通过水模型优化中间包的流场Word文档格式.docx

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中间包；

流场；

湍流控制剂；

堰；

坝；

水模拟试验

符号列表

Cpeak------无量纲峰值浓度；

Fr------弗劳德数；

g------重力加速度（m/s2）；

L------特征尺寸，m；

Q------体积流量比；

Re------雷诺数；

Rp/d------活塞流体积分数与死区体积分数之比，Rp/d=VP/Vd；

Rpm/d------有效容积与死区体积分数之比，Rpm/d=VPm/Vd；

ta------平均停留时间；

ta=ΣtC（t）/ΣC（t），s；

tbs------两次理论停留时间，s；

te------浓度衰减90%所需的时间，s；

tmax------获得最大浓度的时间，s；

tmin------滞止时间，s；

tpeak------峰值时间，s；

ts------理论停留时间，ts=V/Q，s；

U------流速，（m.s-1）；

V------中间包体积，m3；

Vd------死区体积分数，Vd=1-θav；

Vm------全混流体积分数，Vm=1-Vp-Vd；

Vp------活塞流体积分数，Vp=（θmin+θpeak）/2；

Vpm------非死区体积分数，Vpm=Vp+Vm；

λ------模型比参数；

τ------浓稠度衰减率，τ=（te-tpeak）/（tpeak-tmin）；

θav------非死区体积分数，θav=ta/ts；

θpeak------tpeak与ts之比；

θmin------tmin与ts之比；

下标

P------原型参数；

M------模型参数；

中间包流场对夹杂物上浮，钢水温度和成分的均匀化很大影响。

国内外许多冶金领域[1-4]都已经建立了大量的中间包流场模型，用于中间包冶金功能的增强。

包括中间包湍流控制技术的发展，和湍流控制器对中间包的作用[5]。

但目前，对高质量的钢是否有影响，目前还没有明确的结论。

此外，在欧洲，一些研究人员认为，堰和坝是不必要的。

在研究中，通过对湍流控制器和堰（坝）功能的进一步研究，给出了中间包内控流装置的合理组合方案。

1实验原理

1.1相似性原理

在水模实验中，要求模型和原型之间满足动力学相似和几何相似。

对于动力学相似，要求模型与原型的Re数和Fr数应该分别相等。

由于中间包内钢水的流动是紊流流动，Re数一定能满足要求。

因此，要确保模型中的Fr数等于原型的Fr数，即，

Frp=Up2/g.Lp=Um2/g.Lm=Frm

（1）

该模型与原型的几何相似比为1：

2.5，这就是模型比参数。

λ=Lm/Lp=1/2.5

（2）

然后，模型与原型的体积流量比为：

Qm=λ5/2Qp（3）

因为λ是已知的，所以实验中水的体积流量可以从实际铸造速度中得到。

根据相似理论，原型中间包和模型中间包的几何参数如表1所示，并在表2中给出了原型中间包和模型中间包的物理参数。

在这项研究中，实际浇注速度为1.2m/min（即模拟流量为1.3m3/h）

表1原型和模型中间包中的几何参数

表2原型和模型中间包物理参数

1.2停留时间分布（RTD）曲线的实验理论

除了理想的活塞流和全混流，当流体流经容器时，还存在短路流和死区[6-8]，而且它们都会对流体的质量传输和热量传输产生不利的影响。

