（钢铁冶金专业论文）十二流中间包内流场的物理模拟.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第i 页 摘要 本文研究的是国内首台十二流铸机，该铸机有两个中间包，各自有一个长水口供钢液。 因此可以看作是两个特殊非对称型的六流中间包。这种中间包的结构，使其内钢液的流场 分布极不对称，严重地影响了铸坯质量。因此，对其进行研究是非常有意义的，也是完全 必要的。 本研究在1 ：3 缩小比例的有机玻璃模型中，采用刺激响应”的实验技术，对8 种方 案条件下流体在中间包内的平均停留时间及染色体流场照片进行了分析，对旋涡卷渣的临 界高度和夹杂物的去除进行了理论与实验研究。另外特别介绍了一种自主研发的能量转换 器( 即冲击槽) ，还针对此中间包的包型特点，对 j 对称型中间包进行深入解析，最终得 出以下几点结论： ( 1 ) 此十二流中间包属于特殊非对称型多流中间包，从空包的实验结果来看，整个中间 包的平均停留时间为5 9 5 s ，最大平均停留时间差k 为5 4 6 s ，折合到现场达9 4 6 s ，说明包 内的流场和温度场极不均匀。1 流的响应时间为1 5 3 s ，而6 流只有4 3 s ，远水口与近水口 之间差异很大，且整个中间包的死区体积比达到2 68 。 ( 2 ) 本研究设计了一种能量转换器。它能够在无需外加能量的前提下，将大包内钢液的 势能转化为中间包内钢液向远水口运动的动能。这有效地利用了已有的能源，也达到了使 钢液迅速到达1 # 水口的目的。从仅采用能量转换器拘实验结果来看，l 流的响应时间大幄 下降，仅为3 0 s ，同时最大平均停留时间差t z 为1 ：8 s ，差距明显减小。 ( 3 ) 在最佳实验方案h 的条件下，各流最大平均停留时间差t z 仅为4 8 s ，达到了预期效 果。中间包不对称度y = o 4 8 9 ，较之空包条件下y = o 8 3 2 明显减小。夹杂物去除率由空 包时的7 4 5 ，提高到8 7 5 ，且死区由2 6 8 下降到1 0 9 ，中间包内的流场较为合理。 ( 4 ) 考虑到渣层厚度等诸多因素的影响，实际生产中，旋涡卷渣的临界高度应控制在 l o o m m 以上。 关键词：中间包物理模拟平均停留时间不对称度控流装置 第i i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l i sp a p e rb a s e so ns t u d i n gt h ef i r s tt w e l v es t r a n dt u n d i s ho f c o n t i n u o u sc a s t 盯 i nd o m e s t i c w h i c hc o n s i s t so fd o u b l es i xs t r a n dt a n d i s hi ns p e c i a l a s y m m e t r yt y p e 1 1 1 i ss t r u c t u r el e a dt o d i s h o m o g e n e o u sf l o wf i e l di nt h et u n d i s ha n da f f e c tt h es t e e lq u a l i t y , s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt o r e s e a r c ho n “s t i m u l a t e - r e s p o n s e ”t e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h eo r g a n i cg l a s sm o d e lw i t ht h er a t i oo f l ：3 t oa n a l y s et h ea v e r a g er e s i d e n c et i m e ( a r t ) a n dt h ef l u i df l o wp i c t u r e s ，a l s ot or e s e a r c ho nt h e c r i t i c a lh e i g h ta n df l o a t i n gr a t i oo fi n c l u s i o nb yt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d m o r e o v e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sas p e c i a li n d e p e n d e n c e i n v e n t i n gp o w e rc o n v e r s i o n ( i m p a c t c h a n n e l ) a n dd e e p l ya n a l y s et h es h a p ef 髓t m eo fa s y m m e t r i c a lt u n d i s h 1 1 坞c o n d i t i o n sa r e o b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i st w e l v e