钢包下渣过程的数值模拟研究
蒋大伟1，胡永才1，陈义胜2，庞赟佶
2，3
（1.东北特钢集团，辽宁大连116105；2.内蒙古科技大学，内蒙古包头014010；
3.大连理工大学，辽宁大连116024）
摘要：
根据流体力学中的VOF法及ε−k湍流模型的基本理论，实现了对110t钢包内不同渣层厚度浇注过程的
模拟计算。重点描述了钢水浇注过程中钢包内的流动及流场的分布状况，得出了不同渣层厚度时的浇注过程所
需的下渣高度及最佳渣厚。
关键词：VOF法；钢包下渣；渣层厚度；最佳渣厚
中图分类号：TF769.2文献标识码：A
LadleSlagProcessNumericalSimulationResearch
JIANGDawei1，HUYongcai1，CHENYisheng2，PANGYunji
2，，3
（1.DongBeiSpecialSteelGroup，Dalian116105，China；2.2.InnerInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology，Baotou014010，
China；3.3.DalianDalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China
）
Abstract：
AccordingtotheVOFmethodandε−kturbulencemodelofthebasictheoryinthefluid
mechanics，realizedifferentslaglayerthicknessofthe110tladlecastingprocesssimulation.Thearticlemainly
describesflowfielddistributionconditionofthesteelintheprocessofpouring,itisconcludedthatthedifferent
slaglayerthicknessofcastingprocesstheslagheightandbestslagthickness.
Keywords:
VOFmethod;Laddleslag;Slaglayerthickness,Bestslagthickness
钢液由钢包流入连铸中间包或模铸中注管内，钢液液面降低至一定高度时，钢液与钢渣就会混出，流股的
巨大冲击作用会大大降低钢水的纯净度，势必对钢锭或铸坯的质量产生影响。目前很多企业都采用了浇注过程
的下渣检测技术，使钢锭或铸坯内部质量有了很大改善，但下渣检测准确程度有待提高。这里运用流体力学中
VOF法及ε−k模型描述了大型材分公司110t钢包内不同渣层厚度对钢液流动形态的影响。
1模型建立
1.1基本假设
钢包顶部钢液为自由表面；不考虑钢液温降对钢包内流动的影响；钢包壁面为固体壁面；空气、钢渣和钢
水均为不可压缩流体。由于钢包锥度较小，忽略钢包壁面对包内流动形态的影响[1]。
1.2数学模型
连续性方程()0=∂∂iixuρ；
传输方程()iijeffijieffiiijigxuxxuxxpxuuρµµρ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂∂+∂∂−=∂∂；
ε−k
方程：
()
ρεσµµ−+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+∂∂=∂∂G
xkxx
ku
ikti
i
()
kcGkcxxxuitjii221ερεεσ
µµε
ρ
ε
−+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+∂∂=
∂
∂
其中⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=ijjijitxuxuxuGµ、
ε
ρµµµµ2kc
Dteff
+=+=
式中effµ为有效粘度，钢包内的流动过程为湍流流动，采用由Launder和Spalding提出的ε−k双方程模型，
式中出现的经验常数采用Launder和Spalding的推荐值[2，3]，如下:
44.11=c，92.12=C，09.0=µc，0.1=kσ，3.1=
ε
σ
渣-空气、钢-渣液面流动形态采用多相流模型中的VOF方法进行计算。
1.3边界条件
针对东北特钢大型材分公司110t钢包模型进行的模拟计算，相关参数见如表1。主要模拟钢包下渣过程，
为加快计算速度，计算区域高度取1500mm。空气入口取压力入口、出钢口取压力出口，重力是钢液流动驱动
力取g=9.81m/s2。网格划分采用结构化网格，共划分10665个单元；求解过程采用PISO方法，时间步长为0.04s，
迭代过程中认为残差小于0.001时收敛。分别计算了渣层厚度为0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、
300mm、350mm和400mm九种情况下的下渣临界高度。
表1钢包、钢液及渣相关参数
钢包参数(mm)工况参数
钢包内径2.83×103钢液密度/(Kg/m3)7.00×10
3
钢包高度4.96×103钢液粘度/(Pa·s)6.30×10
-3
液面高度3.40×103钢渣密度/(Kg/m3)3.00×10
3
出钢口直径6.00×101钢渣粘度/(Pa·s)3.50×10
-1
2计算结果
2.1钢包内钢渣液面的流动过程
钢包内钢液依靠重力作用，由出钢口流入中间包或中注管内。随着浇注过程的进行，包内钢水量越来越少，
钢液面的高度逐渐下降，钢渣始终附着在钢液面上。共模拟了钢包内九种渣层厚度的流动形态，上述流动形态
大致相同，故此只取钢渣厚度为100mm的情况进行简要描述。图1为100mm渣厚不同时刻流动形态图；浇注开
始时，钢液面位置较高；随着浇注过程的进行钢液面逐渐下降，在远离出钢口上方钢渣逐渐稀薄，流向出钢口
上方并聚集，出钢口处渣层越来越厚。当钢液面降低到一定程度时，出钢口上方产生漩涡，发生卷渣、钢渣混
出现象，钢液受到污染；最终钢液与渣大量混出直至结束。图2为100mm渣厚时的流场分布，与图1中各图一
一对应；由重力作用钢液从出钢口流出，图中显示出钢口左侧钢液流速较快，出钢口右侧流速较慢。
注：图例被分成三部分，上部表示空气、中部为渣层、下部为钢液，图3与此一致
图1.100mm渣厚不同时刻流动形态图
图2.100mm渣厚流场分布
2.2下渣临界高度及最佳渣层厚度
图3为不同渣层厚度流动形态图。由图可知随着浇注的进行渣层厚度为50mm时，距离出钢口较远处的钢
渣逐渐稀薄，渣层出现分段现象使钢水裸露直接与空气接触，钢水容易二次氧化夹杂曾都，温降加快。钢渣厚
度大于100mm时，钢渣能够很好的覆盖在钢液表面隔绝空气，且减少温降；因此渣厚一般应大于100mm。
通过模拟得出不同渣厚的下渣临界高度，依此算出了下渣时刻钢包内的钢水重量，如图4。从图中可知随
着渣层厚度的增加，下渣高度也随之增加；但当渣层厚度较厚时，下渣高度增加不明显。渣层厚度由0mm即无
渣至50mm时，下渣高度由90mm升至150mm相差较大，钢水相差达2.62t之多；但随渣层厚度的增加，下渣高
度增加趋势较为缓慢；对于有渣时下渣高度大约在150~180mm之间，钢水重量大致为6.50~7.90t。对于生产来
说刚包内剩余钢液越少越好，这样可以提高成材率，综合生产实际建议渣层厚度应小于200mm。
渣层厚度50mm渣层厚度100mm
渣层厚度150mm渣层厚度200mm
图3.不同渣层厚度流动形态图
图4.下渣高度及包内钢液重量示意图
3结论
描述了钢包浇注过程中包内钢液及渣的流动形态。钢包内渣层厚度最佳为100~200mm之间，这样既能保证
渣层隔绝空气、减少降温；又能保证较高钢水收得率。钢包内无渣与有渣下渣高度相差较大；渣层越厚下渣高
度越高，开始下渣时包内钢水重量一般在6.50~7.90t之间。
参考文献
[1]陈义胜,冯磊，鲍文廷，等.双孔钢包底吹氩最佳吹气量探讨[J].冶金设备,2009,(9):18-21.
[2]陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安：西安交通大学出钢社，2001.
[3]贺友多.传输理论和计算[M].北京：冶金工业出版社，1999.