（有色金属冶金专业论文）异钢种连浇过程的水模型实验研究.pdf

指导教师：掣婶蝼謦蟹 单位：9 蒙t + i 科技人学 论文提交日期：2 010 年6 月3 0 - | 学位授予单位：内蒙古科技大学 - ， c a n d i d a t e ：s u nz e n g x i a o s u p e r v i s o r ： z h a oz e n g w u s c h o o lo fm a t e r i a la n dm e t a l l u r g y i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 独性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：型：边垫 日期：乏型垒：么丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 一一 、 、易纠劲，3 ：vf 2 l j 内蒙古科技人学硕十学何论文 摘要 随着生产对连铸工艺灵活性和效率性的要求进一步提高，包钢薄板厂开始在 宽厚板连铸机上多炉连浇不同钢种的连铸坯，以减少生产多钢种车问的设备辅助 作业时问，提高纯浇钢的作业率，实践证明这一技术能显著地提高金属收得率、 生产效率，降低生产成本。 本研究以相似原理为基础，保证什准数相等，同时确保尺p 准数始终处于第 二自模化区，以l ：3 的几何相似比建立包钢宽厚板连铸机中问包与结晶器的实验 模型。对连浇过程中的混钢过程进行研究，并对中i 日j 包内部控流装置进行优化。 通过水模型实验研究堰、坝及湍流抑制器对中间包内部流场的影响，得到最 优的控流方案为堰深坝高：1 0 0 1 0 5 m m ，坝堰间距：2 0 0 m m ，堰与长水口间距： 2 4 0 m m 。与无任何控流装置相比，在此方案下，中间包内钢水平均停留时间提高 1 4 ，峰值时间增大4 7 ，死区体积比例下降了3 0 ，活塞流体积比例增加了 5 8 ，混合区体积比增加1 7 。 对非稳态条件下连浇过程混钢行为进行实验室模拟研究，根据无量纲浓度曲 线和前后两炉钢水的成分含量可以精确计算交接部铸坯的起始位置和长度。以余 钢量，拉速和稳定液面高度为主要因素进行正交实验。结果表明：余钢量对交接 部铸坯长度的影响要大于拉速对交接部铸坯长度的影响。在实验条件下，余钢量 为8 5 t ，拉速为7 8 m m i n 时交接部铸坯最短为3 0 3 m 。 连浇过程混钢行为的模拟研究，从理论上为判定交接部铸坯起始位置和长度 提供了依据，对实际生产具有一定的指导意义。 关键词：连铸；异钢种连浇；中间包；结晶器；水模型 j 内麓l j - _ f ： 故人二6 贝l ：f t 沦之 ，_-_。_。-。-_。_-_-_-_-_，。“_。_-h一一一。一 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h e rd e m a n dt ot h ef l e x i b i l i t ya n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c 3 7o ft h e c o n t i n u o u sc a s t i n g b a o g a n gs t e e lb e g i nt op r o d u c et h ec o n t i n u o u s l yc a s t e rs l a bo f d i f f e r e n tg r a d eo nt h ew i d ep l a t ec a s t e r i no r d e rt or e d u c et h ew o r k i n gt i m e so ft h e a u x i l i a r yp r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n di m p r o v et h ew o r kr a t eo l t h ep u r ec a s t i n gs t e e l a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t 3 t h e o r y a1 ：3 s c a l ew a t e rm o d e li n c l u d es t e e ll a d l e t u n d i s ha n dm o u l di se s t a b l i s h e d e x p e r i m e n t s 、 e r ec o n d u c t e du n d e rt h ec o n d i t i o nt h a t f ri se q u a