真空感应炉中间包位于熔炼室和浇注室之间,在浇注过程中首先起到的是导流、稳流的作用。同时,中间包内部还可以设计、安装相应的控流装置,在浇注过程中,控流装置可以改变和控制中间包内高温合金金属液的流动,能有效延长金属液在中间包内的平均滞留时间,对进一步提高金属液纯净度方面发挥着重要的作用。真空感应炉中间包的内部结构、操作制度以及相关工艺参数决定着浇注过程中中间包内金属液的流动特性。实际生产中,真空感应炉中间包内金属液的流动过程较为复杂,在实验室的研究条件下,主要的研究方法有物理模拟和数学模拟。本文针对国内某特钢厂22号10吨高温合金真空感应炉中间包浇注工艺特点,结合现场操作制度及工艺参数,对浇注过程开展物理和数值模拟研究。分析了稳态浇注过程中合适的液位高度及合理的内部结构设计,并对浇注过程的开浇和终浇阶段进行非稳态物理模拟,研究了不同的开浇制度,不同的挡渣坝参数对非稳态浇注过程的影响。其中,物理模拟是基于相似准则建立1:2的中间包模型,数值模拟使用商业软件FLUENT进行数值求解。获得的主要结果如下:(1)对中间包原型结构的四个不同液位的稳态流场进行物理和数值模拟研究,物理模拟与数值模拟的对比结果吻合性较好,各自体现的趋势基本一致。结果表明,中间包按高液位控制时,即模型中间包液位控制在80～90 mm之间,原型中间包液位控制在160～180 mm之间,其实际平均停留时间均比低液位控制的实际平均停留时间要长,活塞流区体积分数与死区体积分数的比值更大,浇注过程中其内部流场明显更有利于金属液内夹杂物的上浮。确定了中间包稳态浇注时内部流场较不活跃的区域主要为控流装置的下游区域。为方便实验时流量的设定和读取,水模实验选取85 mm作为所有中间包控流装置方案优化研究所用的液位进行控制。(2)通过正交优化实验,对中间包挡渣墙和挡渣坝的布置进行针对性的调整、优化后,中间包内金属液的流动特性有所改善:中间包内流体的实际平均停留时间相比原型提高了 9.2%;活塞流区与死区体积分率的比值由原来的2.877提高到3.223;不活跃区域的流体流动速度明显高于原型中间包同区域,即经内部结构优化后,原来较不活跃的区域内流体的流动状况变得更为活跃。(3)对中间包浇注过程的非稳态阶段进行物理模拟研究,确定了较为合理的开浇方案:先采用正常浇注流量充包,待液位涨到中间包1/2高度后再将流量增加到正常浇注流量的1.5倍,直到充至正常操作液位为止。该开浇方案的过渡时间和铸锭过渡长度较短,开浇漩涡强度也较小。(4)为了减少中间包浇注金属液的残余量,针对挡渣坝设计了不同的开孔方案。结果表明:在中间包模型挡渣坝底部中心线左侧设计一个尺寸为14 mm×14 mm方孔的方案效果更好。该方案的开浇卷渣量小,终浇阶段的漩涡临界高度低,即在减少金属液终浇残余量的同时,也能较好地保证非稳态浇注阶段铸锭的质量。综上所述,本文通过对真空感应炉中间包稳态流场的物理和数学模拟,对稳态浇注过程的液位控制范围及中间包内部结构进行调整和优化后,其流动特性相比原型有了较好的效果。通过对真空感应炉中间包非稳态浇注的物理模拟研究,确定了较为合理的开浇方案和挡渣坝参数,保证非稳态浇注阶段铸锭的质量,为实际生产提供了理论依据。