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随着炉外精炼技术的发展，钢水的纯净度得到了很大的提升。为了维持精炼结束后钢水的高洁净度，防止钢液在后续连铸过程受到空气、钢包渣、覆盖剂、耐火材料的二次污染，需要对连铸过程钢水进行保护浇铸。
本研究针对某钢厂大方坯连铸轴承钢等超低氧钢必须严格控制钢水浇铸过程的二次氧化问题，采用水力学模拟和数值模拟相结合的研究方法，对钢包到中间包环节保护浇铸相关工艺参数进行了优化研究。1）为了防止浇铸末期钢包钢水旋流吸气、钢包下渣进入中间包影响钢水洁净度，以及降低浇铸钢包残钢量，开展了钢包浇铸末期旋流控制研究；2）为了防止钢水在中间包冲击区与覆盖剂、或空气接触剧烈反应，引起钢液二次污染，针对四流长间距中间包，进行了湍流控制器形状结构与中间包冲击区液面湍动能、流场、温度场以及流动模式关系的研究；3）为了防止钢包长水口吹氩导致中间包冲击区“裸露冒亮”的二次氧化问题，开展了钢包钢流长水口保护浇铸吹氩达到保护效果的临界氩气流量、大包长水口合理插入深度研究；4）对研究结果进行工业性应用优化、验证。
钢包浇铸末期旋流控制物理模拟实验研究结果表明，在采用吹氩控制模式时，由于氩气流形成的紊流对旋涡环流的干扰，随着吹Ar流量的升高，旋涡高度下降，临界渣层吹穿高度升高，且采用单孔吹Ar降低旋涡高度的效果略差于双孔吹Ar降低旋涡高度的效果，双孔吹氩比单孔吹氩的临界高度平均低11%，贯通高度平均低9%；为了既达到最大降低旋涡高度的效果又能防止吹穿钢包渣的目的，存在一最佳吹氩流量，单孔吹Ar推荐流量为18.0L/min（原型值），对应的起旋高度为127.8mm，残钢量为4.9t，较不吹Ar时下降了36.7%；双孔吹Ar推荐单孔流量为17.4L/min（原型值），对应的起旋高度为120.9mm，残钢量为4.6t，较不吹Ar时下降了40.1%；在采用挡渣球（锥）控制模式时，挡渣装置若能成功落入水口位置，由于挡渣球（锥）改变了原有水口的结构形状，扰乱了流场，浇铸末期不会形成贯通旋涡，从而达到消除旋涡的目的，同时也提高了金属收得率；此外，挡渣球的直径以及沟槽深度对旋涡控制的影响甚微，但挡渣球直径越小、加入数量越多，其命中率（挡渣球堵住水口的几率）越高，当加入挡渣球数量大于等于9个时，命中率就可达到100%，改进后的挡渣锥定位投入装置也可确保挡渣锥100%命中，达到控制旋涡的效果，防止了钢液被二次氧化。
中间包湍流控制器数理模拟实验研究结果表明，八边形湍流控制器其湍动能耗散率适中，为7.44×10-2m2/s3，平衡了束流效果与长流间距中间包远流钢液更新间的矛盾关系，未出现由中间包冲击区液面波动过大造成钢液“冒亮裸露”以及吸氧等问题，且其受到钢包注流的冲刷较弱，中间包内夹杂物上浮率较高（数模为96.1%，水模为94.1%），显著提高了钢液洁净度，且物理模拟及数值模拟两种模拟方式的结果吻合度高，相互验证了彼此模拟结果的准确性；此外不同内腔结构的湍流控制器对中间包浇铸末期起旋高度几乎无影响，中间包起旋停浇高度仍呈现随拉速增加而增大的趋势，断面为320mm×480mm，拉速为0.4987m/min，建议最低原型操作液位为201mm。
长水口吹氩保护浇注物理模拟实验研究结果表明，随着吹氩流量的增加，长水口内压力可由负压转变为正压，其长水口内氧气体积百分浓度稳定值趋于减小，中间包冲击区裸露面积增加；当长水口吹氩流量为45L/min时，长水口内压力为30mm水柱，长水口内的氧气浓度＜0.5%，能将钢水增氧、增氮量控制在＜1PPm的水平，且中间包冲击区未裸露冒亮，该值被确定为所研究长水口达到该保护水平的临界吹氩流量；在略大于长水口临界吹氩流量的条件下（50L/min），随着长水口插入深度增加，间接表征中间包冲击区渣面裸露面积的液面波动值先减弱后增强，存在一最佳长水口插入深度，设计条件下为260mm。在260mm最佳长水口插入深度条件下，中间包冲击区液面较平稳，中间包覆盖剂覆盖情况良好，未发生裸露吸氧、卷渣现象。
生产现场验证实验对四流轴承钢5组54炉，轧制成材并检测57个批次，342个检测试样的夹杂物，统计得出：Ds夹杂物全部在1.0级以下，B类粗系夹杂物均为0级，C类夹杂物均为0级，没有发现因卷渣造成的大型非金属氧化物夹杂；水口碗结瘤物主要物质是Al2SiO3，次要物质是Al2O3，表明目前使用的中间包耐材成分中SiO2偏高仍是钢水被二次氧化的问题，建议生产轴承钢等优质钢种时应严格控制耐材中SiO2的含量；在中间包浇次中期，连续20炉次测1#流和2#流流口温度，全部达到中间包内流口温度差≤5℃（20炉）的目标要求。