la n dr ei sa l w a y si nt h es e c o n da r e a i h i sp a p e rs t u d i e st h es t e e lg r a d e t r a n s i t i o ni nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s a n dt h ei n t e r n a lt l o wc o n t r o ld e v i c eo ft h e t u n d i s hi so p t i m i z e d b yo p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo ft h et u n d i s h i ti sf i n d e dt h eo p t i m u mc o n d i t i o ni s t h ed e p t ho fw e i ri s10 0 m m t h eh e i g h to fd a mi s10 5 m m t h ed i t a n c eb e t w e e nw e i ra n d d a mi s2 0 0 m ma n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nd a ma n dl o n gn o z z l ei s19 5 m m c o m p a r e d w i t hn oi n h i b i t o r sd e v i c e t h ea v e r a g er e s i d e n tt i m ei n c r e a s e d14 t h ep e a kt i m e i n c r e a s e d4 7 t h ev o l u m ei r a c t i o no l d e a dz o n ed e c r e a s e d3 0 t h ev o l u m ef r a c t i o no f p i s t o nz o n ei n c r e a s e d5 8 t h e 、7 0 l u m cf r a c t i o no fm i xz o n ei n c r e a s e d1 7 t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h em i x e d s t e e lb e h a 、，i o ro nt h eu n s t e a d 3 c o n d i t i o nc a s t i n g ， a n dt h r o u gt h ew a t e rm o d e le x p e r i m e n t t h ep r c c i s es t a r t i n gp o i n ta n dl e n g t ho ft h e i n t e r m i x i n gs l a bc a nb cc a l c u l a t e d j s i n gt h co r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n a l 3 s i sw i t ht h e w e i g h to fr e s i d u a lm o l t e ns t e e li nt u n d i s h d r a w i n gs p e e da n dl i q u i ds u r f a c eh e i g h t t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n ss h o w ：t h eu e i g h t o fr e s i d u a lm o l t e ns t e e li nt u n d i s hh a s s i g n i f i c a n te f f e c to nt h el e n g t ho fi n t e r m i x i n gs l a bt h a nd r a w i n gs p e e d i ne x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s w h e nt h ew e i g h to t r e s i d u a lm o l t e ns t e e li nt u n d i s hi s8 5t d r a w 。i n gs p e e di s 7 8r n m i n t h el e n g t ho ft h ei n t e r m i x i n gs l a bi s o n n w a t e rm o d e le x p e l 。