摘 要：电炉中间包在一机多流连铸过程中由于保温效果不好，存在各钢流温差变化大，夹杂物难以去除，铸坯质量不高等问题。以电炉中间包耐火材料为研究对象，设计了4种中间包耐火材料的砌筑方案，通过建立中间包的数值模型，应用ANSYS数值模拟软件对中间包进行优化方案，观察中间包在不同方案下的温度场分布，研究了不同中间包耐火材料组成对中间包内钢水与温度场的影响。数值模拟计算结果表明：35 mm工作层涂料、130 mm永久层浇注料、30 mm保温砖、5 mm纳米板和35 mm钢壳所组成的方案四的保温效果最好，但是考虑到现场施工情况应选取方案2为最佳方案。

中间包是连接钢包和结晶器之间，并将钢水分流连续浇铸的重要冶金设备，对钢的质量有很大影响[1,2,3]。随着冶炼技术的发展和炉外二次精炼技术的进步，中间包已不单单担负传统的功能，而需要起到新的作用：净化钢水、调整钢水温度、成分以及加热等，已成为钢水精炼容器[4,5,6,7]。目前各钢铁企业使用的耐火材料参差不齐，导致中间包的使用问题很多，特别是对于一机多流连铸中间包，通常会出现各注流口温差相差大，钢水中的夹杂物不易上浮，铸坯质量不高等问题，甚至会发生断流停浇的现象，严重影响了企业的生产效率和节奏[8,9,10,11,12]。因此，优化中间包耐火材料配置成为亟待解决的问题，在本文中，以B钢厂电炉中间包耐火材料进行了优化研究。

1 中间包耐火材料设置方案

针对B钢厂电炉中间包出现的中间包散热快，各注流口温差差别大的问题，针对耐火材料设置进行了优化，4种不同的耐火材料方案配置见表1。

表1 中间包隔热保温计算方案

2 数值模拟研究

2.1 数值计算边界条件设置

(1)中间包钢水液面为自由表面，忽略渣层对钢水的影响，自由表面剪切应力为零。自由面沿法线方向的速度为零；

(2)对称面法向速度为零，法向速度及k，ε的法向梯度为零；

(3)中间包固体壁面是无滑移壁面，速度、压力设置无滑移边界条件，所有法向梯度都为零；

(4)不考虑温度对钢液的密度、比热等热物性参数的影响；

(5)不考虑钢水表面的渣层；

(6)中问包的热量损失主要由热辐射和热传导引起的，是一个稳态传热过程。

2.2 钢种参数

将中间包钢液的入口温度设为定值，钢液的物理性能指标如表2所示。

表2 液相钢种物理性能

2.3 中间包各层耐火材料理化指标中间包各层耐火材料的热导率如表3所示。中间包外壁和覆盖渣层外表面与周围介质间的传热方式有对流换热和辐射换热两种，为简化计算，将其折算成综合换热系数进行计算。对流换热系数按自由流动处理计算的对流换热系数。

表3 中间包各层耐火材料的热导率（W·m-1·K-1)

3 计算结果与分析

以宝钢中间包为原型及相关工艺参数进行数值模拟，通过对中间包永久层与保温层所用材料的厚度与种类进行改变，对中间包的隔热保温性能设定出5个不同的方案如表2所示。使用Soildworks软件构建出表2中不同方案下的三维模型，并将其导入Ansys进行网格划分，温度场的模拟计算。图1为中间包中心垂直界面温度场分布图，显示出中间包在输入的模拟条件下的温度分布。从不同隔热方案下的温度分布云图可以看出，中间包内钢液与外层钢壳之间的温度分布趋势，随着中间保温层隔热方案的不同，而发生细微的变化。选择中间包高度1/2处的温度变化趋势为研究对象，进一步分析不同保温层隔热方案下的温度分布区别。

图1 中间包中心垂直界面温度场分布图

图2 中间包钢壳温度折线图

通过对中间包的5种不同方案随温度变化的模拟，模拟数据见图2。由水平界面温度场和图2的数据我们可以看出方案3和方案4相对于方案0（原始配置）来说，在连浇数炉后室温达到200℃时，钢壳平均温度要低于于其他方案，但方案3在钢壳处于110℃以前，保温性能要略差于同是五层结构的方案4。这说明在保留了保温砖的情况下，降低永久层的厚度从而加入了纳米板可以使得中间包的保温性能有所提高，使用5mm的纳米板，可以使得钢液得温度更加均匀，更好的降低钢液在中间包中所造成的热损失。

而相比于方案0同是4层结构构成的方案1和方案2的保温性能整体要略差于五层结构的方案3和方案4，但是相对于方案0和方案3来说温度的差距不是很大，最大温差在50℃以内，这说明将保温砖替换成纳米板，并且增大了永久层浇注料厚度的方案1和方案2，虽然实际施工时的施工难度上要小于五层结构的方案3和方案4，但保温性能上还是要略逊色于五层结构的方案3和方案4。通过对比方案1和方案2，我们也可以发现采用更薄的纳米板可以有效提升中间包的保温性能。

4 结论

(1）由35 mm工作层涂料、130 mm永久层涂料、30 mm保温砖、5 mm纳米板和35 mm钢壳所组成的方案四在5种方案中保温性能最好，并且发现采用更薄的5 mm纳米板可以更好的降低钢液在中间包中所造成的热损失。

(2）采用四层结构方案的中间包在保温性能上要略差于五层结构的中间包，但考虑的现场施工的情况，方案2要比方案4更适合作为最佳方案。同为四层结构中间包的方案1和方案2对比发现，通过采用更薄的纳米板，增大永久层的厚度可以提高中间包的保温性能。

(3）在进行数值模拟时，网格的大小对数值模拟有很重要的影响：网格尺寸大于10 mm将对整个数值模拟的结果产生极大的误差，模拟结果将不具有可信性。