本研究针对某钢厂大方坯连铸轴承钢等超低氧钢必须严格控制钢水浇铸过程的二次氧化问题，采用水力学模拟和数值模拟相结合的研究方法，对钢包到中间包环节保护浇铸相关工艺参数进行了优化研究。1）为了防止浇铸末期钢包钢水旋流吸气、钢包下渣进入中间包影响钢水洁净度，以及降低浇铸钢包残钢量，开展了钢包浇铸末期旋流控制研究；2）为了防止钢水在中间包冲击区与覆盖剂、或空气接触剧烈反应，引起钢液二次污染，针对四流长间距中间包，进行了湍流控制器形状结构与中间包冲击区液面湍动能、流场、温度场以及流动模式关系的研究；3）为了防止钢包长水口吹氩导致中间包冲击区“裸露冒亮”的二次氧化问题，开展了钢包钢流长水口保护浇铸吹氩达到保护效果的临界氩气流量、大包长水口合理插入深度研究；4）对研究结果进行工业性应用优化、验证。
钢包浇铸末期旋流控制物理模拟实验研究结果表明，在采用吹氩控制模式时，由于氩气流形成的紊流对旋涡环流的干扰，随着吹Ar流量的升高，旋涡高度下降，临界渣层吹穿高度升高，且采用单孔吹Ar降低旋涡高度的效果略差于双孔吹Ar降低旋涡高度的效果，双孔吹氩比单孔吹氩的临界高度平均低11%，贯通高度平均低9%；为了既达到最大降低旋涡高度的效果又能防止吹穿钢包渣的目的，存在一最佳吹氩流量，单孔吹Ar推荐流量为18.0L/min（原型值），对应的起旋高度为127.8mm，残钢量为4.9t，较不吹Ar时下降了36.7%；双孔吹Ar推荐单孔流量为17.4L/min（原型值），对应的起旋高度为120.9mm，残钢量为4.6t，较不吹Ar时下降了40.1%；在采用挡渣球（锥）控制模式时，挡渣装置若能成功落入水口位置，由于挡渣球（锥）改变了原有水口的结构形状，扰乱了流场，浇铸末期不会形成贯通旋涡，从而达到消除旋涡的目的，同时也提高了金属收得率；此外，挡渣球的直径以及沟槽深度对旋涡控制的影响甚微，但挡渣球直径越小、加入数量越多，其命中率（挡渣球堵住水口的几率）越高，当加入挡渣球数量大于等于9个时，命中率就可达到100%，改进后的挡渣锥定位投入装置也可确保挡渣锥100%命中，达到控制旋涡的效果，防止了钢液被二次氧化。
中间包湍流控制器数理模拟实验研究结果表明，八边形湍流控制器其湍动能耗散率适中，为7.44×10-2m2/s3，平衡了束流效果与长流间距中间包远流钢液更新间的矛盾关系，未出现由中间包冲击区液面波动过大造成钢液“冒亮裸露”以及吸氧等问题，且其受到钢包注流的冲刷较弱，中间包内夹杂物上浮率较高（数模为96.1%，水模为94.1%），显著提高了钢液洁净度，且物理模拟及数值模拟两种模拟方式的结果吻合度高，相互验证了彼此模拟结果的准确性；此外不同内腔结构的湍流控制器对中间包浇铸末期起旋高度几乎无影响，中间包起旋停浇高度仍呈现随拉速增加而增大的趋势，断面为320mm×480mm，拉速为0.4987m/min，建议最低原型操作液位为201mm。
长水口吹氩保护浇注物理模拟实验研究结果表明，随着吹氩流量的增加，长水口内压力可由负压转变为正压，其长水口内氧气体积百分浓度稳定值趋于减小，中间包冲击区裸露面积增加；当长水口吹氩流量为45L/min时，长水口内压力为30mm水柱，长水口内的氧气浓度＜0.5%，能将钢水增氧、增氮量控制在＜1PPm的水平，且中间包冲击区未裸露冒亮，该值被确定为所研究长水口达到该保护水平的临界吹氩流量；在略大于长水口临界吹氩流量的条件下（50L/min），随着长水口插入深度增加，间接表征中间包冲击区渣面裸露面积的液面波动值先减弱后增强，存在一最佳长水口插入深度，设计条件下为260mm。在260mm最佳长水口插入深度条件下，中间包冲击区液面较平稳，中间包覆盖剂覆盖情况良好，未发生裸露吸氧、卷渣现象。
生产现场验证实验对四流轴承钢5组54炉，轧制成材并检测57个批次，342个检测试样的夹杂物，统计得出：Ds夹杂物全部在1.0级以下，B类粗系夹杂物均为0级，C类夹杂物均为0级，没有发现因卷渣造成的大型非金属氧化物夹杂；水口碗结瘤物主要物质是Al2SiO3，次要物质是Al2O3，表明目前使用的中间包耐材成分中SiO2偏高仍是钢水被二次氧化的问题，建议生产轴承钢等优质钢种时应严格控制耐材中SiO2的含量；在中间包浇次中期，连续20炉次测1#流和2#流流口温度，全部达到中间包内流口温度差≤5℃（20炉）的目标要求。