i n t e n to fs t e e lg r a d et r a n s i t i o ni nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s w h i c hp r m i d e sb a s i sl b rt h el e n g t ho l t h ei n t e r m i x i n gs l a bi nt h e o t ，, v 7 t h er e s e a r c hh a s c e r t a i nd i r e c t i v es i g n i f i c a n c et ot h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；s t e e lg r a d et r a n s i t i o n ；t u n d i s h ；m o u l d ； w a t e rm o d e l ， ， 内蒙古科技人学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 文献综述l 1 1 连铸技术1 1 2 中问包冶金2 1 3 连铸过程钢液流动的研究4 1 3 1 物理模拟研究4 1 3 2 停留时间分布的测定6 1 3 3 数学模拟研究1 0 1 4 异钢种连铸技术1 l 1 4 1 异钢种连浇时的几种不同方法1 1 1 4 2 典型的换包并更换钢种的全连铸过程1 2 1 4 3 异钢种多炉连浇的研究现状1 4 1 5 本课题的意义及研究内容1 5 2 模型研究法与实验平台的建立1 7 2 1 模型研究法1 7 2 1 1 模型相似条件1 7 2 1 2 流体流动的稳定性与自模化。1 7 2 1 3 模型设计18 2 2 水模型实验平台的建立1 8 3 中间包内部结构优化2 l 3 1 实验装置及实验内容2l 3 1 1 实验装置及参数2 1 3 1 2 实验内容2 2 3 1 3r t d 曲线记录与分析2 2 3 2 实验方案设计2 4 3 3 实验结果及分析2 5 3 3 1 正交结果分析2 6 3 3 2 流场显示。2 8 3 4 换包液位的确定3 0 3 5 本章小结3 l 4 异钢种连浇过程中的水模实验研究。3 3 4 1 实验方法3 3 4 2 实验方案设计3 4 内蒙古科技人学硕十学位论文 4 3 实验结果及分析3 4 4 3 1 交接坯长度及位置的计算3 4 4 3 2 交接坯长度的影响因素3 8 4 4 本章小结3 9 结论4 1 参考文献4 2 在学研究成果4 5 致谢4 6 内蒙古科技人学硕十学位论文 1 文献综述 1 1 连铸技术 钢铁以其成本的竞争力和原料的高储备量、易开采、易加工及良好的再生利用 性，成为全球性的主要基础原材料，并在世界各国的经济发展中发挥着举足轻重的 作用。自2 0 世纪以来，随着钢铁工业的蓬勃发展，钢铁成为全世界经济和社会文明 进步的重要物质基础。在未来相当长的时间内，钢铁仍是世界上非常重要的材料， 而且从经济、社会和可持续发展的角度以及材料的综合性能上来讲，钢铁所具有的 优越性也是其它材料所无可替代的【。 随经济、社会的发展以及科学技术的进步，在钢铁工业方面，其相关理论、技 术工艺还有生产规模也都有了长足进步。尤其是钢铁生产工艺流程中各工序的技术 形式以及工程的组成内涵发生了巨大的变化，从而使钢厂结构模式及制造流程发生 了深刻变化，特别是连铸技术的迅猛发展，全连铸制造流程的兴起1 2 j 。 连续铸钢是一种将钢液直接浇注成钢坯的工艺，将高温钢液连续地、不断地浇 注到一个或一组进行强制冷却的带有“活底”的铜模内，待钢液凝固并形成一定厚 度的坯壳后，从铜模的另一端拉出。这样就可以从铜模内连续不断地拉出铸坯【3 j 。 同传统的模铸相比，连铸具有提高金属收得率和降低能耗的优越性。全连铸的实现 不仅简化了炼钢生产工序，缩短了生产流程，并且可以显著的提高生产效率。 h b e s s e m e r ，转炉的发明者在1 8 4 6 年提出了连续浇铸的概念，当时他采用一种 水冷旋转的双辊式连铸机进行锡箔、铅板和玻璃板的生产。连铸的先驱者德国人 j u n g h a n s 在1 9 3 3 年建成了第一台1 7 0 0 吨月立式振动结晶器的连铸机，首先浇铸铜 铝合金并获得成功，使连铸用于有色金属生产。1 0 年后，j u n g h a n s 又在德国建成第 一台浇铸钢水的实验性连铸机，并提出了振动的水冷结晶器、浸入式水口以及结晶 器上部加保护渣等技术观点，为现代连铸技术的形成与发展奠定了基础。 新中国成立伊始，国内的众多老一辈冶金工作者们就开始了对连铸技术的研 究，使得我国成为了世界上较早研究和应用连铸技术的国家之一。