没有短路流和死区的曲线是一种理想的RTD曲线。

同时，可以得到最低浓度和浓度衰减时间与稠化时间的最小比率。

理想中间包控流结构的特点包括tmin和ta的适当延长，Vp、Rp/d、Vpm和Rpm/d的增加，Cpeak和τ的适当降低。

2实验设备与方案

2.1实验方案的设计

四种结构的中间包被设计出来，它们是不设任何控流装置的中间包，只安装一个湍流控制器的中间包，只设置挡渣坝的中间包，同时拥有湍流控制器和堰（坝）的中间包。

通过对一些湍流控制器的使用效果进行比较，三种具有相同尺寸的湍流控制器被进行了研究。

它们分别是，一个上大下小的锥形湍流控制器，一个上小下大的锥形湍流控制器，和一个具有内螺旋槽的湍流控制器。

有内螺旋槽的湍流控制器如图1所示。

此外，一个具有200毫米的高度，240毫米的外径，5毫米的壁厚，在墙的下部有一个直径为20毫米的孔的圆柱状的湍流控制器也被进行了研究。

图1内螺旋槽湍流抑制器的示意图

根据实践经验，将喷嘴浸入深度设置为200毫米，中间包内堰（坝）的高度设置为230毫米。

此外，顶部的堰是在液体水平之上的，坝则是固定在中间包的底部。

中间包的结构与组合模式如图2和表3所示，并在表4给出了实验方案。

图2中间包结构的俯视图

表3不同堰坝组合的实验条件

表4中间包实验方案

2.2实验方法

（1）流场和RTD曲线

在光源的照射下，用摄像机记录在实验过程中不同的流场，而瞬时的流场则用数码相机进行拍摄。

初步实验条件稳定后，将一定量的饱和NaCl溶液迅速倒入注入口，同时打开电导率记录仪来记录喷嘴电导率的变化曲线。

研究曲线的浓度是微量介质的无量纲浓度。

（2）夹杂物的分离

直径为1毫米的聚苯乙烯颗粒被做为夹杂物。

当条件达到实验要求，一旦30毫升的水和500单位的聚苯乙烯颗粒的混合物加入到注入口，就要立即记录时间。

基于中间包RTD实验和经验，熔化的钢将在10分钟内完全均匀。

因此，实验时间是10分钟。

10分钟后，将捕获的聚苯乙烯颗粒在过滤器中计数（过滤器位于下淹没喷嘴）。

所捕获的聚苯乙烯颗粒的数量就是进入模具的夹杂物的数量。

夹杂物数量越多，模具内钢液的净化程度就越低。

夹杂物比例是指加入的聚苯乙烯颗粒中被捕获颗粒与颗粒总数之比。

3实验结果与讨论

3.1无控流装置的中间包

无控流装置中间包的流场分布和RTD曲线如图3所示。

图31号实验方案的流场（a）和RTD曲线（b）

如图3（a）所示，中间包内无控流装置时，钢包长水口被扰动，并处在波动中。

液面扰动强烈。

图3（b）表明tmin和te分别是12s和340s，tpeak和Cpeak平均分别是50s和62。

结果表明，中间包内的短路流和死区导致其均匀温度和成分的作用，以及促进夹杂物上浮的作用在一段有限的时间内消失。

3.2中间包湍流抑制器

图4和图5显示，设置湍流控制器可以改善注入区的流场。

但是，高圆柱湍流控制器增强了流体表面扰动的趋势。

图43号实验方案的流场

图52至6号实验方案的RTD曲线

图5表明，湍流控制器使tmin的最大有效值为22s，Cpeak的最大有效值为93.5，而其它方案的有效Cpeak都在70以上，并且都在短时间内衰减降低。

在6号条件下，tpeak和te更有意义的值分别是106s和730s，但它们在其它实验中却要低得多。

其结果是，使用湍流控制器可使中间包内产生短路流和较大的死区，使中间包在均匀温度、成分和分离夹杂物上失去了冶金特性，但是有内螺旋槽的湍流控制器可以用于注入区域的流场控制。