s t r a n dt u n d i s hi ss p e c i a la s y m m e t r i c a l i nt h ec o n d i t i o no fe m p t yt u n d i s h ， 1 1 圮a r ti nt h em o d e le q u a l st o5 9 5s e c o n d s a n dt h em a x i m u ma r td i f f e r e n c e ( a t z ) i s5 4 6 s e c o n d sw h i c he q u a l st o9 4 6s e c o n d si nt h ep r a c t i c a lt u n d i s h t h e r e f o r e t h ef l u i df l o wa n d t e m p e r a t u r ea r en o th o m o g e n e o u s 1 1 1 er e s p o n s et i m e ( t di ns t r a n dl i s1 5 3s e c o n d s ，w h i l et ri n s t r a n d6i so n l y4 3s e c o n d s t h ed i f i e r e n c e se x i s tb d w e t h e s et w oe x i tn o z z l e s a d d i t i o n a l l y , t h ep r o p o r t i o no fd e a dv o l u m er e a c h e s2 6 8 ，5 0t h em o s ti m p o r t a n tt l l i n gi st os o l v et h e s et w o d i m c u l t i e s f 2 ) t h i sp a p e re s p e c i a l l yd e s i g n sap o w e rc o n v e r s i o n 啦se q u i p m e n tc a r la p p l yt h ef o r t h - c o m i n gr e s o u r c et oc h a n g ep o t e n t i a le n e r g yt ok i n e t i ce n e r g yw i t h o u ta d d i t i o n a lp o w e r 1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l to fp o w e rc o n v e r s i o ns h o w st h er e s p o n s et i m ei sr e d u c e dt o3 0s e c o n d s ，a n d t h em a x i m u ma r td i f f e r e n c ei sr e d u c e dt e1 2 8s e c o n d s ( 3 ) i nt h ec o n d i t i o no ft h eb e s tp l a nh ，t h em a x i m u ma r td i f f e r e n c ei s4 8s e c o n d sw h i c h h a v ea c h i e v e dp r o s p e c t i v eg o a l a s y m m e t r i c a ld e g r e eo ft h et u n d i s hi so 4 8 9 i ft h e r ei sn of l o w c o n t r o ld e v i c e s t h ea s y m m e t r i c a ld e g r e eo ft u n d i s hi so 8 3 2 i na d d i t i o n , t h ef l o a t i n go f i n c l u s i o ni si m p r o v e df r o m7 4 5 t o8 7 5 a n dt h ep r o p o r t i o no fd e a dv o l u m ei sr e d u c e df r o m 2 6 8 t o1 0 9 5 0t h ef l u i df l o wa n dt h et e m p e r a t u r ef i e l da r em o r eh o m o g e n e o u s ( 4 ) b e c a u s eo fm a n yo t h e rf a c t o r ss u c ha st h es l a g st h i c k n e s se t c ，t h ec r i t i c a lh e i g h ts h o u l d b em o r et h a nl o o m mi nt h ep r a c t i c a lp r o c e s s k e y w o r d s ：t u n d i s hp h y s i c a ls i m u l a t i o n a v e r a g er e s i d e n c et i m ea s y m m e t r i c a ld e g r e e f l o w c o n t r o ld e v i c e s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 中间包在连铸生产过程中的地位和作用 中间包浇铸是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点， 是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液质量， 中间包的作用都是不可忽视的。