连铸技术在2 0 世 纪6 0 年代初就进入到了工业化应用阶段。8 0 年代中后期，在“以连铸为中心，炼 钢为基础，设备为保证 的方针指导下，武汉第二炼钢厂应运而生，它是我国拥有 的第一个全连铸钢厂。我国连铸技术发展在最近三十年内取得了巨大的进步，让世 界为之瞩目。 从1 9 9 0 年起，我国钢产量增长的主要推动力就连铸坯的增产，可以认为，实现 中国钢铁生产的高效、连续、快速增长的主要原因就是连铸生产的快速增长。根据 内蒙古科技人学硕十学位论文 最新的国际钢协统计显示，在2 0 0 7 年，我国除西藏、宁夏、海南三地外，其他各省 ( 自治区、直辖市) 都有了连铸，并且连铸比超过了9 7 6 ，此时全世界平均连铸 比为8 9 ，就全世晃而言，我国的钢铁冶金工艺水平处于中上游【4 引。 我国连铸机保有量为世界第一，而且类型齐全，有立式、立弯、直弧及弧形到 水平连铸机连铸机，有几毫米的线材铸机，有宽度超过3 m 的宽厚板铸机；同时， 我国的连铸坯生产量也位居世界第一。但遗憾的是，目前我国还不是一个连铸技术 大国，仅仅只是一个连铸生产大国p j 。 随着客户对钢材质量要求的不断提高，连铸过程对钢水成分和温度的要求也更 加严格，同时引进的近终形连铸技术以及高效连铸技术的工业化都对中问包提出了更高 的要求。在改善铸坯质量、增加连铸比、多炉连浇的顺利进行、连铸品种的扩大、连铸 机作业率的提高等方面，中间包都起到很重要的作用，从而促进了中间包冶金技术的 发展和应用【胁1 3 】。因此广泛应用中间包冶金技术，通过物理模拟和数学模拟对中间包内 钢液的温度分布和流动特性进行深入研究，并优化中间包结构参数以获得良好的铸流特 性和流动模式等就显得尤为重要了。 1 2 中间包冶金 原料处理、炼钢炉、炉外精炼、连续铸钢构成了现代化炼钢生产的主要流程。 图1 1 是以铁水为主要原料的炼钢生产流程的示意图。 铁水呻铁 一连铸机呻酬机一黝 盛钢桶 图1 1 炼钢生产流程简图 加大力度发展连铸技术可以进一步提高炼钢厂工艺流程结构。因为，全连铸技 术简化了炼钢生产工艺，缩短了流程，显著提高了生产效率。 做为中间环节的中间包，在炼钢生产流程中是由间歇操作转向连续操作的衔接 点。在保证钢液品质和连铸顺利操作上，中间包的作用非常重要。 中间包通常被认为具有以下作用【1 4 】： ( 1 ) 连浇作用。在多炉连浇时，中i 日j 包内存储的钢液在换钢包时可以起到衔接 的作用。 内蒙古科技人学硕十学位论文 ( 2 ) 分流作用。对于两流或者多流连铸机，由多水口中间包可以对钢液进行分 流。 ( 3 ) 保护作用。通过中间包液面上的保护渣，长水口以及其他保护装置可以减 少中间包内的钢液受外界的二次氧化及污染。 ( 4 ) 减压作用。钢包内液面高度较高，冲击力较大，在浇注过程中变化幅度也 相当大。中间包液面高度比钢包低，变化幅度也相对小得多，因此可以用来稳定钢 液的浇注过程，并且减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。 现代冶会界有这样一种观点，认为精炼过程越久并延续到接近凝固阶段，对提 高铸坯质量越有利，因此作为连铸过程中间容器的中问包，已由原来的简单容器转 变为具有一定冶金功能的反应器，并且这种功能也变得越来越明显。所以现代冶金 观点认为，中间包具有以下的精炼功能： ( 1 ) 改善钢液的流动状态，增加钢液停留时间，减小死区，防止短路流，防止 卷渣，促进钢液中夹杂物的上浮。 ( 2 ) 清除污染钢液的再次来源，即防止二次氧化、减少钢包渣的卷入、减轻耐 火材料的侵蚀以及渣中不稳定氧化物的危害。 ( 3 ) 精确控制钢水过热度，必要时增加加热措施，以使钢水过热度保持稳定。 ( 4 ) 微调钢液中的成分。 就钢液净化而言，钢液在中间包内的流向非常重要。在中间包内加入控流装置 的主要目的就是改变钢液的流动状态，提高央杂物的去除率【1 5 j 。 堰和坝的安装可以有效改变中间包内钢液的流向，增长钢液在中问包内的停留 时间，使央杂物可以充分上浮。过滤器的使用可以有效去除央杂物，为避免堵塞失 效，需要将浇注量限定在一定数量内。湍流控制器的安装可以有效减小注流的湍动 能以及控制湍流范围，同时还可以减少丌浇时由于钢液喷溅而发生的吸氧吸氮作 用。而中间包吹氩技术，即气幕隔墙技术则能促使夹杂物有效上浮。 在中间包和钢包之间使用钢包长水口，在结晶器和中问包之间使用浸入式水 口，可以有效的防止二次氧化。 国内外在近2 0 年来丌展了关于中间包冶金的大量研究【1 8 2 4 1 ，研究成果中的很 大一部分已转化成为实际生产中的应用技术措施，如中问包结构的设计，二次氧化 的防止，流动控制技术，覆盖渣和耐火材料的控制，吹氩清洗，过滤，钢液加热， 重复应用热中间包等。中间包冶金技术的发展在近年来更为活跃，中间包的冶金功 能被进一步扩大。 