3.3中间包与堰坝

如图6（a），当堰坝是单独使用，钢锭的流场区域是规则而稳定的，而注入区的干扰变得不那么强烈。

图6（b）显示tmin，tpeak和te分别是56s，100s和680s，这比其它大多数安排的时间都长；

Cpeak是46，这个相对较小。

因此，短路流和死区体积较小。

这样的中间包对钢水成分和温度的均匀化具有更好的效果；

更重要的是，较长的浓度衰减时间对夹杂物上浮有很大的帮助。

图67号实验方案的流场（a）和RTD曲线（b）

3.4湍流控制器与堰（坝）的组合

为了减少中间包注入区的干扰和限制注入区域的流场范围，这时需要湍流控制器和堰（坝）一起使用。

图7显示，该方法能够有效地控制流场和减小流体表面的扰动。

注入区的扰动范围很小，铸锭区域流体表面是稳定的。

研究结果中，11号的条件是：

堰与坝之间水平距离增大，流速减小，夹杂物易浮，流动稳定，流体表面是不开放的空气。

图7和图8表明tmin，tpeak和te分别是16s，42s和543s，这些值大大不同于湍流控制器和堰（坝）一起使用的时候。

Cpeak是46，这是组合中的平均水平。

因此，湍流控制器和堰（坝）一起使用具有更好的效果：

图711号实验方案的流场

图88至13号实验方案的RTD曲线

方案11，tmin，tpeak和te分别是66s，120s和714s；

Cpeak是56，与其他实验相似。

此外，在中间包内没有短路流，同时死区体积更小。

将这些RTD曲线进行比较，该组合中的最大浓度小于60，衰减更慢，与仅仅使用湍流控制器相比，tmin，tmax和tpeak增加了一倍。

因此，在夹杂物上浮过程中，组合也发挥了积极的作用。

3.5RTD曲线和夹杂物分离的分析

RTD曲线数据和上述实验中夹杂物分离的数据列于表5。

各种结构的RTD曲线和中间包夹杂物分离的数据如表6所示。

表5实验结果

表6各种结构的RTD曲线和中间包夹杂物分离的实验结果

表5和表6的结果表明：

（1）无控流装置，参数τ，Rp/d，和Rpm/d的最小值分别是7.63，0.08和0.27；

其中夹杂物比率为6%，是这些结果中最大的。

因此，不设任何控流装置的中间包不是一个适当的结构。

（2）当湍流控制单独使用，参数τ，Rp/d，和Rpm/d分别是7.63，0.15和0.37，夹杂物比率为5.3，与无控流装置相比，Rp/d、Rpm/d增加。

结果表明，湍流控制器可以改善流场，但由于增加不大，改善不理想。

（3）单独使用坝时，参数τ，Rp/d和Rpm/d分别是13.2，0.42和0.84，夹杂物比率为1.3%。

与单独使用湍流控制器比较，效果是提高了233%，300%，227%和408%，并且Rp/d和Rpm/d是完美的。

因此，使用堰和坝可以改善中间包内的流场。

（4）当湍流控制器和堰、坝一起使用时，参数τ，Rp/d和Rpm/d分别是8.40，0.40和0.66，夹杂物比率为2.5%。

与只使用湍流控制器相比效果提高了367%，286%，178%和461%。

与只使用堰和坝相比，τ有效，Rp/d减小，夹杂物的比例增加。

因此，在中间包内同时使用湍流控制器和堰、坝将对流场产生整体的良好影响。

（5）当堰与坝之间的间距增加时，采用湍流控制器，其夹杂物比率最小，其它参数，如tpeak和Cpeak，状态良好。

此外，流体表面稳定，水的流动速度降低，夹杂物的上浮时间延长，利于钢水的净化。

因此，它是最佳的中间包结构。

4结论

（1）不设任何控流装置的中间包或只使用湍流控制器的中间包，流场不理想。

（2）有内螺旋槽的湍流控制器能够改善注入区的流场，而坝单独使用不能改善整个流场。

因此，有内螺旋槽的湍流控制器和堰（坝）应一起使用。

（3）流动控制对夹杂物分离有很大的影响，而不设任何控流装置的中间包和湍流控制器的组合将对夹杂物的分离产生不好的影响。

与使用不设控流装置的中间包和使用不设控流装