中间包是短流程炼钢中用到的一个耐火材料容器，首先接受从钢包浇下来的钢水，然后再由中间包水口分配到各个结晶器中去。钢铁作为一种重要的基础原材料，在世界各国的经济发展中发挥着举足轻重的作用。

一、引言

二、基本方程组

三、数值计算

四、计算流程

五、结果演示(1、2D模型计算演示 2、3D模型 3、二维中间包模型计算)

六、中间包采用堰和坝

一、引言

自18世纪50年代以来，随着贝赛麦转炉和平炉的出现以及大规模的钢铁制造业的兴起，人类社会的文明进步明显加快。尤其是20世纪以来，钢铁行业的蓬勃发展，成为全球经济和社会文明进步的重要物质基础。在可以预见的时间范围内，钢铁仍然是世界上非常重要的材料，钢铁材料的综合优异性能使其在主要基础工业和基础设施中仍是不可替代的材料。钢铁以其成本的竞争力和原料的高储备量、易开采、易加工以及良好的再生利用性，仍将作为全球性的主要基础原材料。

在钢铁工业的发展进程中，其基本原理并没有出现根本性的变化，但钢铁生产工艺流程中各工序的技术形成以及工程的组成内涵则发生了巨大的变化，从而使钢厂结构模式及制造流程发生了深刻变化。

20世纪50年代，作为钢铁工业革命标志的连铸技术发展起来，其特点是过程速度快，投资集中，技术日趋完善。1970年全世界连铸比仅为5.6%，而到1990年全世界连铸比已达到62.4%，一些工业发达国家的连铸比超过了95%。近年来世界上许多炼钢厂相继以全连铸生产取代了模铸生产，到1994年实现全连铸的国家已达24个。

通传统的模铸相比，连铸具有提高金属收得率和降低能量消耗的优越性，而减少金属资源和能量的消耗是符合可持续发展要求的。全连铸的实现使炼钢生产工序简化，流程缩短，生产效率显著提高。中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作用是不可忽视的。通常认为中间包起以下作用：

1、分流作用。对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。

2、连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起到衔接的作用。

3、减压作用。盛钢桶内液面高度有5~6m，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。

4、保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。

5、清楚杂质作用。中间包作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响，应该尽可能使钢中非金属夹杂物的颗粒在处于液体状态时排除掉。

中间包冶金研究应该发挥的作用有：

1、改善钢液流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物；亦即防止短路流，减少死区，改进流线方向，增加钢液的停留时间。

2、控制好钢液温度，必要时增加加热措施，时钢液过热度保持稳定。

3、选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收分离和上浮的夹杂物。

计算流体力学对各种流场的研究是非常有效的方法。中间包冶金的特点是在钢液流动中进行各种冶金过程，所以可以用计算流体力学方法求解中间包流场。由于中间包结构复杂，除早期曾用二维流场计算求解外，基本上都用三维流场计算。贺友多较早开展了三维流场计算的研究工作，并利用其计算程序计算了多种中间包内钢液流动特征及影响因素。萧泽强等运用了他们对盛钢桶内吹氩钢液流动的长期研究的成就，也计算了多种中间包内的流场，并较早注意到非等温状态中间包流场的研究，指出了自然对流的影响不可忽视，并用水模型进行了实验验证。计算流体力学方法现已成为中间包冶金分析的主要手段，随着计算机硬件和软件的迅速进步，计算流体力学将会在冶金科学技术中得到更广泛的应用。

二、基本方程组

钢液在中间包内的流动是一个复杂的湍流流动过程，描述钢液在中间包内流动的方程有连续性方程、动量方程以及描述湍流摩擦的

双方程模型，考虑温度场的影响需要增加能量方程，考虑夹杂颗粒的影响的组分输运方程。这些方程采用通用对流扩散输运方程表示如下：

三、数值计算

本文将采用算子分裂法、压力投影法和CBS（特征分裂法）方法对方程（1.1）进行求解。对于方程（1.1），是典型的对流扩散方程，我们采用算子分裂法、压力投影法和CBS（特征分裂法）方法求解。我们将其分离成两部分：扩散项部分以及对流项部分。

四、计算流程

计算顺序按照流场计算---->k-场计算---->温度场计算---->浓度场计算顺序进行。而速度场的计算顺序是扩散场---->压力投影场---->对流场速度更新的顺序进行。

五、结果演示

1、2D模型计算演示

1.1 方腔流动

1.2 后台阶流动

1.3 圆柱绕流

2、3D模型

2.1 三维方腔流

2.2 三维后台阶流

3、二维中间包模型计算

多年以来，该双方程模式已经得到广泛的应用。大量的预报与不同的实验结果的对照表明，双方程模式可以完成或基本上能够成功运用于以下几种情况：无浮力的平面射流，平壁面边界层，管流/通道流/喷管内的流动；无旋及弱旋的二维和三维回流流动。但对于以下问题将于遭遇较大的问题，甚至完全不适用，包括：强旋流，浮力对流，重力分层流，曲壁边界层，低Re数流动，圆射流以及超大Re数流动等。在某些流动中，需精确地描述不同方向上Reynolds应力的输运情况，而基于各向同性涡粘性的双方程模式则显得过于粗糙，需要对其进行理论上的扩展，以符合要求。

实践证明，双方程模式，直到目前为止，也仍然是非常好的一种近似方法。

另外，模式是一种与 非常相似的一种湍流模式。而在小Reynolds数时可以考虑更为准确的跟踪壁面附近法向速度分量的方法。

另外，在体系Reynolds数不是很大的情况下，温度的脉动。能量方程可简化处理。

六、中间包采用堰和坝

堰，又称挡渣堰或上挡墙。横跨整个中间包宽度，从钢液面上部延伸至距中间包底部一定距离，钢水可从其下方流过。其在中间包的作用是：

1）可以控制钢包注流冲击区的大小，控制钢包注流对中间包钢水的搅拌强度，促进夹杂物碰撞和粘结成大颗粒上浮去除。

2）可以将随钢包注流进入中间包的炉渣挡在注流冲击区内，减少钢水因钢包卷渣造成的二次污染。

3）可以将大包注流冲击引起的中间包钢水表面波动限制在堰的上游，稳定堰的下游中间包钢水液面，减少因表面卷渣、二次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量。

坝，又称导流坝或下挡墙。横跨整个中间包宽度，从中间包底部向上延伸至距钢液面之下一定距离，钢水从其上流过。它具有以下的作用：

1）可以防止中间包短路流的形成，延长钢水在中间包内的流动距离，增加钢水在中间包的停留时间。

2）可以将钢包注流的冲击限制在冲击区内，降低钢水的水平流动速度。

3）使流过坝的钢水产生指向钢液表面的流动，缩短夹杂物的上浮距离，有利于夹杂物上浮去除和顶渣捕获夹杂物。

在中间包中，坝和堰常常是一起使用，以获得理想的中间包钢水的流动和冶金效果。