从目前中间包冶金技术市场来看，控流装置的安装是对中间包进行优化的一个 行之有效的方法或手段。 内蒙古科技人学硕十学位论文 1 3 连铸过程钢液流动的研究 自然界及工程中的各种物理现象的规律性常常表现为描述该现象特征的物理量 之间存在着一定的联系，揭示这种联系的方法通常有直接实验法、理论分析法和模 型研究法。 连铸过程是处于高温下的一个复杂过程，由于测试手段的条件限制很难对其进 行直接研究。所以，寻求一种经济、快捷、方便的研究方法对冶金过程的工艺改造 和理论研究，具有非常重要的意义。模拟技术是中间包冶金的一种重要研究方法， 物理模拟和数学模拟是主要的两类模拟方法【2 5 2 7 1 。 1 3 1 物理模拟研究 物理模拟是在相似理论的指导下，建立与研究对象相似的研究模型，在实验室 对模型进行研究，再把所得结论推广到实际问题中去。 在研究连铸过程中钢液的流动时也应遵循相似理论，以模型与原形之间的几何 相似、物理相似、边界条件相似为基础，用模型来模拟实际钢液的冶金现象和流动 特征。 建立物理模型，要想保证模型和原型相似，必须满足几何相似、物理相似、定 解条件相似。 几何相似。所建立的模型是原型按一定比例缩小的模型，即模型与实际各部分 的比例应为同一常数。 物理相似。模型与实际过程中所进行的应为同一类过程，即两过程服从同一自 然规律，有形式相同的控制方程，并且在过程发展的任一时空点上同名相似准数必 须存在且有相同的数值。 定解条件相似。在过程丌始时两过程应有完全相似的状态，并且在边界处应始 终保持相似。 但在实际的模型设计中，要做到完全相似是非常因难的，所以在模型研究时一 般是将次要的因素忽略，仅保证主要因素作用下相似即可的近似模型法。所谓的近 似模型法就是在进行模拟研究时，分析在相似条件下哪些因素对过程是起决定作用 的，哪些是次要的，尽量对起决定作用的因素加以保证，对起次要因素可以忽略不 计。这样一方面使相似研究能够进行，另一方面又不致引起较大的误差。 连铸过程尤其是中间包内钢液的流动可以认为是钢包注流与钢液静压力所引起 的强制流动，流体流动时受到重力、惯性力、表面张力和粘性力的共同作用，包含 这些力的主要相似准数及其在中间包水模型的应用范围见表1 1 。 内蒙占科技人学硕十学位论文 表1 1中间包物理模拟有关相似准数 在连铸过程的模拟中，要保持模型与原型中所有准数相同是不可能的，因此在 进行钢液流动的物理模拟时，应根据不同的实际情况，以及研究的主要目的，选择 起主要作用的准数相等进行模拟。目前常用的连铸过程物理模拟有： ( 1 ) 同时考虑r e 和疗数相等； ( 2 ) 只考虑丹数相等，胎数处于同一自模化区； ( 3 ) 同时考虑乃数和w e 数相等； ( 4 ) 非等温流动的模拟。 利用水模拟研究中间包内流场的主要方法有： ( 1 ) 用测速仪、测压仪、波高仪等仪器对流场定性的进行测量； ( 2 ) 用示踪剂、染色剂作为媒体，采用摄影等方法对流场定性的进行测量。 利用激光学中的多普勒效应，即利用检测流体中跟随流体一起运动的微小颗粒 的散射光来测定速度，它要求容器和流体都具有一定的透明度，利用测压仪测量液 体内部静压力，利用波高仪测量液面波动情况，都可以直接或问接的测量出液面的 情况。 显示水模型中流动现象的常用方法有f 2 8 l ： ( 1 ) 着色法：将墨水、牛奶、高锰酸钾等有色液体引入水中来观察模型内水的 流动状态。 ( 2 ) 悬浮物法：用一些可见的固体微粒或油滴混在水中，通过它们的运动情况 来分析水流的流动情况。悬浮物有聚苯乙烯、铝粉、油滴、充满水的乒乓球等。推 荐使用铝粉，因铝粉粒度细，有很好的跟随性，反光性好，且需加入量少，不影响 水的透明度； 内蒙古科技人学硕十学位论文 ( 3 ) 气泡法：直接往流体中吹气或在水流中通电后，阴极产生氢气泡，观察气 泡的运动，便可了解水的运动。当流场显示出来以后，再使用高频照相机或高速摄 影仪对流场进行记录、分析。 1 3 2 停留时间分布的测定 连铸过程中，中间包内钢液流动状态的复杂化并形成非理想连续流动是由于钢 包注流的冲击，中间包本身的形状和内部结构以及水口处对钢液的抽吸所造成的。 各流体分子( 或流体微团) 进入中间包内，从流入到流出这段过程中，经历的实际 路径长短不一，它们的流速分布也各不相同，从而其在中间包内的停留时问也各有 长短。在中间包内各流体分子( 或流体微团) 停留时间的长短及分布，对中间包的 各种冶会功能具有非常重要的影响，所以中间包内流体停留时间分布的测定，中间 包冶金学的个重要手段，可以用来分析中间包内钢液的流动状态及对其冶金功能 的影响1 2 吼硼j 。 1 3 2 1 刺激一响应实验 停留时间分布的测量，通常采用“刺激一响应 实验。实验方法为：在中间包 注入流处输入一个刺激信号，信号通常采用示踪剂，然后测量在中问包出口处该输 入信号的输出，即所谓响应，通过响应曲线得到在中间包内的流体停留时间分布。 