通常认为中间包起到以下作用川：( 1 ) 分流作用。对于多流 连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。( 2 ) 连浇作用。在多炉连浇时，中问包存储的钢 液在换盛钢桶时起到衔接的作用。( 3 ) 减压作用。盛钢桶内液面高度有几米，冲击力很大。 中间包液面高度比盛钢桶浅，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇注过程，减小钢 流对结晶器凝固坯壳的冲刷。( 4 ) 保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其它保 护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。 随着连铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断提高，连铸工艺对钢液质量的重要意义 渐渐为人们所认识。大量的研究和技术开发成果已经发表，有些己转化成在生产中实际应 用的技术措施【2 】。如中间包内控流装置的优化设计、中间包吹氩、过滤、钢液加热等p i 。 这表明中间包的冶金作用和地位已受到了更多的重视。中间包冶金应该发挥的作用有：( 1 ) 清除钢液再次污染的来源，即防止二次氧化，减轻耐火材料侵蚀，减少盛钢桶渣的卷入以 及渣中不稳定氧化物的危害。( 2 ) 改善钢液流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物：亦 即防止短路流，减小死区，改进钢液流动方向，增加钢液的停留时间。( 3 1 选择合适的包衬 耐火材料和熔池覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收上浮的夹杂物。( 4 ) 控制好钢液温度， 必要时增加加热设施，使钢水过热度保持稳定。 1 2 中间包内钢液流动状况的研究 中问包作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器。对钢的质量有着重要的影 响。减少中间包内钢水中的夹杂物，可以提高进入结晶器的钢水质量。而减少夹杂物的方 法主要有两方面：一方面是防止夹杂物在中间包内生成或避免外来夹杂物进入钢液中；另 一方面是通过各种手段去除钢水中已有的夹杂。前者主要是防止钢液的二次氧化，包括中 间包渣和钢包渣的卷入、中间包包衬的熔损等。随着连铸技术的发展，后者主要是开发各 种控制流场手段，促进夹杂物的上浮排除。自从8 0 年代初期，多伦多大学a m c l e a n 教授 首次提出了“中间包冶金学”的概念【4 】，中间包冶金所发挥的作用更加为人们所重视。为获 得较好的中间包冶金效果，最大限度地净化钢液，许多学者采用水模型实验和数学模型的 方法，对如何改善中间包流体流动特性做了大量的工作。本文作者综合了国内外的诸多文 献，认为改善中间包内钢液流动的研究主要应集中在以下三个方面：中间包外形结构、中 间包内控流装置和浇铸的工艺参数。 1 2 1 中间包外形结构的影响 常用的中间包形状有梯形、t 形、h 形、v 形、楔形等，见图1 1 。其中，h 形中间包 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 不仅可以使中间包内钢液流动平稳，而且使钢液停留时间延长，有利于夹杂物上浮。 s j 一5 i 采用数学模型及水模型方法研究了槽形和楔形中间包，认为楔形中间包有利于 夹杂物上浮，但不利于温度均匀；传统槽形中间包加上堰，坝等控流装置后，其流型最有 利于夹杂物的上浮。 j d d o r r i c o u 6 1 采用水模型方法研究了t 形、梯形、槽形中间包，认为梯形中间包加上 整流板后，具有较长的平均停留时间。 r 形 v 形恚眵熊：多 h 形 撰形 图i i 中间包形示意图 s a r b j i ts i l l g i l l 刀采用水模型方法研究了中间包的宽度对r t d 曲线的影响。贺有多【8 l 采用 数学模型方法研究了在保持中间包的平均宽度和横断面积不变条件下侧墙具有不同倾角 的中间包流场，认为侧墙使最小停留时间增大，然而一旦侧墙倾斜后，倾角反而对流动方 式影响不大。s j o o 5 l 也研究了中间包墙倾斜度对浇注的影响，认为墙壁倾角大，不利于温 度均匀，但利于夹杂物上浮。 k a r l h t 【9 】研究了中间包尺寸对钢液中夹杂物去除的影响。增加长度或宽度均有利于夹 杂物的去除，增加熔池深度并不有利于夹杂物去除。但增加长度或宽度就增大了钢液比表 面积，钢液受污染的程度加重，同时中间包热损失增加，耐火材料的消耗也增多。