与实践指导。

一、中间包钢液流动特性的数值模拟 

中间包作为炼钢连铸过程中钢液的“缓冲与净化枢纽”，钢液的流动状态直接影响夹杂物的上浮效率，其流动特性直接决定钢液纯度、铸坯质量等，在Fluent中通过CFD-DPM模型的耦合应用可实现以下关键流动参数的定量分析，从而破解传统实验难以量化的技术痛点。

（一）钢液中间包除杂优化 

研究显示，钢液中的非金属夹杂物是影响铸坯性能的关键隐患，传统方式依赖经验调整挡渣墙、堰板位置，除杂效率不稳定。在 Fluent 仿真中，DPM 颗粒追踪模型可将夹杂物视为离散相，与 CFD 钢液连续相流场模拟相结合，实现夹杂物全流程动态追踪，为除杂优化提供精准支撑：

–精准分析不同粒径夹杂物的运动轨迹与上浮速率，识别夹杂物易聚集的“死区”区域，为优化控流装置提供数据支撑；通过对这些数据的分析，可以针对性地调整控流装置，如改变其形状或位置，从而有效改善钢液的流动状态，提高除杂效率。

-可模拟吹气、电磁搅拌等辅助除杂手段的效果，对吹气流量和搅拌强度进行优化，可使夹杂物上浮效率提高15% – 30%，从而显著降低铸坯夹杂缺陷率；

-替代物理模型实验，有效缩短除杂工艺研发周期，减少原材料消耗与试产成本。 

（二）中间包结构流动优化 

中间包内钢液的流速分布、停留时间均匀性，直接影响温度场稳定性与夹杂物去除效果。CFD通过三维流场模拟，可实现结构的精细化优化：

-优化挡渣墙、导流板、稳流器的形状、位置与数量，消除局部涡流、短路流，延长钢液平均停留时间，避免高温钢液局部过热或过冷；

-模拟不同浇注速度、钢液液位下的流场变化，适配多工况生产需求，确保连铸过程的稳定性；

-针对异形中间包、多流中间包等复杂结构，提前预判流动缺陷，优化结构设计以提升钢液分配均匀性，保障多流铸坯质量一致性。 

二、CFD-DPM模型的基本原理与耦合机制 

CFD-DPM模型通过欧拉–拉格朗日方法实现气液固多相流的数值模拟。其中，连续相（钢液）采用欧拉模型求解Navier-Stokes方程，离散相（夹杂物颗粒）通过拉格朗日方法追踪运动轨迹，两相之间通过动量交换实现双向耦合。该模型的核心参数包括：

a.Stokes数：反映颗粒与流体的跟随性，定义为颗粒弛豫时间与流体特征时间的比值，是判断颗粒运动特性的关键指标。

b.相间作用力：包括曳力、重力、浮力及虚拟质量力等，其中曳力系数（如Schiller-Naumann模型）的选取直接影响模拟精度。

c.关键参数示例：某300t中间包的核心参数包括：钢液密度7000kg/m³、黏度0.0067kg·m⁻¹·s⁻¹、入口速度1.523m/s、重力加速度9.8m/s²，边界条件设置自由表面热流量15000W/m²、底面热流量1400W/m²。

d.边界条件：需准确设置入口速度、出口压力及壁面无滑移条件，以真实反映中间包内的流动环境。 

三、中间包钢液流动案例展示 

为直观展示中间包内钢液流动特性的优化效果，以下以某钢厂300t矩形中间包为例，结合CFD-DPM耦合模拟结果，分析其结构设计与流动控制策略。该中间包结构示意图如下图所示，通过Fluent模拟可以实现钢液流场的可视化分析，为结构优化提供数据支撑。 

图1  中间包结构示意图

（一）DPM模型输入参数设置

a.边界条件参数：入口速度、出口压力、流体参数(密度、粘度等)、壁面相互作用（反射/捕获/逃逸）等

–反射：表示粒子与壁面碰撞后反弹，继续在流场中运动，可用于模拟夹杂物在壁面处的非捕获情况。

–捕获：粒子与壁面碰撞后被壁面吸附，从流场中移除，可用于模拟夹杂物被壁面捕获的情况。

–逃逸：粒子与壁面碰撞后穿过壁面，离开流场，可用于模拟夹杂物从中间包特定区域流出的情况。

b.颗粒属性参数：包括颗粒密度（如8910 kg/m³）、粒径分布（如10-500 μm）、比热容等物理属性，需根据夹杂物类型设定，准确设定这些参数能提高模拟的准确性。

（二）关键监测结果指标

a.颗粒运动特性：轨迹分布、停留时间、碰撞频率等，可直观展示夹杂物在中间包内的迁移规律

b.流场参数分析：流场压力/速度分布，反映钢液在中间包内的流动状态，有助于发现流动异常区域

c.工艺优化指标：夹杂物去除效率、死区体积占比、钢液混合均匀度等量化参数

（三）模拟结果展示 

通过图表和数据直观呈现中间包内钢液的流场分布、夹杂物运动轨迹及各项优化指标的模拟结果。基于这些直观的结果分析判定流场中存在的死区和短路流区域，为中间包结构和工艺的进一步优化提供方向。

（四）定性结果分析：结合模拟结果，对中间包内钢液流动特性、夹杂物去除效果等进行定性评估，总结优化措施的有效性和不足之处。

根据Fluent颗粒追踪结果显示，从入口释放1000个粒子，其中967个被目标面捕获，33个粒子从出口逃逸，杂质颗粒物祛除率达96.7%。

另外，还可以监测流体区域进出口的平均压力，可分析钢液流动的稳定性和阻力情况。根据结果显示模型对应的四个出口的平均压力损失2666.2Pa。

四、结论与展望 

CFD-DPM模型在中间包钢液流动模拟与夹杂物控制中展现出显著的技术优势，其核心价值体现在：

1.实现多相流过程的定量分析，为工艺优化提供科学依据；

2.缩短试验周期，降低研发成本，避免工业试验的盲目性；

3.结合机器学习算法，有望实现中间包工艺参数的智能调控。 

未来研究方向将聚焦于高温熔体物性参数的精准表征、多物理场耦合模拟（流场–温度场–成分场）及数字孪生技术的工业应用，进一步推动炼钢过程的智能化与绿色化发展。