刺激一响应实验是一种黑箱研究方法，当不易或不能直接测量流体流动状态时，仍 可通过响应曲线分析其流动状况以及其对冶金反应的影响。 刺激一响应实验是否准确关键在于，流体在反应器内流动的真实状态是否能通 过响应信号反映出来，而且同时又不干扰其流动，所以应遵循以下原则进行刺激一 响应实验： ( 1 ) 刺激一响应过程必须是一个线性过程。刺激信号在数量上的变化所导致的 响应在相应量上的变化是成比例的，这种过程称之为线性过程，因此为保证刺激一 响应信号在线性范围必须对信号进行线性检验。 ( 2 ) 作为刺激信号的示踪荆对反应是“惰性”的，不会因反应导致示踪剂物质 的增加或减少，即示踪剂不能参与反应器内发生的任何化学反应。 ( 3 ) 脉冲式加入刺激信号，即按照瞬时加入的原则加入示踪剂，也就是输入的 信号原则上应为脉冲信号。由于实验技术的原因，不可能真正做到瞬时加入，但加 示踪剂的时间应尽量短，通常应不大于按流量计算的平均停留时间的5 。否则加入 信号的时间先后误差过大，输出的响应信号将不能反映反应器本身的真实地流动特 征。 内蒙古科技人学硕十学位论文 ( 4 ) 刺激与响应信号要便于测量。 1 3 2 2 停留时间布函数 以稳念流过反应器的反应物，总体上流量应在某一值上稳定不变，但反应流体 的各个分子( 或流体微团) 通过反应器的路径不同，路线长短不同，各个分子( 或 流体微团) 在反应器内的寿命也不相同。 在反应器内的寿命分布应服从统计规律。 1 2 所示。 e 由于反应器内反应物分子数目众多，它们 各个分子在反应器中停留的分布规律如图 图1 2 停留时间分布密度函数 t 大多数分子的停留时间是在中等范围内波动，寿命极长及极短的分子都是少 数，这种曲线被称为停留时间分布函数e 。其定义为：e d t 是进入反应器内的流体 中在系统内的寿命属于t 和t + 破之间的那部分分子。 一般采用出口流体在系统内的停留时问来表示删。当系统的流速恒定时，无 论入口还是出i ：l 所定义的e 御均完全一样。将通过反应器的流体的全部分子看作l ， 所以： c e d t ：i w 寿命低于t ，的流体所占的比率为： f e d t ( 式1 i ) ( 式1 2 ) e 御的方差： 仃2 = j c oo 一；) 2e ( f ) 击j c oe ( f ) t i t = f t 2 e o ) a t 一；2 删的均值： j = 受t e q ) d t f 毫e q ) d r = 要t e q ) d r ( 式1 4 ) ( 式1 5 ) ；称为平均停留时间。 v 是中间包内钢液的体积，q 是由拉速计算出的钢液流出的体积流率，通过它 们可以计算得到理论平均停留时间i , f 嚣i ： t 乎岛= y q ( 式1 6 ) 假设中间包内钢液流动时没有死区现象存在，则( 式1 5 ) 和( 式1 6 ) 所计算 得到的平均停留时间应当相同。换句说，钢液在中间包内的实际停留时间应等于通 过实验所测得的e 俐的数学期望。在实验中，中间包内死区的大小就是利用两者的 差别来进行计算的。 用实际平均停留时问；作为基准时间，除以停留时问t ，可得出无量纲停留时间 1 9 ： 9 = t 疋 d o = d t ； 否= , i = l ( 式1 7 ) ( 式1 8 ) ( 式1 9 ) 内蒙古科技人学硕十学位论文 则用无量纲时间表示的停留时间分布密度函数为： e ( o ) d o = e ( t ) d t 由于d t = t d o ，所以： e ( 秒) = i e ( t ) - 、 u 棘 的 图1 3 停留时间分布函数 t ( 式1 1 0 ) ( 式1 11 ) 中| 日j 包内钢液流动的特征可以通过测定的e 曲线形状和数值特征来进行推断。 图1 3 表示的是三种典型流动状态特征的e 曲线，其中a ，b 曲线分别表示两种特殊 流动情况。a 曲线为活塞流，示踪剂脉冲加入前后的流体没有发生混合，经过时间 t o 后全部示踪剂由水口流出，所以仍然保留脉冲特征。b 曲线为全混流，当示踪剂 脉冲加入后立刻与中间包内钢液发生混合，混合均匀并立即由水口流出，以后随着 钢液流出的示踪剂将逐渐减少，因此曰曲线呈现出一种衰减的曲线特征。但在实际 生产中钢液的流动是介于这两种特例之间的，也就是c 曲线。分布曲线b 和c 的函 数均值同样为f 。三种曲线的意义只是表示流动特征不同，而容器体积和流量是一样 的。 中间包内的流体的流动状态可以分为如下几种情况： ( 1 ) 混返流：钢液在进入中i 、h j 包后，立刻与其它钢液混合。央杂物上浮能力与 钢液运动的路线以及平均停留时间有关，并且受到惯性力或紊流粘滞力的影响，涡 流也会影响到央杂物的传输。 ( 2 ) 活塞流：又称为层状流，钢流到达中间包后，依次向前推进，并且伴有部 分混返，央杂物的运动受钢液粘滞力的影响，并遵循s t o k e s 定律。 ( 3 ) 短路流：从钢包注入到中州包内的钢流直接到达中间包出水口并注入到结 晶器。夹杂物没有上浮的机会，钢液也就没有净化的可能。 内蒙古科技人学硕十学位论文 ( 4 ) 死区：钢液运动的速度很低，与其它钢液交混慢。央杂物有可能不运动或 上浮，死区的存在使钢液的停留时间缩短，不利于央杂物的上浮，它相当于缩小了 中间包的有效容积。 1 3 3 数学模拟研究 在中间包内钢液的流动是一个复杂的湍流流动过程。1 8 7 7 年b o u s s i n e s q 引入了 紊流粘度的概念。采用时均化处理来描述湍流流动过程，同时解决了由于脉动引起 的动量变化即雷诺应力造成的方程不封闭问题。目前，紊流粘度系数的模型主要有 三种类型：单方程模型、双方程模型和零方程模型。描述钢液在中间包内流动的方 程有连续性方程、动量方程即纳维尔一斯托克斯( n a v i e r s t o k e s ) 方程，以及描述 湍流摩擦的k - e 双方程模型。假设中间包内的钢液的流动是稳态的并且密度p 为常 数，各方程表示如下【3 卜3 3 】： ( 1 ) 连续方程 塑：o 融 ( 2 ) 动量方程 以考= 一瓦o p + 毒( 吻瓦a u , + 百c o u j ) ) + 飓 式中：“称为湍流动量扩散系数。 p 嚼。p 七社t u t _ 。c ，等 ( 3 ) k s 双方程 k 方程： p u j 瓦o k = 旦o x jl 堕o k + o 孰k j ) + g p ( 式1 1 2 ) ( 式1 1 3 ) ( 式1 1 4 ) ( 式1 1 5 ) ( 式1 1 6 ) 内蒙古科技人学硕十学位论文 s 方程t 以考= 毒c 等+ 考，+ 坠学 ( 式1 1 7 ) ( 式1 1 8 ) 目前对于解决复杂偏微分方程最有效的手段是采用数值计算的方法：其主要包 括有限元法、有限差分法、有限容积法和有边界元法。 1 4 异钢种连铸技术 随着对连铸工艺效率要求的进一步提高和浇铸钢种的增加，越来越多的国内外 钢铁厂开始在同一连铸机上进行不同钢种的多炉连浇，实践证明这一技术能显著地 降低生产成本并有效的提高连铸机的作业率【3 4 j 。 1 4 1 异钢种连浇时的几种不同方法 ( 1 ) 最常用的方法，更换钢包。如图1 4 所示，采用钢包回转台，实现快速更 换钢包，新的钢水从下一个钢包中注入中间包，与中间包中原有的钢水混合。之后 混合钢液一起进入到结晶器中，并在铸坯的液芯中进一步混合并凝固。这种方法可 有效的避免生产力的损失，但是会降低钢种的品质产出大量的杂钢。所以必须选择 合适的铸造工艺来减少杂钢的数量。 ( 2 ) 快速更换中问包。在更换中间包的同时，新钢包中的钢液开始进入中间 包，这样就便钢液的混合只发生在铸坯内的液芯中。可避免连铸机的停车，同时也 可防止钢液在中间包内混合。但是这种方法要求工厂技术人员有较高的操作水平， 以及更换下中间包内的残留钢水处理，此外，这种方法还会降低中间包的使用寿 命。 ( 3 ) 连铸机停车。当生产完某一成分要求的钢种后使连铸机停车，在生产另一 成分要求的钢种时再重新启动连铸机。这种方法不会产生杂钢，钢种的品质得到了 保证。然而，重新启动连铸机会损失大量的生产时间。另外，为了保证钢种的品质 要求，还要进行切头，这样产量也会有损失。 竺豇 型钙 坠 l 帆 叫 内蒙古科技人学硕十学位论文 图1 4 弧型连铸机的结构简图 以上三种方法是钢铁企业在处理异钢种浇铸问题时所常用的。每个方法都会产 生一定数量的杂钢以及定的费用。为了选择最佳的方法来进行生产，有必要知道 异钢种连铸的每一种方法1 3 5 , 3 6 j 。 但在异钢种连浇的过程中，不同钢种的钢水在中间包和铸坯液芯中相互混合形 成混合坯，当连浇的前后炉钢水成分相差较大时，部分混合坯可能既不属于前一炉 号钢种，也不属于后一炉号钢种，这种混合坯被称为交接部铸坯。交接部铸坯成分 波动较大，必须进行专门管理，有时甚至只能作为废钢来处理，因而降低了金属收 得率。为此，对异钢种连浇过程中交接部铸坯的成分、长度和起始位置进行预测具 有十分重要的意义：一方面，通过对交接部铸坯的起始位置和长度的准确预测，可 以减少铸坯的切除长度；另一方面，也可以为优化连浇工艺，减少交接部铸坯长度 提供理论依据。 1 4 2 典型的换包并更换钢种的全连铸过程 在一个典型的更换钢包并变换钢种的全连铸过程中，设拉速为v ，中间包总体 积为v ，钢水从钢包流入中间包的浇铸速度为q i 。，钢水从中间包流入结晶器的速度 为q w ，随着时问的推移，如图1 5 所示，在新钢包打开后第2 炉钢水进入到中间包 后开始混合，定义这个时问为零时刻。 内蒙古科技人学硕十学何论文 在准备更换旧钢包时，拉速显著降低。流速的显著降低提供了更多的时间用来 过渡。可以使铸坯更好的凝固，缩短铸坯的液芯长度，从而减少混合的长度。与此 同时，中间包的体积也在减小，尤其是在更换完旧钢包时。