贺有多 i s 建议2 流中间包内的l 2 h ( l 为中间包的平均长度，h 为中间包内液面高度) 应保持在3 5 以上，此比值太小时，钢液中的夹杂物不能充分上浮去除。 富平原等【0 】对3 流小方坯连铸采用的t 形和梯形中间包内流体的停留时间分布进行了 测定，同时在水模型实验的基础上进行了生产试验。结果表明不论在钢液的温度分布还是 夹杂物去除方面，梯形中间包的效果均优于t 形中间包。 1 2 2 中间包内控流装置的影响 在中间包内增设控流装置，实质上是改变中间包内部结构，优化中间包内流场，最终 达到促进钢液中夹杂物上浮去除，提高铸坯质量的目的。从7 0 年代末开始，世界上出现 了在中间包内安装坝和堰控制钢液流动形态的方法，见图1 2 。l k c h i a n g t l l 】用水模型研究 了中间包内加坝、堰等控流装置的情况，结果认为坝能减少短路，提高最小停留时间，但 坝的高度影响不大。s j o o 等1 5 j 研究认为中间包加坝更有利于去除大夹杂物，而堰更有利于 去除小夹杂物。宝钢在中间包内设计了一种三重堰结构的控制钢液流动的装置，使用这种 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 装黄能使钢液清洁度比仅用导流墙和坝时提高了3 0 【1 2 j 。到8 0 年代，扼出了多孔导流墙 的设计思路，见图1 3 。多孔导流墙【1 3 l 是一种可取代坝、堰的单片式导流墙，通过导流墙 上所开的带有一定角度的孔，调整钢液流动方向，可延长钢液在中阃包内h 勺平均停留时间， 促使夹杂物上浮去除。c h a n g s o ok i m 等【1 4 j 采用数学模型及水模型方法砂：究了多孔板对钢 液运动的影响，结果表明多孔板使钢液分布更均匀，平均停留时间提高了3 5 。李东辉等 【1 5 】通过数值模拟方法对中间包流场分布及夹杂物浓度分布进行研究，提出了一种新型双 板多孔导流墙流动控制的组合形式。戴朝珊掣j 在马钢六流小方坯连铸中间包内设置墙和 堰合二为的整体横向导流墙来优化中间包内型结构。 图1 2 中间包内安装坝，堰示意图 a b 图1 3 多孔导沉墙结构示意图 - 直孔导流墙；b 斜孔导流墙 为了更有效的提高中间包内钢水的纯净度，从8 0 年代后期，许多研究者致力于陶瓷过 滤器的研究开发。k e n i n c h i r 0 0 7 l 等采用环状叠加式过滤器，对铝镇静钢进行过滤，结果表 明，陶瓷过滤器不仅可减少钢中大型夹杂物，而且也能去除一定数量的微型夹杂物。 k h t a c k e i i 驯等应用泡沫过滤器进行钢液过滤试验，认为过滤器的孔径对固态夹杂物的去除 有较大的影响，孔径小时过滤器入口截流的夹杂物多。张捷宇1 1 9 】等利用水力学模型讨论了 在中间包内陶瓷过滤器的优化设计。虽然使用过滤器能够去除钢液中的夹杂物，并且在实 验室和一些工业生产中取得了一定效果，但是此项技术并没有被广泛地应用于连铸生产。 其主要原因是：( 1 ) 钢液温度高，浇注时间长，对过滤器的冲刷和侵蚀严重，其寿命短；( 2 、 过滤器的比表亟积有限，孔眼易被堵塞，难以满足钢液连续过滤的要求；( 3 ) 陶瓷过滤器制 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 造工艺复杂，生产成本较高。 近来，为了缓解注流的冲击，改善中间包内钢液流动，研究者设计了各种形式的防湍 , 流装! t m - 2 2 1 ，见图1 4 。美国u w 钢铁公司在包底安装了一种防湍流垫，大大改善了钢液 的流动状态，结果钢液中的总氧含量下降2 0 3 0 ，中间包水口堵塞次数减少了5 7 ，有 效地改善了铸坯表面质量。 图1 4 各种形状的防湍流装置 j m a d i a s 等1 2 3 l 为改善阿森达六流中间包内钢液运动，设计安装了一先进的浇注盒，取 代了原导流墙和抑制湍流的冲击板。通过水模型研究发现，使用浇注盒后，在非稳态下浇 注减弱了中间包内的紊流，延长了最小停留时间和平均停留时间，增加了活塞流体积，减 少了死区体积。厂内试验结果表明，各流间的钢液温差减少了，铸坯的宏观清洁度提高了。 韩郁文、陈大慈等阱l 通过对上钢三厂的中间包进行物理模拟发现，在中间包内 设置围墙后，中间包钢液中的夹杂物比未设置围墙时平均减少1 5 3 3 5 ，大大 提高了钢液的清洁度。 邹冰梅等【2 5 l 在五流中间包内使用种新型冲击板，效果很好，并且已在现场使 用。这种新型冲击板既起到冲击板的作用，又起到冲击区加坝作用。同时砌筑方便， 液面也不出现“裸眼”，避免了钢液的二次氧化。 1 2 3 中间包工艺参数及一些特殊措施的影响 1 ) 中间包容量： 一般来说，中间包的容量越大，钢液在中间包内的停留时间越长，夹杂物上浮的机会 越大。在换钢包操作时大容量中间包可以使钢液面不至于降得太低，避免了旋涡卷渣，又 不必大幅度降低拉速。 2 ) 熔池深度： 较深的熔池表面流速较小，减轻了液面波动。从延长钢液在中自】包内的平均停留时间 的角度讲，液面深有利。但对于包底部区的夹杂物要上浮到中间包覆盖剂中，需经历的路 程长，不利于夹杂物上浮去除。 3 ) 流数： 流数多，各流之间的不对称度大，各流之间的均匀性难解决。距注入点最远的水口， 钢液的平均停留时间长，热损失大，容易出现水口冻结，不能顺利开浇。距注入点最近的 水口，钢液的平均停留时间短，钢液中夹杂物上浮去除的机会少。对于多流中间包，目前 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 还没有解决不均衡问题的一致方案。