因为新钢包打开向中间 包浇钢水时也是中间包液位最低的时刻，这样可以将钢液的混合降到最低。必须留 一部分旧钢水在中间包中，但是，这个时刻中间包内的混合已减小到了最低程度。 钢厂有时也会采用快速更换中间包技术，这时中间包内钢液体积为零。 o- 1 0 001 0 02 0 03 0 04 0 0 啪( s s c ) 图1 5 换包过程中拉速、中间包重量和浇铸速度随时间的典型变化 当新钢包打丌后，根据钢包的浇铸速度和拉速，中间包将重新达到理想的操作 水平。中间包中钢水的混合程度取决于浇铸速度和拉速，并最终达到稳定。 离开中问包后，钢水在结晶器与铸坯中继续相互混合。在固态钢中，可以不考 虑扩散，因此最初的表面凝固壳，包括整个弯月面下的钢的成分是前一炉钢水的。 然而，伴随着液芯的湍流，使得弯月面下的混合低于刚打开钢包的时刻。液芯的混 合与凝固时问和拉坯速度有关。 毒i 甚v pi_&口tii-墨q 亩-eoo芏a置；岳_雹j卜畲五邑-t意蕾鼍5茁 钢 由 1 4 3 异钢种多炉连浇的研究现状 在异钢种浇铸的过程中，钢水的混合过程很重要，但前期的工作中并没有考虑 到中间包和铸坯中钢水的混合，只是对几个方法进行过单独的检验。前期对中间包 钢水的混合也是侧重于水模实验，数学建模，以及实验设备的测量。还有一部分铸 坯液芯的混合研究。 职建军、张捷宇等【3 7 1 以宝钢一号连铸6 0 t 中间包进行了水模实验，研究了非稳 态条件下拉速、余钢量对不同钢种连浇时交接部长度的影响。得出：在相同的拉 速情况下，随中间包内钢水量的减少，中间包内钢水的更换时间缩短，混合长度减 少。在相同中间包钢水量情况下，随拉速的增大，混合长度减少。 李玉钢、董金钢等【3 8 】以宝钢二号连铸机的板坯连铸为对象，对异钢种连浇过程 进行了研究。通过水模实验测量了不同铸坯断面、拉速和中间包剩余钢水量等条件 下沿铸坯长度方向的无量纲浓度曲线，在此基础上运用形函数插值的方法建立了异 钢种连浇过程中铸坯成分及交接部铸坯长度和位置的预测模型。在此模型的基础 上，根据前后两炉钢水中的成分含量以及连浇钢种的成分范围可以通过计算得到交 接部铸坯的长度和起始位置。 魏艳龙、王静3 9 】通过建立连铸中问包钢液混合的数学模型和实测数据计算分 析，研究了连铸过程相邻两炉钢水过渡状态成分的数学公式，分析了其变化的规 律，提出了控制连铸坯质量的建议。得出结论：根据连铸中间包钢水混合的数学 模型，能够分析不同铸机钢水过渡状态成分变化的规律，同时能计算出钢水的混合 参数。在连铸过程中中间炉次的实物的化学成分同时受到上下相邻2 炉的影响。 b u m s 4 0 】通过全尺寸水模型实验，给出了一个混钢过程中计算中间包瞬时浓度的 经验模型。通过回归方程，这个模型可表现为一个与时间相关的指数函数。该公式 和参数根据中间包的不同而进行变更。这是相对简单的，但是为了获取好的一致性 还要进行一些测量和简单的方程计算。几位作者已成功的运用有限差分模型计算了 连铸过程中中间包混合的稳态和非稳态现象。这些模型都可以解决三维湍流的n s 方程和质量扩散方程。这些计算的一个关键参数，混合的范围控制，有效扩散系 数，定义如下： = d o + v , s c , ( 式1 1 9 ) 内蒙古科技人学硕+ 学位论文 这里，是湍流的s c h m i d t 数，通常状态下等于1 。这表明，湍流的质量扩散系 数( 湍流扩散系数，d ，) 等于动量耗散( 湍流的运动粘性，啊) ，且与成分无关。 d n 是分子扩散系数，用来计算某一元素扩散到另一元素的量，大约为1 0 喝m 2 厶通常 可以被忽略掉。这就解释了为什么在混合过程中，所有组分的预测是相同的了。 伊利诺伊大学的x i a o q i n gh u a n g 和b r i a ng t h o m a s t 4 1 l 提出了基于一维的 m i x ld 模型用于计算异钢种连浇过程中交接坯的成分和起始位置。m i x l d 由3 个 独立的子模型：中间包的混合模型、铸坯的混合模型和最终产品成分组成模型组 成，用来模拟图1 5 的连铸过程。 s c h m i d t 和o z g u l 4 2 】关于在伯利恒钢铁厂的板坯连铸机上使用的成分分隔板和 碳，硼，硅，磷等成分在板坯中的对应测量的报告。表明，在同等条件下，使用成 分分隔板，交接坯钢板要小于l 米。 最近的研究表明，在中间包内由于热浮力引起的对流和混合现象是有价值的。 在中间包内热浮力，由于较低的平均流速和过高的温度是不能被忽视的。与此相 反，在铸坯的液芯内，由于热量的快速耗散和强的对流使热浮力可以忽略。通过水 模实验研究了中问包的流动模式和混合特性，认为( 全部条件下) 无量纲浓度曲线 是相同的。测量了一些混合后的板坯的成分分布，发现，板坯横截面和纵截面的成 分非常接近1 4 3 4 剐。 以前的铸坯混合数学模型应用了三维有限差分k 一占湍流模型使用巨型计算机来 模拟快速