因此，对具体的中间包，需要采用数! 掌物理模拟方法， 设计合理的控流装置，优化中间包内流场。 4 ) 拉速： 提高拉速，可以充分发挥铸机的生产能力，提高产量。但拉速大，钢液在中间包内的 停留时间短，夹杂物来不及上浮就被带入到结晶器中，恶化铸坯质量。 除了以上工艺参数外，在中间包内安装带有水平段的出流口，其流体入流的方向不同， 对流场产生的效果也不样，见图1 5 幽。当入流方向正对钢包注流冲击区时，中问包内 存在较大的短路流，如图5 a ，同时背对入流方向的地带存在着较大的死区，减少了中间包 的有效容积。当入流方向背对钢包注流冲击区时，可以延长平均停留时间，减少死区，如 图5 b 。 图1 5 出流口的不同入流方向对流场的影响 入流方向正对大包冲击区；b 入流方向背对大包冲击区 在中间包内进行吹氩，可以改善钢液的流动状况，促进中间包内夹杂物上浮去除，很 多研究者i 砭”邡l 在这一方面进行了研究，并取得了明显的效果。但由于中间包钢液深度比 较小，并且是一个连续式反应器，所以在寻求吹入氩气来改善钢液流动的同时，抑制渣的 卷入也是非常重要的。图1 6 为中间包吹氩示意图。 3 1 图1 6 中间包欢氩示意图 1 中问包；2 中间包盖；3 隔墙；4 多孔砖；5 浸入式水口 综合前人上述的研究结果，可以得到以下认识： ( 1 ) 影响中间包内钢液流动状况的因素较多，包括中间包外形结构。控制内部钢液流场 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 装置以及各种工艺参数。合理的设计能改善中间包内流场，充分发挥中间包的冶金功能。 ( 2 ) 在同一个中间包内，采取不同的控制内部钢液流场装置，中间包的冶金效果不同； 对于不同尺寸与形状的中间包，其坝、堰等控制内部钢液流场装置的设计方案应根据中间 包的具体情况进行研究与分析。 ( 3 1 坝、堰的位置，坝的高度，堰的浸入深度，坝堰之问的距离，对中间包内钢液流动 的影响不尽相同。目前，还未找出它们之间的变化对中间包流动影响的一致规律。 ( 4 ) 中间包内控流装置的设计有使用坝或堰、应用多孔导流墙、安装过滤器、设置防湍 流装置以及它们的组合等多种方案。但对于具体的某一类中间包，怎样选择最简单的控流 方式达到最佳的冶金效果，还有待于进一步探讨。 1 2 4 非稳态下中间包内钢液流动状况的研究 以上所述的各种因素对中问包流场的影响，大部分都是处于稳态时的情况。随着中间 包流场研究的不断深入和现场许多新问题的提出，对于非稳态条件下的中间包流场也受到 许多研究者的重视。 有许多学者【2 9 州1 用物理模拟的方法，研究了同一中间包内异钢连浇时的钢液流动状况。 设计出合理的挡墙坝堰与操作制度，尽量减少由于不同钢种混合造成的混合质量问题。从 控流装置的角度出发，必须减小中间包内全混流区的体积，提高活塞流区的体积，从而减 少新旧钢液间的混合。一种防湍流冲击板 2 5 j 的使用能提高中问包内活塞流的体积，降低全 混流的体积，使混合段的量大大下降。连浇时为了将不同的钢种分开，有时采用在结晶器 内加隔板的方法，它会造成央渣，空气氧化等问题。d o f a s c o 公司研制的控流冲击板 3 2 1 ， 在不使用结晶器隔板的条件下，得到的铸坯混合段的长度与使用隔板时一样长，而且由于 避免了使用隔板时的再氧化问题，可以提高铸坯的洁净度。 钢液面下降过程中，钢液深度到达一定值( 临界高度) 时，在中间包水口上方，由于 出流的抽吸作用，会出现旋涡，它将极大地促使钢渣间的乳化，把渣卷入结晶器内1 3 3 - - 3 5 ， 产生旋涡的i 临界高度与表面渣层的厚度，粘度都有关。有研究者给出了临界高度和流体密 度，出流口直径的关系式i 刈 h = 0 式中：h j 临界高度，m q 一形成漏斗状旋涡之前的流量，m 3 s p i ，p 2 一分别为液态钢，渣的密度，k g m 3 a 一出流口直径，m 在更换钢包过程中，没有钢液流入中间包，而中间包中的钢液不断流入结晶器，中间 包内钢液的流动处于不稳定状态。为此，有学者【3 6 】用数学物理模拟的方法，研究了更换钢 ，i1 船 矿万一n 卜 ，l蕾 睁 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 包时中间包内的流场。结果表明在更换钢包时，随着入口射流的消失和时间的推延，中间 包的流场逐步由三维空间变成二维，在宽度方向上各个纵剖面的速度分布趋于一致。随着 钢液面的降低，在水口上方出现不同程度的旋涡，当液面高度低于临界高度，产生汇流旋 涡并形成漏斗。因此，为了减少以至消除旋涡，提高连接区的铸坯质量，研究者开发了一 系列技术，如浮游阀( f v ) 技术，旋转阀( r v ) 技术等【3 7 1 。目前，在工业生产中，通常 采用过剩余钢法，即在停止浇注之前，留下铜液面高度大于临界高度的操作方法。通过这 种方法，可以避免旋涡卷渣。 1 3 中间包流场的物理模拟 在中间包内流场的物理模拟中，常用水来模拟钢液。因为水容易获得且水的运动粘度 与钢液的运动粘度较为接近。2 0 c 的水和1 6 0 0 c 的钢液的物理性能见表1 1 哪j 。因此，许 多研究者f 3 9 - 4 2 】通过水模型实验，预测中间包内的钢液流动规律。在中间包内安装合适的流 动控制装置，改善中间包内钢液的流动状况，从而延长钢液在中间包内的停留时间，均匀 钢液成分和温度，促进夹杂物充分上浮。 表l l 水和钢液的物理性能 1 3 1 物理模拟的理论基础 物理模拟的理论基础是相似原理。应用相似原理建立模型和进行实验时，必须保证两 系统几何相似、物理相似。几何相似是指模型和原型各个对应角相等，对应长度成比例。 物理相似是表征物理特征的内在比相等，用各种无量纲准数来描述事物的物理特征，如雷 诺数( r e y n o l d s ) 是系统的惯性力和粘性力的比，它表征系统的粘滞流动；弗劳德数( f m u d e ) 是系统的惯性力和重力的比，它表征由重力引起的流动。在一个模型中，要保持模型与原 型中所有准数都各自相等几乎是不可能的。因此在进行中间包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来进行模拟。 中间包内钢液的流动是钢液在重力作用下，从大包长水口流入中间包，然后从中间包 各出水口流出。这种流动可以看作是由钢包注流和钢液静压力引起的强制流动，影响其流 动状态的作用力主要是惯性力、重力。所以，在中间包冶金过程钢液流动特性的物理模拟 中，f r o u d e 相似准数是很重要的准数之一。早期的一些文献【4 3 , 4 4 1 还考虑了r c 准数和f r 准数同时相等，即选择比例因子为l ，因此模型尺寸与实物尺寸相同。然而考虑到实际条 件限制和模型的成本，研究者多采用缩小比例的水模型。 根据流体力学原理，当流体流动的r e 数大于第二临界值时，流体的湍动程度及流速的 分布几乎不再受r e 数的影响。此时流体的流动状态不再变化，且彼此相似，也就是说流体 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 流动进入第二自模化区域。当原型的r e 数处于第二自模化区以内时，模型的r e 数不一定与 原型的r e 数相等，只要也处于同一自模化区域就可以了。因此在此情况下只用保证f r 准 数相等就能满足相似条件。一般r e 数的第二自模化区的临界值为l 1 0 4 l 1 0 5 。 许多学者对中间包内流体流动状况进行了物理模拟，所考虑的相似准数见表1 2 。 表1 2 不同的物理模拟实验中研究者所用的相似准兹 d i p a km a z u m d a r 等【4 5 1 人也利用三种不同形状和不同比例的模型进行了实验研究，认为 中间包的流体流动主要由惯性力和重力起决定作用，粘性力在该系统中是不重要的。 ( f ) 。= ( f ) ， ( 1 2 ) 即： 令 则： 粤：_ g l( 1 3 ) 甜：u ： 五：生 l ， 生：名 “ 式中l l l 代表模型： ，代表原型； g 重力加速度，m $ - 2 ； 三一中问包的特征长度m ； ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ：刀 = e i一彬 = 盟q 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 一中间包内液体流动的特征速度m s 1 ： 卜比例因子； 口一体积流量，m s - l 。 从上表中可以看出，在中间包内钢液流动的物理模拟中f r o u d e 相似准数是最重要的 准数。在考虑夹杂物运动时，需要考虑液体表面张力的作用。在建立这类模型时，保证模 型与原型乃准数相等的基础上，还要保证耽数相等。 1 3 2 流场显示及测量的实验技术 建立了合适的模型后，还必须有合适的实验技术才能得到良好的实验结果。流场显示 技术是研究各种复杂流动的有效方法。显示出来的流动图形既便于直接观察，又可用照相 或摄影的方法记录下来以供分析。常用的显示方法有示踪莉法和高速摄影法。 示踪剂法：示踪剂粒子一般在流动的上游即中间包注流入口处加入。在中间包水模型 中，常用的示踪剂有聚苯乙烯、塑料粒子和铝粉等，苯、二甲苯、茜红、高锰酸钾、甲基 蓝等染料也可作为示踪剂。 高速摄影法：这种方法是把高速运动变化过程的空间信息和时间紧密联系在一起，进 行图像记录的一种摄影方法。它能将瞬变、高速过程连续记录下来，给人们以直观形象和 生动可靠的结果，并运用图像分析仪等设备进行定量计算。采用此方法可以用来研究中间 包流场的流动状态，分析中间包流场中射流的状态，流股的运动形式，夹杂物的运动轨迹 以及卷渣等。 流场显示能够用来研究流体流动规律，但是不能对中问包内流体流速进行定量测量。 激光多普勒测速是一种测量流体速度的方法，用激光作为光源，基于多普勒效应，采用光 外差技术，可测量流体的速率、湍流强度等。热线( 膜) 流速仪也是一种测量流体速率， 应用广、灵敏度很高的测速仪器，对流场干扰小，有很高的空间分辨率和响应速率。通过 使用这些测量仪器，能更加清楚的认识和研究中间包内钢液的流动。 1 3 3 平均停留时间测定及计算 进入中间包内的各流体分子或流体微团，在中间包内流动的路径是各不相同的，有的 分子经过的路径短，有的分子流动的路径长。因为分子数目很多，其流动过程所需的时间 长短，必然服从某种概率分布函数，这就是停留时间分布函数e r f ) ，见图1 7 【4 9 】。 0 图1 7 停留时问分布函教 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 测量停留时刚分布，通常采用“刺激响应”技术。其方法是：在中间包注流入口处输 入一个刺激信号，信号一般使用示踪剂来实现，然后在中间包出口处测量该输入信号的输 出，即所谓响应，从响应曲线( r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc u r v e 即r t d 曲线) 得到流体在 中间包内的停留时间分布。由r t d 曲线的数据可得出从加入示踪剂到中间包出口开始出现 示踪剂的时间( 即响应时间t r ) 、示踪剂浓度达到最大值的时阅( 即峰值时阃b ) 以及计算 中间包内流体的平均停留时间t 。到每个出口流体的平均停留时间t z 计算公式为： t ：= t ，c ，at ， c ，t 流体在整个中间包内的平均停留时间t 。计算公式为： t 。= t j c a t !一 c 。af j ( 1 7 ) ( 1 8 ) 式( 1 7 ) 、( 1 8 ) 中a t r 取样时间间隔s ； b 取样时$ 1 j s ； c 广 ，时刻出水口处示踪剂的浓度w w o ； c i i “时刻第j 个出口处示踪剂的浓度w t 。 根据模型中所测流体的平均停留时间t 。，计算出在实际中间包内钢液的平均停留时间 t a ，计算公式如下： t i = t 矗r “2( 1 9 ：i 式中 一比例系数。 有文献f 5 0 】认为，设计一个中间包，要求钢液在中问包内的平均停留时闯t a # 5 m i n 。 根据r t d 曲线，可以计算出活塞流区( u ) 、全混流区( v 。) 和死区( v d ) 的体积分 数，计算公式如下： r 一垡 钿4 一万 圪= l 一旦t 巧= 弦- , a + 刳，2 = i 一一匕 式中q 一长水口处的流量一s - l ； v ；。一中间包的有魏容积，m 3 ： ( i 1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 t 4 培一理论平均停留时间s ： t 。一中间包内流体的平均停留时间s 。 1 3 。4 夹杂物的物理模拟 中间包内，夹杂物是在流动的介质中变化，长大和去除的。用水模型研究钢液流动时， 也需要用适当的粒子来模拟非金属夹杂物。在流动介质中涉及夹杂物去除的现象有；夹杂 物的碰撞长大，夹杂物上浮，钢液对夹杂物的润湿性以及渣层和包衬捕获夹杂物的能力等。 对这些复杂的现象进行模拟时相当困难。希思利普( l h e a s l i p ) 1 5 1 1 等用空心玻璃球模拟非 金属夹杂物。空心球外未加涂层者模拟亲液性夹杂物即和液体润湿性良好的夹杂，玻璃球 外涂覆乙烯基硅烷( v i n y ls i l a n e ) 模拟疏液性夹杂物即和液体不润湿的夹杂。空心玻璃球 的颗粒尺寸分布和脱氧产生的夹杂物颗粒分布接近，粒径分布最大频率在2 0 3 0 1 m a 范围， 粒径上限为1 0 0 w n ，接近于二次氧化产生的夹杂物。 作用于夹杂物颗粒的力为上浮力f b 和摩擦阻力f d 。 f s = ( 4 m 3 3 ) ( p f - - p , ) g ( 1 1 4 ) f d = c o a p l u z 2( 1 1 5 ) 式中：r 为颗粒半径，pi 为液体密度，p 。为颗粒密度，u 为液体和颗粒相对速度，a 为颗粒沿垂直流向的断面积，c d 为阻力系数，随数而变。 为了保持颗粒运动相似，除了模型和原型的流动状态相似外，作用于颗粒上的两种力 的比值应恒定： ( f b ，f d ) m = ( f b ，f d ) ， ( 1 1 6 ) 分别将公式1 1 4 ，1 1 5 带入公式1 1 6 可得： r j ( p 1 - - p s ) c d a p l u 。= p ( p j - - p 0 c d a p l u ， ( 1 1 7 ) 当采用l ：1 水模型和上述尺寸分布的玻璃球时，模型和原型两个系统颗粒半径和r e 数 保持恒定，两系统的c o ，a ， u 可以由式中除去。即： 【( p l p s ) p t m = 【( p l p ，) p i 】r( 1 1 8 ) 也就是说，只要颗粒与液体的密度比是相等的，就可以用空心玻璃球模拟夹杂物。表 1 3 是几种物质的密度值。 表1 3 几种物质的密度值 物质种类 密度g c n i 3 钢液( 1 6 0 0 ) 水( 2 0 ) a i ：0 3 s i t h 空心玻璃球 7 0 8 1 o 3 4 2 5 0 3 4 o 4 1 发泡塑料粒子也可以用来模拟非金属夹杂物。发泡塑料粒子比空心玻璃球容易得到 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 用热水使之不同程度的发泡可以灵活变化其密度，以适用不同比例的模型。根据公式1 1 7 ， 考虑到两系统颗粒形状相似，及处于同一个自模化区域，则阻力系数c d 相同，公式1 1 7 改写为： 【( p i p s ) p j 】i i l 【( p l p ；) p l 】r = ( ，a u ) m ( r j a u ) r ( 1 1 9 ) 根据两个相同的相似比例关系，r m ，r r = 九；a d o = x 2 ；u m 他= 妒5 ；其中x 表示相似比， 则公式1 1 9 变为： 【( p i p s ) p l 】l i i 【( p l p p i 】r = 矿( 1 2 0 ) 从公式1 2 0 可知，即使不采用l ：l 比例模型，也可以通过调节塑料粒子的密度来模拟 不同粒度的夹杂物。 1 4 课题的提出和意义 武汉科技大学湖北省钢铁冶金重点实验室，结合已有的研究成果，通过水力学物理模 拟研究，对十二机十二流连铸机的中间包进行内控流装黄的设计。试图通过分析各种控流 装置下的流场特性，来达到均匀钢水成分、温度、净化钢液等优化效果。 该铸机有两个中间包，各自有一个长水口供钢液。因此可以看作为是两个完全不对称 型结构的六流中间包。这种中间包的结构，使其内钢液的流场和温度场分布极不对称，严 重地影响了铸坯质量。而且该十二流铸机是国内首台，所以对其进行研究是非常有意义的， 也是完全必要的。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 第二章多流中间包包型分析及能量转换器的设计 2 1 多流中间包包型分析 2 i i 非对称型中间包的定义 所谓“非对称型多流中间包”，是指一个中间包有多个出水口，而各出水口与入水口之 间，在包内的几何分布上或钢液在包内的温度分布上，流动形式上处于非对称状态。如何 改进现有非对称型多流中间包是连续铸钢研究工作中的一个重点。只有当中间包内钢液流 动及温度分布趋于对称，各流浇注出来的铸坯才会具有相同的组织结构。从而能使各流的 操作参数相同，更便于对结晶器、二冷区的冷却实施自动化控制。 2 1 2 不对称度的定义 文献f 5 2 j 对各种多流中间包的非对称性提出了一个定量描述的物理量一一不对称度。不 对称度定义为入水口到最远和最近出水口距离之差与入水口到最远出水 距离之比，公式 如下： 一爿a 孺- 1 ) b 2 ， 2 + 【2 “2 、。 式中：y - 一不对称度o 一入水口中心到同一出坯方向上各出水口中心连线的距离： b 一同出坯方向上各出水口间的流间距。当1 1 2 时，所有流间距相等； o 一出水口中心连线与入水口中心到此连线上的垂线的垂足到最近水口的距离； r 卜在入水口左右，假想有同样多个处于同一出坯方向上的出水口个数。 2 1 3 多流中间包的分类 依据以上不对称度的定义，各种多流中间包大致可分为完全对称型，一般非对称型和 特殊非对称型三类。完全对称型中间包不但入水口对各出水口在几何构型上对称，而且钢 液到各水口的流动形式，包内温度分布，钢液对各水口的平均停留时间均相同，如图2 1 所示。一般非对称型中间包，入水口对各出水口在几何构型上对称，但入水口到各出水口 的距离不同，各出水口钢液温度也不同，即钢液到各出水口的流动状况，包内的温度分布 存在不对称性，图2 2 列出了此类中间包的几何形状。特殊非对称型中间包，指入水口对 各出水口在几何构型上都不对称的中间包，如图2 3 所示的几何形状。 图2 1 完全对称型多流中间包的几种形式 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 团 图2 2 一般非对称型多流中间包的几种形式 趔篮 图2 3 特殊非对称型多流中阋包的几种形式 2 1 4 十二流中间包包型的分析 本文研究是国内首台十二流铸机，该铸机有两个中间包。各自有一个长水口供钢液， 如图2 4 所示。因此按照对多流中间包的分类，可以看作是两个特殊非对称：型结构的六流 中间包。正如以上所分析的，这种中间包的结构本身使其内钢液的流场和温度场分布极不 对称，严重地影响了铸坯质量。 图2 4 十二流中间包示意图 对于左侧特殊非对称型六流中间包( 见图2 5 ) 进行不对称度计算： 图2 5 左侧六流中间包围 根据文献5 2 1 可知，对于此类特殊非对称型中间包而言，不对称度的定义仍然适用，但 武汉科技大学硕士学位论文 第】5 页 计算不对称度时需对公式( 2 1 ) 进行修正。 即： h 一两篙筹而 刁 式中：n 为偶数，n 4 。 由图2 5 可知：a - - - - 9 9 5 m m , b = 1 2 0 0 m m , c = 5 0 0 m m ；可得：y - - 0 8 3 2 因为不对称度y 0 ，1 ) ，y 值越小，说明中间包越趋于对称。当y = o 时，即以上提 到的完全对称型中间包。反之，若y 值越大，说明中间包越不对称。本文所研究的十二流 中间包的不对称度为y = o 8 3 2 ，说明此包型极不对称。如何降低中间包的不对称度，使其 内流场和温度场达到均衡，也就成为本研究的关键所在。 2 2 能量转换器的设计 本文研究的中间包不仅仅具有特殊不对称的特点，而且整个中间包跨度很大，按包底 计算，左右全长6 9 m ，从冲击点到最远的1 撑水口的直线距离为6 5 7 m 。这样从大包下来进 入到中间包内的钢液如何将其从冲击点快速输运到l 样水口，就成为此研，的重点和难点。 为了解决这个问题，我们专门设计和研制了一种能量转换器，此能量转换器亦为国内首创， 并且也申请了实用新型专利，详见附录1 。能量转换器示意图及安装位置如图2 6 、图2 7 所示。 图2 6 能量转换器示意图 圈2 7 能量转换墨安装位置 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 该能量转换器能将大包钢水的势能转化为中间包内钢液向前流动的动能，由此来解决 钢液向l 弹水口快速输运的困难。此能量转换器设计的最突出优点在于利用了钢水进入中间 包前自身的势能，转化为中包内钢液的向前流动的动能，而无需另外对钢水施加能量来获 得钢水在中问包内运动的动能。这样不仅设备简单，而且并不过多增加额外的成本，对环 境也没有任何污染。另外，由于钢铁行业本身的特点，决定了在钢铁生产中存在着较为严